钢结构与钢筋混凝土结构对比，16 个角度全面解析

前言

我在翻《钢结构建筑装饰结构图集[日本]》这本书的时候，看到了一张关于钢结构和钢筋混凝土结构的对比图。不仅有些内容看起来有点混乱，翻译出来的句子也读起来。有点生硬，所以我打算谈谈这个话题。

表中两者的比较还是比较全面的。列出了13个不同的角度：平面设计、结构形式、立柱尺寸、梁高……装饰材料和变形限制等。本文增加了三个角度，回收、设计和工艺流程。总共有16个角度，下面我们逐一讨论。

1. 平面设计

以《日本建筑钢结构设计》中的例子为例。这是日本常见的情况：三层钢结构办公楼采用无柱室内空间，以实现建筑平面更加灵活的功能划分。即单框架钢框架结构体系。本设计使梁跨度达到13.5米，采用H型实腹钢梁和冷弯矩形钢管柱，比较容易实现。因此，钢结构建筑可以提供更广阔的空间和更自由的功能布局。

相比之下，混凝土结构很难实现这种跨度和净高的结合。

2、常见结构形式

这种比较需要考虑一个前提：常见的多高层建筑。日本钢结构建筑通常采用纯框架，因此钢柱多为方钢管。美国的钢结构建筑多采用支撑框架结构，因此钢柱多采用H型钢。这些差异还与所用钢材的类型有关。如果读者对此感兴趣，可以留言讨论，我们稍后再展开。

3. 立柱尺寸

钢的高强度和均匀特性允许使用更小的横截面尺寸。以上述三层办公楼为例，钢柱宽度仅为40厘米。相比之下，如果使用钢筋混凝土，则柱的宽度需要显着增加，至少达到65厘米。

这种尺寸差异不仅影响建筑物的使用面积，而且影响整体结构的重量和荷载分布。

4.高亮

混凝土梁的最小高跨比为1/18，这是钢结构的最大高跨比。常规设计中，钢梁的高跨比通常为1/20。对于轻质屋顶中的钢梁，这一比例可减小到1/30，但一般不小于1/40。

这种梁高的差异不仅影响建筑的净高和空间利用率，而且影响整体结构的刚度。由于梁高较小，钢结构可以更灵活地布置管道和设备，同时也可以实现更大的跨度。然而，设计人员需要注意控制钢梁的挠度，以确保结构在使用寿命期间的性能和舒适度。

5. 建立自重

从比例上看，采用钢结构的建筑物重量通常减轻40%以上。

一项对50米高层办公楼的研究比较了不同的结构体系，结果更加惊人。办公楼上部建筑面积10400平方米。采用钢结构后，每平方米结构重量降低56%，基础造价也降低7.5%。

这种减重不仅影响建筑物的整体荷载，而且对结构设计和施工方法也产生有益的影响。例如，较轻的重量可以减少地震作用下的惯性力。

6. 基础知识

虽然钢结构重量较轻，但如果混凝土结构也采用独立基础，成本降低比例会比较小，约为7%。

但如果能因减重而改变基础形式——例如混凝土结构需要筏板基础，而钢结构可以采用独立基础——那么成本的降低将是相当可观的，预计可降低15%左右。

7. 元件的可靠性

差别是相当明显的。虽然高质量混凝土结构的精度可能超过钢结构，但这并不是一般规则。

通常，现场施工人员的技能水平参差不齐，工作条件恶劣，再加上施工期限普遍存在时间压力，使得施工质量难以与工厂预制构件竞争。即使混凝土是在工厂预制的，其成本相对于钢结构也不具有绝对优势。毕竟，钢材本质上是一种预制产品。值得注意的是，在日本，钢结构的成本已经低于混凝土结构。

8. 耐用性

在一般室内非潮湿的环境下，即使没有特殊的保护，钢结构的腐蚀速度也很慢（参见：室内钢结构的防腐：底漆真的有必要吗？）。在实际工程中，除了防锈处理外，还会增加装饰面层，这样钢结构就可以长期安全使用，无需频繁维护。但在日常使用和改造中，必须注意不要损坏钢结构的防腐保护层。

相比之下，混凝土结构需要重点预防和控制裂缝。一旦裂缝超过规范允许范围，钢筋就失去了混凝土的可靠保护，很容易生锈。

总之，钢结构的耐久性主要取决于外部防护措施的设计，而混凝土结构的耐久性则取决于混凝土本身的设计。

9. 耐火性

关于钢结构的防火，本公众号已经详细讨论过。读者可以参考相关专题合集。

混凝土结构防火规范尚处于国家标准征求意见阶段。不过，广东省却出台了地方标准《建筑混凝土结构耐火设计技术规程》（DBJ/T15-82-2022）。该规范指出，混凝土结构的耐火极限取决于三个关键因素。以混凝土柱为例，为达到3小时耐火极限，在多面火灾条件下，轴压比（μ值）为0.5，柱宽为65cm，混凝土厚度受力钢筋保护层厚度不得小于35mm。

十、施工期

一般来说，钢结构比钢筋混凝土结构可以缩短工期。这主要是因为在建造基础时，钢结构可以在工厂同步加工，现场没有湿作业，不需要像混凝土那样耗时的维护。

但在实际工程中，能否真正缩短总工期受多种因素影响：一是钢结构的运输、吊装需要精确的规划和协调，以保证构件能够顺利、准确地到达施工现场。定位。其次，现场焊接、高强螺栓连接等关键工序对技术水平和质量控制要求较高。最后，钢结构的防火、防腐处理也是影响工期的重要因素，需要在施工方案中充分考虑。

11、梁穿孔

在比较钢结构和混凝土结构时，我们通常讨论的是符合规范规定的常规设计情况。

《高钢规程》第8.5.6条规定，钢梁开口直径不得超过梁高的1/2。日本标准根据钢材的强度而有所不同，最大不超过梁高的2/3。 《热轧H型钢设计与使用手册》6.4.3条甚至提到，圆孔可以达到0.7倍梁高，而矩形孔可以达到0.5倍。

混凝土梁上的开口有哪些规定？ 《高新技术条例》第6.3.7条规定，框架梁上开口的高度不应超过梁高的40%。

如果你想在混凝土梁上打更大的孔，就必须进行技术创新。如果有兴趣，不妨看看《大开口钢筋混凝土梁力学性能试验研究及施工关键技术》。

12. 层高

在相同的室内净高要求下，降低结构梁高度可以降低整体层高，从而降低建筑成本。不仅可以减少建筑材料的使用，还可以减少外墙面积，从而降低能源消耗和整体建筑成本。

对于楼层足够的建筑来说，在固定建筑总高度的情况下，降低每层高度可能会增加一层的使用面积。

13、装饰材料及变形限制

钢结构建筑常采用干挂装饰材料，这样不仅可以使用轻质材料，而且可以适应钢结构的变形特点，从而避免裂缝问题。

钢结构的层偏角限制通常比混凝土结构更宽松。规范规定钢结构的限值为0.004，而混凝土结构的限值一般为0.002～0.001。关于这个话题，我们之前的文章有比较详细的讨论，这里不再赘述。 （1.为什么是“0.001”？2.钢结构的极限是0.004，为什么可以比混凝土放宽4倍？）

14. 可回收

原书中的图中没有包含此项，但从长远来看，这是钢结构的一大优势。 **钢铁是地球上回收率最高的材料。 **按重量计算，美国生产的钢铁产品中有 81% 在使用寿命结束时被回收。具体来说，85%的汽车、82%的电器、70%的集装箱、72%的钢筋和98%的结构钢被回收。

15. 流程

在整个施工过程的管理中，钢结构和混凝土结构的设计和施工程序存在显着差异。钢结构主要依靠工厂预制和现场安装，需要精确的尺寸控制和连接设计。相比之下，混凝土结构更注重现场浇筑和养护，对模板和支撑系统有更高的要求。这些差异直接影响项目的进度、质量和成本管理。

钢结构详细设计是一个独特且关键的环节，需要专业团队来完成。该过程包括详细的部件设计、连接节点优化和车间加工图纸生成。详细设计不仅保证了钢结构的精度和可施工性，而且有效减少了现场施工过程中可能出现的问题。

钢结构安装施工阶段的应力分析至关重要。设计人员必须考虑结构在每个施工阶段的受力状态，以确保结构在完成安装之前在每个阶段都保持稳定。这不仅需要扎实的结构力学知识，还需要对施工工艺和现场条件有深入的了解。安装过程中的任何疏忽都可能导致严重的质量事故。

16. 设计

与混凝土结构设计相比，钢结构设计在思维、知识体系、技能要求等方面都有较大差异。

具体来说，主要体现在材料理解、构件设计、连接节点设计、整体和局部稳定性分析、施工技术等方面。这些方面都要求设计者具有丰富的专业知识和实践经验。同时，他们也需要有创新的思维来处理钢结构设计中可能遇到的各种问题。

材料特性不同，计算分析重点不同，不同连接方式总结不同

虽然钢结构比混凝土有很多优点，在工厂、大型体育场馆、展览馆等工业和公共建筑中占据绝对优势，但在民用建筑领域所占的比例还很小。

这种现象反映了市场的选择。成本和质量是关键考虑因素，仅靠政策支持很难实现长期发展。回顾预制混凝土（PC）的发展历史和现状，我们也能得到类似的启示。

要推动钢结构在土木建筑中更广泛的应用，或许需要从根本上提高其适应性、经济性和施工效率。它不仅需要多学科、多领域的技术创新，更需要整个建设过程的参与者的协同努力。