钢结构和混凝土，16 个角度看哪个更适合？

前言

在翻看《钢结构建筑装修构造图集[日]》一书时，看到了一张关于钢结构与钢筋混凝土结构的对比图，其中有些内容不但看起来有点疑惑，而且翻译的语句读起来也是有些生硬，所以打算聊聊这个话题。

表格中关于两者的对比角度还是非常全面的。其中所列的不同的角度有13个：平面设计、结构形式、柱子尺寸、梁高……装饰材料和变形限制等。本文增加了3个角度，循环利用、设计和工序流程。总共16个角度，下面逐一展开聊一聊。

1. 平面设计

以《日本建筑钢结构设计》中的一个例子为例，这是日本较为常见的情况：一栋三层钢结构办公楼，为了实现更灵活的建筑平面功能分割，采用了无柱的室内空间，即单榀钢框架结构体系。这种设计使梁跨度达到13.5米，采用H型实腹钢梁配合冷弯矩形钢管柱，实现起来相对容易。钢结构建筑因此能提供更开阔的空间和更自由的功能布局。

相比之下，混凝土结构难以实现这种跨度和净高的组合。

2. 常用的结构形式

这种对比需要考虑一个前提条件：常见的多高层建筑。日本的钢结构建筑通常采用纯框架，因此钢柱多为方钢管。美国的钢结构建筑则常见带支撑的框架结构，所以钢柱多采用H型钢。这些差异也与所使用的钢材种类有关。如果读者对此感兴趣，可以留言讨论，我们可以在后面再深入展开。

3. 柱子尺寸

钢材具有高强度和均匀的性能，因此可以使用更小的截面尺寸。以上述三层办公楼为例，钢柱的宽度仅为40cm。相比之下，若采用钢筋混凝土，柱子的宽度需要显著增加，至少达到65cm。

这种尺寸差异不仅影响建筑的使用面积，还会影响整体结构的重量和荷载分布。

4. 梁高

混凝土梁高跨比的最小值1/18是钢结构高跨比的最大值。在常规设计中，钢梁的高跨比通常取1/20。对于轻型屋面的钢梁，这个比值可以降低到1/30，但一般不小于1/40。

这种梁高差异不仅影响建筑的净高和空间利用，还会影响整体结构的刚度。钢结构由于其较小的梁高，可以更灵活地布置管线和设备，同时也能实现更大的跨度。然而，设计人员需要注意控制钢梁的挠度，以确保结构的使用阶段性能和舒适度。

5. 建筑物自重

从比例上来看，采用钢结构的建筑，自重通常会减轻40%以上。

一项针对50米高层办公楼的研究对比了不同结构体系，结果更加显著。该办公楼上部建筑面积为1.04万平方米，采用钢结构后，每平方米的结构自重减轻了56%，基础造价也随之减少了7.5%。

这种重量减轻不仅影响了建筑的整体荷载，还对结构设计和施工方法产生有利的影响。例如，较轻的自重可以减少地震作用下的惯性力。

6. 基础

尽管钢结构重量较轻，但如果混凝土结构也都是采用独立基础，那么成本减少的比例相对就较小，约为7%左右。

不过，如果由于重量减轻而能改变基础形式——比如，混凝土结构需要筏板基础，而钢结构可改用独立基础——那么成本减少的比例就会相当可观，估计可达15%左右。

7. 构件的可靠性

这个区别相当明显。虽然高质量的混凝土结构在精度上可能超过钢结构，但这种情况并不代表普遍水平。

通常，现场施工工人的技能水平参差不齐，工作环境较为恶劣，再加上普遍存在的赶工期的时间压力，使得施工质量难以与工厂预制构件相媲美。即便混凝土采用工厂预制，其成本相较于钢结构也不具有绝对优势。毕竟，钢材本质上就是预制成品。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. 耐久性

在一般室内非潮湿环境中，即使没有特殊保护，钢结构的锈蚀速度也非常缓慢（参见：室内钢结构防腐：底漆真的一定要涂吗？）。实际工程中，除了防锈处理外，还会添加装饰面层，因此钢结构无需频繁维护就能长期安全使用。不过，在日常使用和装修改造中，需要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开裂。一旦裂缝超过规范允许范围，钢筋失去混凝土的可靠保护，就容易发生锈蚀。

简而言之，钢结构的耐久性主要依赖于外部保护措施的设计，而混凝土结构的耐久性则取决于混凝土本身的设计。

9. 耐火性能

关于钢结构的防火内容，本公众号已有详细讨论，读者可参阅相关专题集。

混凝土结构的防火规范目前仍处于国家标准征求意见阶段。然而，广东省已发布了地方标准《建筑混凝土结构耐火设计技术规程》（DBJ/T15-82-2022）。该规程指出，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，若要达到3小时的耐火极限，在多面受火、轴压比（μ值）为0.5、柱宽65cm的情况下，受力钢筋的混凝土保护层厚度需不小于35mm。

10. 工期

一般而言，钢结构比钢筋混凝土结构能缩短工期。这主要是因为在施工基础时，钢结构可以在工厂同步加工，且现场无湿作业，不需要像混凝土那样耗时养护。

然而，在实际工程中，能否真正缩短总工期受多种因素影响：首先，钢结构的运输和吊装需要精确的计划和协调，以确保构件能够顺利到达施工现场并准确就位。其次，现场焊接和高强度螺栓连接等关键工序需要较高的技术水平和质量控制。最后，钢结构的防火、防腐处理也是影响工期的重要因素，需要在施工计划中充分考虑。

11. 梁穿孔

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