日本钢结构建筑介绍及对我国的启示

日本钢结构建筑介绍及对我国的启示

一、日本钢结构建筑的比例分析

日本森林覆盖率高，日本民族自古就有喜爱木建筑的传统。日本总务省每5年对全国的住宅情况进行统计，根据最新统计结果显示，从建筑构造方面来统计，2013年木造结构为3011万户，占整体住宅57.8%；独户住宅达到2860万户，占整体住宅的54.9%。2014年住宅木结构统计中，可以计算出平均每栋住宅的面积为121平方米左右，基本属于独户住宅的范畴。日本人之所以喜欢木结构独户式住宅，除传统习惯外，木结构房屋使用寿命长、建设周期短、节能、生态、环保、抗震等特点也是其受青睐的重要原因。

但为什么会认为日本是钢建筑先进国家呢？在日本大中城市中，鳞次栉比的摩天大厦是另一道风景线，这些建筑以钢结构为主。钢结构建筑是一个复杂的技术、设备、部品、材料有机结合体的集成产品，是建筑产业化的发展方向和必然产物。由于日本特殊的地质条件，日本建筑钢结构及相关钢材的研发与生产一直处于世界领先水平。

根据日本总务省统计，2013年日本非木造为2199万户，占比为42.2%，其中钢筋混凝土与钢结构为1766万户，占比为33.9%。现代日本住宅，从结构上讲，木结构的占多数，但钢筋混凝土结构及钢结构等住宅占到非木结构的80.3%。

图一不同建筑结构施工面积

为了分析包括住宅在内所有建筑物钢筋混凝土与钢结构所占比例，引用日本国土交通省的统计数字， 2013年日本新施工房屋总面积为14845.6万平方米，其中，钢结构(S)为5234.3万平方米，约占35.3%，钢筋混凝土结构（RC）为2967.5万平方米，约占20％：钢管混凝土结构(SRC)为346.5万平方米，约占2.3％：从图一可以分析得出1970后钢结构始终高于钢筋混凝土面积比例的结论。

表1 日本2014年施工的不同用途及结构建筑物统计数量（面积）

如表1所示，2014年的统计中，2014年钢结构建筑为12.8万栋，占总数的21.7%，面积4922万平方米，占总面积的36.7%。根据2013

年与2014年的统计，日本的钢结构建筑每年开工的面积基本保持在35%左右的水平。

根据表1的数据，住宅中木结构的比例很高，但我们把住宅与非住宅分别观察的话，就会发现在非住宅的建筑中钢结构建筑为5.49

万栋，占到了58.8%，钢结构面积也接近70%。特别是在像东京、大阪这样的大城市，人口稠密，土地资源有限，用于商业的非住宅建筑多以高层或超高层为主，为达到更好的抗震效果，降低建筑成本，钢结构是唯一的选择。

在地震频发的日本，钢结构因其优良的抗震性能得到了广泛的应用。建筑标准规范随着重大地震的发生不断调整完善，设计方法也随之改进。结构用钢材、连接方法和结构类型都在不断地发展创新。

1995年，日本阪神大地震后，日本政府提出了“零死亡”计划，抗震性能卓越的钢结构、轻质材料等各种最先进的防震手段被广泛应用，所有老式建筑全部采用不同形状的钢结构框架进行加固。2011

年3月11日，日本遭遇人类观测史上最高级别的9级地震，同时还伴有特大海啸的袭击。事实证明，大量的房屋毁坏和人员伤亡是来自更具破坏力的海啸，而非房屋倒塌，这与日本的钢结构建筑占有率较高和日本重视建筑防灾、抗灾、对生命呵护的安全设计有直接关系。

二、日本推进钢结构建筑产业化的历程

日本钢结构建筑的历史有100年左右。日本第一座应用钢结构的建筑是1894年建于东京的集英出版社厂房。设计和建造钢结构建筑的基本技术在1910年前后开始成型。1926年，热轧钢制品标准出台：1932

年《城区建筑法实施细则》被修订，正式批准焊接结构在建筑中的应用。同年，结合使用了铆接和焊接的住友大厦在东京丸之内区建成。

1941年，日本建筑学会颁布设计规范——《钢结构计算标准》，总体设计理论也更加系统化。然而，此时的日本正处于第二次世界大战的硝烟之中，建筑行业近乎停滞。1945年战争结束后，当时的日本百废待兴，经济萧条，为尽快实现经济复苏，按照抗震、快省的要求展开战后重建工作，推行建筑的工业化生产和建设。1950年，日本颁布了《建筑基准法》，以法律的形式明确了建筑的抗震设计标准和材料检验、工程验收标准等，为建筑产业化的实施提供法律保障。

按照日本对建筑结构的统计口径：建筑分为木结构、钢筋混凝土结构(RC)、钢管混凝土结构(SRC)和钢结构(S)等，对建筑的结构形式的选择，政府在《建设基准法》中，只对抗震标准和建筑材料上提出强制性的要求，具体选择什么结构由开发商自行决定。但无论选择那种结构类型的建筑，都必须经过设计标准审查，使用经过专业机构认证的建筑材料，由具有相应资质的专业施工队伍进行施工。钢结构的建筑在1965年后快速增加，1987年钢结构在所有的结构形式中占据了最大的份额，钢结构在日本得到了相当广泛的应用。

日本钢结构建筑的发展有其特定历史条件和环境。1950年后《建筑标准法》中一些法令和规范的修订、设计方法的改变以及地震的发生情况。每次大地震发生后，规范也相应地被修订。

建筑物高度(31米以下)的限制在1965年被废除，结构设计方法也因此需要相应的调整。除了允许应力法或静态弹性设计法这样的主流

设计方法，一种更为先进的结合了塑性设计法和动力特性分析的设计方法被采用，从此广泛应用于高层和超高层建筑的设计中，而这类建筑都采用的是钢结构。

1981年颁发《新耐震设计法》，采用了沿袭至今的两阶段设计法：第一阶段采用弹性设计法，假定地震等级为中级；第二阶段设定在建筑物使用期间可能发生大地震，根据建筑结构的水平极限强度采用弹塑性设计。这次修订之后，建筑物的抗震性能大大提高。

然而，1995年的阪神地震破坏程度之大，让即使建于1981年后的建筑也来能幸免地受到毁坏，尤其是钢构建筑粱柱的焊接处和柱基处。于是1998年《建筑标准法》被再次修订。规范中对梁柱的焊接处和柱基作了详细的更改，2001年、2007年两次修订《建筑基准法》，补充条款，提高建筑的抗震标准，这些标准已经广泛应用在当今的钢结构建筑中。

从政府层面看，尽管政府对建筑结构没有明确的政策差异，但对建筑抗震性能却有非常明确的法律条款和强制性规范，对一些地震活跃地区住宅和学校、医院等公共设施实行强制性抗震标准，要求学校、医院建筑做到震时的“避难所”。

从行业组织的作用看，协助政府解决技术和标准的衔接，组织设计机构、院校专家对建筑设计的标准、技术、规范的编制和检验、产品认证的责任体系。对一些新型建筑材料通常由专业协会组织评审检验后，再由政府签发通用许可。对建筑用钢材料的质量实行可追溯制度，每批材料的标准审定和批准文号都存档备案，对生产企业实现全

过程的监管和检验，保证合乎标准的材料才能运用到建筑中去。

日本建筑企业极为重视新技术新材料的研发工作，企业建有自己的建筑技术研究所，研发具有自主知识产权的技术和材料、改进施工工艺。在建筑抗震技术上，强调持续不断改进。每次大地震发生后，企业都会派出技术专家深入灾区，根据建筑受损程度和受损点情况，专题进行研究和提出新的技术解决方案，改进结构体系或材料属性，重视对造成伤害案例的研究，技术研发成果得到国家政府和全社会的高度重视，并进行推广和运用。这一点值得我国建筑企业很好的学习和借鉴。

三、日本钢结构建筑现状

日本非住宅用建筑多以高层建筑和公共设施为主，出于结构安全和节能的考虑，选择钢结构的比例较高，钢结构具有安装容易、施工周期短、自重轻、抗震性能好及环境污染少、可回收利用的综合优势，从有利于资源保护和可持续发展的要求出发，日本社会对发展钢结构建筑表现出战略眼光。在规划设计住宅项目时，把采用钢结构建筑体系作为考虑方案。在学校、医院和文化场馆则优先选择钢结构体系。

超高层建筑多用做商业设施，基本使用超高层柔性钢结构，施工方法采用框剪结构，利用免震或减震等特殊装置，达到更好的抗震效果。为了减少高层建筑物的摆动，会在建筑内安装阻尼器。

图二2012年与2013年建筑用钢比例

根据图二，可以看出日本近几年钢铁年生产规模比较稳定，每年产量为7300万吨至7400万吨左右，日本生产的钢有35%左右用于出口，65%左右用于国内的各种生产建设，其中建筑用钢约占国内用钢的45%左右，占钢总产量的29%，约为1500万吨左右。一般低层的钢结构住宅柱子，大多采用冷弯加工成型的钢管，所以在日本，HOT（热轧钢卷=冷弯型钢）的使用量不断增加；高层建筑中，焊接箱柱及焊接H

型钢梁的使用量较大，因此，厚板的需求量在不断增多；而低层的钢

结构建筑，则普遍采用H型钢。

图三钢结构建筑规模与施工面积构成比

根据图三，可以看到日本从2008年至2012年不同规模建筑施工比例情况，2008年钢结构的施工面积为5664万平方米，由于金融危机的影响2009年出现较大滑坡，2012年恢复到4626万平方米的水平，每座建筑的平均建筑面积为345平方米，用钢量为35吨左右。

日本建筑商在规划设计钢结构建筑时，充分考虑产业化生产条件，尽可能采用标准化、通用化的材料和配套产品。在日本建筑企业的技术研究所，研究的重点方向之一就是建筑构件的生产工艺和材料、部件的工厂化生产条件，集约化管理、标准化施工。通过技术手段运用，新材料、新技术的研究开发，达到科学控制资源、材料合理使用的目的。由于钢结构建筑用钢材料都是在钢厂预制，能够实现严格的质量检验，严格的工艺流程控制对工程质量得到确实的保证；而现场装配化施工管理模式，工地占地面积小、机械化作业程度高，有利于提高工效、加快工程进度，减少环境损害。

四、日本建筑钢材的性能要求

日本对钢结构建筑的抗震性能特别强调，在耐震设计法中，希望通过塑料变形，吸收地震产生的能量。作为倒塌类型，为了实现理想的倒塌形状，要求梁材所用钢材的屈服强度具有一定的稳定性。为确保钢材的塑料变形能力，要求保证具有较小的屈服比。提高钢结构构件的强度，对钢材的磷、硫等杂质需严格控制，保证其较高的韧性。对梁的垂直方向承受力较大的钢结构构件，必须保证钢板的性能。焊接的钢结构件，确保其塑料变形，要求杂质少，吸收（夏氏）冲击能量大，有较高的韧性。钢结构建筑除抗震性外，还有防火、耐腐蚀等多种要求，所以在日本，耐火钢、耐候钢、低屈服点钢、高强度钢等新钢种不断被开发和利用。日本在钢结构建筑用钢的品种开发、系列化及标准化方面一直处于世界领先水平，其耐候、耐火、抗震及减震等建筑用钢的发展取得了举世瞩目的成就，如开发了低屈强比的SN

系列钢材，具有良好焊接性的TMCP系列钢材，超低屈服点软钢系列及轻型H型钢等钢材。

SN系列是用于建筑结构的抗震用钢材。为保证利用钢材塑性对地震能量进行稳定的吸收，1994年将SN钢作为标准化钢种。标准中要求SN钢的屈强比不大于0．80，屈服强度波动范围控制在120MPa以内，断面收缩率不小于25％并具有良好的可焊性，其优点是：能确保塑料变形能力；确保焊接性；确保板厚方向性能；确保公称截面尺寸；可根据不同部位选用不同钢种，其性能和钢种区分：屈服点的上限，屈服比的上限，厚度方向拉深值的下限值，（夏氏）冲击值下限值，碳当量（Ceq）焊接裂缝灵敏度组成（Pcm）的上限值的制定，严格规定

负公差精度。目前，SN钢在大型建筑中的应用不断增加，发展前景看好。

采用TMCP工艺制造的钢。通常的JIS标准钢板，当厚度超过40mm 时，会影响其屈服强度，但运用TMCP钢（热加工控制工艺轧制），不增加Ceq就能使钢材（厚板、H型钢）具有良好的焊接性。在日本，这种钢材已被广泛应用于高层建筑，其中400×400mm，500×500mm的超厚H型钢作为柱子，在高层建筑的应用已相当普遍。

超低屈服点钢一般使用于比柱、梁等构件屈服点低的减震构件。当地震发生时，首先使其屈服，靠反复荷载滞后，吸收地震产生的能量，与利用其粘性体等的其它减震材料相比，具有成本低、可靠性强和耐久性等优点，因而在日本已广泛推广应用。

在日本中高层住宅会采用钢结构，轻型H型钢几乎都用于钢结构

工业化住宅，轻型H型钢比轧制的H型钢精度高，最适合于建筑工业化住宅。

在钢结构建筑中，存在两大问题：钢的腐蚀和火灾时钢构件的软化。耐火钢的概念在上世纪八十年代由日本开始提出，现在欧美、日本、韩国和澳大利亚等发达国家相继开展了耐火钢的研究和生产。耐火耐候钢在日本建筑行业的需求量呈快速增长的势头。

为了提高钢结构建筑物的耐火性能，用隔热材料覆盖钢结构构件，使之在发生火灾时，控制钢结构的温度上升，延缓房屋倒塌，争取扑救时间，减少火灾损失。这种隔热材料称为耐火被覆材料。

日本《建筑基准法》第2条第7号规定了各种耐火结构的标准。日

本国土交通省规定了钢结构耐火被覆材料的规格。一批试验合格的耐火被覆材料和行之有效的施工方法，取得了国土交通省的认证，现行的被覆材料及施工方法基本可归纳为两类：一是工厂里批量生产的型材，如耐火簿板等，普遍应用的是硅酸钙板。施工方法有镶嵌工法和卷绕工法两种。其特点是：质量容易控制，目测即可，不需涂防锈漆，可以回收循环利用，有利于环保。二是现场施工材料。施工方法有喷敷工法和涂刷工法两种。其特点是：适于各种形状的构件，但涂层厚度等质量不易控制，尤其是涂刷工艺，耐火时间不超过3 h，且每5

年要定期检查一次。

在日本经济高度增长期之后，超高层、大跨度建筑的需求不断增加。这种需求推动了建筑结构用高强度钢的开发和应用。例如强度大于普通建筑钢(490N／mm2级)的590N／mm2级高强度钢特厚壁圆形钢管已用作地标塔的立柱，780N／mm2级低屈强比钢箱形立柱已用于小仓火车站大楼。

五、钢结构建筑优势

日本超高层建筑基本上是采用钢结构。钢结构与钢混凝土结构相比，具有强度高、自重轻、施工速度快、地基费用省、占地面积小、工业化程度高、外形美观等一系列优点，有着更好的抗震、防腐、耐久、环保和节能效果；钢结构建筑可减小构件断面，增加柱间跨度，能将使用面积增加5-8%，并得到较高的层高空间，具有良好的空间感，可设计成大量开放型办公室围绕着空中花园、中央天井加上合理的电梯设计可达到最低的能源消耗。

钢结构建筑可实现构架的轻量化和构件大型化，运送简便，加工性能优异，质量稳定，便于实现系统化，提高生产率，降低基础成本；吊装施工较为简便，比混凝土施工所需的现场劳动量小，不需要钢混凝土结构的养护期，可提高施工效率。一般房屋的龙骨现场装配包括所有的精装修和设备安装，整个建造过程大约只需要3个月时间。如果工厂预制程度更高，就只需1个半月左右的时间。因此钢结构与混凝土结构相比是环保型、节能型、可再次利用、易于产业化的建筑结构。

六、对我国推进钢结构住宅产业化的启示

我国2015年上半年大型钢铁企业发生大面积亏损，净利润急剧减少，我国的钢产量已达10亿吨，严重供过于求的状况已迫使钢铁企业另辟蹊径，引进成熟的钢结构住宅建筑体系，有可能打通房地产业、建筑业、冶金业之间的行业界线，集合成为一个新的产业体系，随着越来越多的建筑由传统结构向钢结构转变，为建筑业和钢铁业找到新的出路。

应该鼓励钢结构建筑的技术创新。我国的建筑企业应学习日本建筑公司建立技术研发体系的经验，加大技术投入，形成自己的技术创新能力。日本的建筑技术和材料研制，多为企业的技术研究所承担，投入了大量的人力物力。像大和、鹿岛、清水等企业都成立有自己相当规模的建筑技术研究。

推进钢结构建筑产业化，市场的价值和用户的取向是最终的选择，只有通过企业和科研机构的产业联盟，形成具有我国特色的技术创新

体系，解决钢结构建筑的缺陷和难题，研制具有独创性的技术成果，体现了科技节能、科技创造生活新追求，才能真正加快钢结构建筑的产业化进程。

政府在钢结构建筑产业化的作用。推广新的节能绿色建筑体系，改变传统的建筑生产方式，政府的政策导向和法制的配套完善尤其重要。必须站在国家整体利益的高度，对落后的、粗放的现场化施工方式进行必要的变革。因此，建议政府相关部门出台相应的法规，强制淘汰落后的生产工艺，强制提高地震活跃地区建筑抗震等级标准。引导建筑业转变传统的施工生产方式，逐步走建筑工业化的发展道路，是政府主管部门的责任，也是行业发展的历史责任。实现建筑产品的工业化生产，可以从根本上有效解决现实体制下的弊端。通过提高钢结构建筑产品的品质和舒适性，改变人们对钢结构建筑的片面认识，提高社会和市场的认知度，加快我国的钢结构住宅产业化进程。

钢铁是工业的血液，钢结构是国家的战略性资源。虽然当下中国钢铁严重过剩，但是从长远看还是短缺。我国的优质铁矿石资源相对匮乏，铁矿石主要依赖进口。从未来国家储蓄发展的角度考虑，藏钢于建筑，藏钢于民，应该是很好的途径。