型钢混凝土结构的特性和优点，你了解多少？

本文针对现今建筑行业广泛应用的钢混结构，总结分析了钢混结构的特点和优势，并利用著名建筑师卡拉特拉瓦的作品——纽约世贸中心交通枢纽对结构进行了分析。虽然钢混结构发展到今天已经比较成熟，但是如何挖掘结构的潜力，让结构不仅仅停留在解决问题、服务于设计的层面，更能通过结构来表达建筑的内涵，传达出结构的诗意和美感，是建筑师需要关注和解决的问题。

● 钢混结构概述

▲ 概况及发展历史

钢-混凝土结构是以型钢为骨架，在型钢周围布置钢筋、浇注混凝土的嵌入式组合结构体系。这种结构主要用于构成建筑物的梁、柱。其所含型钢有实心型钢（图1）和空心型钢（图2）。实心型钢除轧制型钢外，还可采用型钢、钢板焊接而成。

钢-混凝土结构在不同国家有着不同的发展历史和特点，名称上也有明显差异：日本称其为钢筋混凝土（SRC）；英、美等西方国家称其为钢包混凝土（Steel Encusdred Concrete）；前苏联称其为刚性钢筋混凝土结构。

西方国家在20世纪初就开始研究此结构，二战后此结构在前苏联、日本等国家得到迅速发展。由于我国钢铁工业发展较慢，钢混结构用钢量大，所以直到20世纪80年代才开始迎来较为广泛的应用研究。

▲ 钢筋混凝土的优点

简单概括一下，由于在钢筋混凝土中加入了型钢，型钢固有的强度和延性，以及型钢、钢筋（箍筋和纵筋）、混凝土三位一体的互补性，使得型钢混凝土结构比传统的钢筋混凝土结构具有承载力大、刚度大、抗震性能好等优点，同时与钢结构相比，具有耐火性能好、结构局部和整体稳定性好、节省钢材等优点。

此外钢筋混凝土还具有以下特点：

（1）合理用力、充分利用材料；

（2）钢-混凝土构件充分利用了混凝土的抗压性能和钢材的抗拉、抗压性能，钢筋混凝土与钢材形成一个整体，共同受力，因此，钢-混凝土构件的承载力可比相同截面的钢筋混凝土构件高出一倍以上，也就是说，相同承载力的构件截面尺寸可以减小，从而减少梁、柱的体积；

（3）稳定性好，抗风抗震性能好：外层混凝土对钢材有较强的约束作用，可以防止钢材局部屈曲，提高钢骨架整体刚度和抗扭性能。设计时，钢-混凝土组合结构的阻尼比略低于钢筋混凝土结构，因此可以对结构进行优化。另外，较小的结构自重也有利于高层建筑的减震减振设计。通过设置耗能机制，减少地震反应，可取得明显的抗风抗震效果；

（4）综合经济效益好：与全钢结构相比，钢混结构可节省钢材1/3左右，降低建筑成本。同时克服了钢结构防锈、防腐、防火性能差，需要定期维护等缺点。与传统钢筋混凝土结构相比，构件截面尺寸小，结构自重轻，可增加使用面积，便于灵活布置建筑。另外，梁截面尺寸的减小，也可降低结构总高度，从而降低整个建筑的造价。

（5）施工方便，工期短：施工时，钢架即可作为临时支撑，承担上部几层楼的施工荷载，又可作为下部楼层浇筑混凝土的操作平台，代替脚手架。因此，钢混结构无须等到混凝土达到一定强度后再继续施工上部楼层，因而施工工期比钢筋混凝土结构短。

正是由于钢-混凝土组合材料具有上述优点，这种结构常用于超高层建筑、地下建筑、桥梁等对建筑结构和造型要求非常高的建筑结构中。

▲ 钢混结构的缺点及施工难点

钢混结构的缺点和施工难点是相互对应的，现简单介绍如下：

（1）钢-混凝土组合结构施工时应注意标高的均匀性、混凝土梁与钢-混凝土柱之间的连接以及钢筋孔周围的应力集中问题；

（2）与钢混结构相比，钢混结构自重较大，施工较为复杂，对节点设计和施工的要求较高，对结构设计的要求较高，在选择设计师时，应更加注重经验。

（3）与钢筋混凝土相比，由于构件中既有钢筋又有型钢，结构钢筋密度大，预埋型钢多，模板设计困难，浇筑混凝土难度较大；

（4）钢筋冲孔难度大，工艺复杂，具体构件连接需要专业的焊接设备和施工人员；

(5)对于钢筋混凝土框架构件，由于内力差异较大，需进行截面优化，特别是节点位置优化以及构造和受力性能优化。

● 结构类型 钢混结构

钢-混凝土组合结构分为结构构件全部采用钢-混凝土的结构和部分构件采用钢-混凝土的结构，分别称为全钢和部分钢，后者更为常用。在实际应用中，由于钢筋分布形式的不同，又可分为实腹式和空腹式两大类。这两类结构类型适用于框架结构、框架-剪力墙结构、底部大空间剪力墙结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构等结构体系。在各类体系中构件应用的一般方式为：

（1）型钢混凝土纯框架或支撑框架结构；

（2）型钢混凝土框架（框架筒）——钢或钢筋混凝土剪力墙（核心筒）结构；

（3）地下室或底部几层为钢混凝土结构，上部为钢结构；

（4）地下室或底部几层为型钢混凝土结构，上部为钢筋混凝土结构；

（5）框架柱采用型钢混凝土结构，梁采用型钢或钢筋混凝土结构；

（6）普通剪力墙、简化剪力墙均采用钢筋混凝土剪力墙。

● 钢-混凝土结构在建筑工程中的应用——以纽约世贸中心交通枢纽为例

纽约世贸中心交通枢纽（图3）为独立构筑物，与南侧的光之楔广场位于同一轴线上。基地北、西、东三面分别被富尔顿街、格林威治街和教堂街包围，南侧为世贸中心三号楼。纽约世贸中心交通枢纽成为连接绿地、城市空间、公园、教堂广场和世贸中心纪念公园的关键节点。

图3 纽约世贸中心交通枢纽鸟瞰图

纽约世贸中心交通枢纽是在因“9·11”事件倒塌的世贸中心大楼旧址上重建的，连接纽约市11条地铁线路和纽约至新泽西的铁路，集换乘站、购物中心、步行街等多种功能于一体。该项目历时12年建设，于2016年正式竣工通车。不仅比预期晚了7年，而且耗资40亿美元（约合人民币288亿元），是原预算的两倍多。这座建筑也曾饱受争议，因为造型出众，被CNN评为2016年九大新地标之一。

纽约世贸中心交通枢纽是卡拉特拉瓦后期的设计，可以看作是融合了他的设计思想的作品。同时，特殊的地理位置也让这座建筑更具象征意义。在满足使用需求的同时，钢筋与玻璃交织的建筑地面部分非常具有雕塑感和张力，犹如一只展翅欲飞的和平鸽，象征着对和平的向往，也体现了卡拉特拉瓦一贯的设计手法。肋拱支撑的玻璃屋顶每年的9月11日都会开启，以纪念恐怖袭击事件的遇难者。两翼高达150ft. (45.72m)，自然光可以倾泻到位于街道水平面以下60ft. (18.29m)的轨道平台中。卡拉特拉瓦希望这座建筑能成为曼哈顿下城的希望灯塔。

▲ 以纽约世贸中心交通枢纽为例分析卡结构

（1）结构建模分析

翼状造型的灵感来自一幅画作，画中描绘的是一个小孩放飞小鸟。卡拉特拉瓦看到了曲线的动态之美，看到了自由的梦想，看到了小孩在放飞小鸟时寄予的希望。由于这座交通枢纽建在“911事件”后的重建区，白色纯洁的翅膀象征着白鸽，代表着希望与和平（图4）。

图4：纽约世贸中心交通枢纽的设计灵感

除了白色飞翼式造型，设计的另一大亮点是交通枢纽中间无柱，两侧独立的钢结构骨架支撑起整个巨大的高度和大跨度空间，两端的玻璃钢框架翼让自然光自由透过，营造出通透纯净的大尺度公共空间。室内从355ft. (108.20m)长的“眼睛”向外延伸，一缕纽约的天空映入眼帘。建筑采用白色钢管和玻璃，将自然光引入中心。建筑进深60ft. (18.29m)，连接外部街道和Path车站内部。建筑雕塑般的形态由钢结构肋条的模数重复构成，最终形成复杂的造型，肋条之间的玻璃可以引入自然光照亮整座建筑，成为希望和活力的象征。

纽约世贸中心交通枢纽整体采用钢混结构，钢材包裹在混凝土柱内，充分利用钢结构的强度优势和混凝土在增加刚度、耐火性、形状、纹理和曲线连续性方面的优势，整个建筑巧妙地将材料、结构和艺术结合在一起，达到了非凡的效果。

（2）结构材料分析

就此建筑的造型和规模而言，用单一的钢筋混凝土结构或钢结构很难达到目的。柱高超过60m，如果采用钢筋混凝土结构，截面会很大，不可能做得那么细长轻盈，造型也不会那么随意自由。如果采用钢结构，型钢截面小，刚度不足，容易变形，构件表面不光滑，纹理不可能那么柔和，防火结构也不容易实现。如果为了增加构件刚度而增加异型钢截面，造价就会增加很多。所以，采用钢混结构是一个非常巧妙的选择，充分利用了两种材料的优点。

同时，钢铁和混凝土也是卡拉特拉瓦长期以来非常喜爱使用的两种材料。“我对发展高科技混凝土的概念非常感兴趣。混凝土是一种逐渐被取代的材料，换句话说，它是一种不时髦的材料，但对我来说，它可能是最高贵的建筑材料，从某种意义上来说，它完全可以满足任何需求。根据我对未来的预测，我确信它与钢铁一起使用时，将成为21世纪的伟大材料。”卡拉特拉瓦认为，混凝土虽然不再是一种新材料，但对他个人来说，它仍然是一种高贵的材料，并相信如果混凝土和钢铁结合起来，将成为21世纪最具可制造性的材料。他很难接受用一种材料来掩盖和隐藏另一种材料的形式上的缺点。他更愿意用材料来直接表达力的传递，做力流传输的导体。

卡拉特拉瓦还善于利用钢材的特性，充分利用铰接方式，充分发挥钢结构中钢材之间灵活连接方式的优势，拼接出独特的建筑结构元素，在高大空间、大跨度的项目中营造出轻盈、细腻、飘逸的氛围。钢材非常适合体现卡拉特拉瓦建筑语言的三大特点：连续性、流动性、有机性。因此，在卡拉特拉瓦的建筑中，特别是在桥梁作品中，大量使用钢材，直接以钢材作为表达建筑形态的主要手段。以纽约世贸中心交通枢纽为例，该建筑采用装配式施工技术，总共只有610个构件，项目用钢量高达12500吨，平均每个构件的钢材重量高达20多吨，加上外层混凝土的重量，重达100多吨。 采用预制的优点是，60米以上的高构件不需要垂直焊接浇注，而是可以制成“平躺”状态，给焊接、浇注和表面处理带来很大便利。

混凝土与钢铁是纽约世贸中心交通枢纽最重要的两种材料。尽管建筑也使用大面积玻璃营造通透明亮的效果，但仅仅服务于混凝土和钢铁，利用玻璃的透明性凸显混凝土的厚重感。对于卡拉特拉瓦来说，玻璃是为了营造流动的空间形态，比起消除建筑内外的视觉障碍，更意味着营造通透的效果，巧妙而不僵硬地运用玻璃、钢铁与混凝土的组合。

（3）结构成分分析

室内大厅两端的大悬挑楼梯和观景台（图5）是这栋建筑的一大亮点，体现了钢混结构的优势。悬挑楼梯和观景台长达20多米，两端是游客观景拍照的地方。悬挑长，负弯矩大。卡拉特拉瓦充分利用了钢混的优势，用清晰的结构逻辑来设计造型，给人以很强的心理安全感。既不笨重，也不僵硬，看起来流畅、匀称、舒适。

图5 大型悬臂楼梯及观景平台

这栋建筑的主要构件是细长轻巧的变截面曲柱（图6），从外面看是一条折线，越来越细，达到了和平鸽展翅的效果。最长构件长达200ft.（超过60m）；从内部看，两边的柱子形成不封闭的人字形，脊线为透明天窗，别具韵味。柱子在地面以上部分为单悬挑，在地面以下部分，也就是交通枢纽的室内大厅，是两边的弧形框架，非常美观，框架底部与基础相连。在大多数其他建筑中，柱子是竖向荷载的主要承担者，但其形状几乎总是枯燥的矩形或圆柱形。即使有变化，也仅限于柱子截面形状的变化，不会改变人们潜意识中柱子的形状。 在卡拉特拉瓦的作品中，柱子一反其过往的呆板形态，成为活跃室内空间、完善建筑形态的重要部分。卡拉特拉瓦利用柱子的重复排列，形成富有节奏感的复杂结构空间，成为卡拉特拉瓦独特结构表达风格建筑中不可或缺的一部分。卡拉特拉瓦非常重视建筑结构构件的形态设计，他设计的柱子不仅承担了结构的竖向荷载，还增强了室内外的效果。

图6 变截面曲线柱

如此密集排列的变截面曲柱也体现了卡拉特拉瓦建筑结构设计的另一个特点——卡拉特拉瓦设计的结构往往具有装饰性，强调力的视觉表达。有时他会刻意夸大某些构件以满足视觉需求，或刻意增加构件的重复次数以形成令人满意的节奏感。换言之，卡拉特拉瓦对待结构的态度是：虽然建筑形式的本质是结构，但也可以牺牲结构的功能来满足建筑造型的需求，而这种结构表达的趋势越来越明显。他认为力的表达本质是“具有力感的形式”，而不是真实力的表达。换言之，这些排列的曲柱作为结构构件，并不是纯粹的结构，而是经过美学修饰的结构构件。它们是他通过连续、规范的结构构件阵列来形成完整连续的建筑空间的一种方式。

（四）总结与启示

通过纽约世贸中心交通枢纽的案例研究，我们可以更加清晰地认识到钢混结构的优势和潜力。混凝土造型的随机性和流动性，由于内嵌钢材的隐形支撑，可以更加自由、优美地表达出来。用混凝土包裹细长的钢结构构件，可以获得更好的刚度，避免变形，成本比增加钢结构构件的截面尺寸要小得多。这为建筑艺术造型的个性化、新颖性提供了坚实的支持，特别是在追求细长、轻盈的效果时，将使建筑设计更加得心应手。

纽约世贸中心交通枢纽展现了，或者说卡拉特拉瓦挖掘了钢筋混凝土的艺术张力，丰富了混凝土的艺术语言，拓展了混凝土的适用范围。现代主义建筑的美学与钢筋、混凝土、玻璃带来的创造性可能性密不可分。正是这些现代材料和结构赋予了现代建筑更多的可能性，让建筑摆脱重力的束缚，飞翔在空中。

发表于《钢结构进展与市场》2024年第1期

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