为全面掌握工业建筑钢结构技术的发展和实践历程，首先，从钢结构在工业建筑领域应用的起源开始回顾国内钢结构在工业建筑中的发展脉络，总结了门式刚架轻型钢结构、多高层钢结构在工业建筑中的应用概况；然后，着重梳理了钢结构在工业建筑应用中常见技术如材料性能、构件连接、防腐防火、设计理论、规范标准、构件制造的研究及发展现状；最后，针对工业建筑钢结构技术发展中尚存在的设计理论欠缺、标准化型材应用率不足、钢结构产业链效能偏低、国内标准与国际标准的差异等问题，提出了未来的研究和发展方向。

钢结构是以钢材作为构件主要材料的建筑结构形式。其具有强度高、塑形韧性好、自重轻、施工工期短等特点，在工业建筑领域的应用非常广泛。工业建筑钢结构技术的发展对社会进步产生了诸多积极影响，包括促进城市现代化进程、节约资源和保护环境、创造就业机会等。工业建筑钢结构技术的发展脉络大致可以划分为 4 个阶段，即 19 世纪末至 20 世纪初的探索阶段、20 世纪初至 50 年代的实践积累阶段、20 世纪 60—90 年代的广泛应用阶段，以及进入 21 世纪后的技术创新和可持续发展阶段。

现阶段，我国钢材年产量已经达到 13.6 亿 t，新型建筑工业化已成为建筑行业发展的主旋律，国家九部门 2020 年联合发布的《关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》 明确指出：要推动构件和部件标准化，大力发展钢结构建筑，并加大了政策扶持力度 ^[1] 。在这一背景下，钢结构在工业建筑领域的发展有了强有力的政策支撑，加之钢结构装配化程度高 ^[2] ，是适合工业化建造的最佳结构形式，与国家大力推广的装配式建筑理念相契合，这些都为钢结构在工业建筑领域的可持续发展注入了新的动力。

1. 1 钢结构在工业建筑领域的应用起源

19 世纪末期，建筑师费迪南德· 杜特尔特和工程师维克多·康塔明合作建造了巴黎世博会机械展廊（图 1），这是当时世界上最大跨度的建筑，当今工业建筑领域中的大多数钢排架厂房的形式皆参考于此 ^[3]  。1925 年，英国法拉第学会在伦敦召开了题为“炼钢过程中的物理化学”会议，标志着钢材的冶炼开始进入现代科学体系 ^[4] 。此后，钢结构和工业建筑交织在一起，开启了其独特的发展历程。

图 1 巴黎世博会机械展廊

1. 2 我国钢结构在工业建筑领域的应用

我国钢结构在工业建筑领域的应用起源可以追溯至 20 世纪初期，主要应用于机器厂、纺织厂等的建筑中。青岛四方机车修理厂（图 2）即为当时的典型实例。中华人民共和国成立之前，我国钢结构在工业建筑领域应用的发展速度十分缓慢。

图 2 青岛四方机车修理厂

中华人民共和国成立之后的 10 年间，我国钢结构在工业建筑领域的应用迅速发展，在冶金、机械、汽车、飞机、造船等行业中有了大量应用，如鞍山钢铁厂、第一重型机器厂、洛阳拖拉机厂、沈阳飞机制造厂和大连造船厂 ^[5] 。这期间，各有关部委都陆续成立了设计院，在北京和沈阳等地成立了 6 个工业设计院，在北京和重庆等地成立了 6 个专业性更强的钢铁设计院。这些工业院和专业院的设立，对我国工业建筑的发展起到了极大的促进作用。1961—1975 年间，我国工业建筑钢结构的发展进入了低潮期，但期间仍有不少典型的工业建筑钢结构出现，四川德阳第二重型机械厂即是最具代表性的项目之一。改革开放后，我国工业建筑钢结构逐渐进入崭新的发展阶段，在上海宝山钢铁厂、沈阳机床厂（图 3）、东方电气厂、宝鸡石油机械厂（图 4）、武汉重型机床厂有了大量的应用实例。随着钢结构技术理论研究的不断完善，钢结构逐步成为了现代工业建筑中最重要的结构类型。

图 3 沈阳机床厂

图 4 宝鸡石油机械厂

1. 2. 1 重型钢结构

在我国现代工业发展的历程中，重型钢结构在工业建筑中具有举足轻重的地位。此建筑类型一般具有跨度大、厂房高度大、承载能力要求高、吊车吨位重、结构体系复杂等特点。经过百年左右的工程实践及技术研究，工业建筑重型钢结构的设计理论及技术目前已较为完善，国内已完成了大批的代表性项目。例如，中冶京诚设计的宝钢宽厚板轧机项目，主 厂 房 建 筑 面 积 21 万 m ² ，最 大 吊 车 吨 位 400 t ^[6]  ；中机六院设计的一重大连石化容器制造基地项目（图 5），在国内首次采用五肢、六肢钢管混凝土柱，最大吊车吨位达到了 800 t。

图 5 一重大连石化容器制造基地

1. 2. 2 门式刚架轻型钢结构

门式刚架轻型钢结构在工业建筑中的应用起源于一百多年之前，由美国最先应用，主要用于建造营房和库房。20 世纪 60 年代，压型钢板和冷弯薄壁型钢的批量化使用，极大地推动了门式刚架轻型房屋钢结构的发展。

中华人民共和国成立后，我国对轻型门刚结构进行了系统性的研究试验，并在广东省进行了试点应用；60 年代，北京工业建筑设计院参考当时的国外资料，编制了可设置小吨位悬挂吊车的门刚图集；70 年代，国内钢材紧缺，轻型门刚结构的发展速度较为缓慢；80 年代之后，国外钢结构公司陆续进入国内市场，在经济发展较快的沿海地区工程建设中大量采用轻型门刚建筑，大幅度提高了工程建设效率；1994 年，建设部结合国内经济建设的实际需要，将轻型门刚作为快速房屋体系课题列入新产品新技术开发项目，并在实际工程中设置了试点。近年来，轻型门刚的应用日益普遍，针对连接节点、墙面屋面优化、抗风抗雪的研究日趋深入，国内轻型门刚结构目前已经进入了快速发展的时期。

1. 2. 3 多高层钢结构

随着城市规模的发展，我国土地资源日趋紧张，多高层钢结构越来越多地被用于实际工业建筑工程中，应用案例不胜枚举，如郑煤机智控项目（图 6）、宁德时代蕉城项目、昆山飞扬项目、羊山同华冷链项目等。作为“ 工业上楼” 的一种产业空间模式，多高层钢结构特别适合中小创新型企业，能在很大程度上摆脱单独建厂成本高昂、配套有限，以及建设周期长的困扰。

图 6 郑煤机智控项目

多高层钢结构在工业建筑中应用能大幅提高空间利用率，但也受制于振动、承重、防火及经济性要求，在今后的设计和建造过程中，需要加强这些方面的研究，以确保建筑物的安全、经济和适用。

2. 1 钢结构材料性能

1997 年以来，我国的钢产量连续 20 多年居世界第一，长期持续的高增长创造了钢铁史上的奇迹，而且产量的增长伴随生产工艺水平的持续提高，也有力地促进了工业建筑钢结构体系和建筑质量的发展。

工业建筑钢结构中常用的钢材种类有碳素结构钢（碳素钢）和低合金高强度结构钢两种。20 世纪 90 年代以前是以碳素钢为主的 ^[7] ，比较有代表性的为 Q235 钢；之后，以 Q345 为代表的低合金高强度钢逐渐代替了 Q235 钢。目前，国产钢材已经从早期的单一钢种和牌号（即碳素结构钢），发展到了常用的 Q355、Q390、Q420、Q460 等低合金高强度结构钢，已有 5 大钢种、31 种钢材品种可供工业建筑选用，且均已制定相应的国家或行业标准，达到了同类产品的国际先进水平 ^[8] 。

2. 2 钢结构构件连接技术

钢结构的构件连接方式主要有铆钉连接、焊缝连接和螺栓连接。铆钉连接方式的韧性、塑性和动力工作性能好，但构造复杂且制孔和打铆费工费料，现阶段已经很少采用。焊缝连接方式构造简单、不削弱截面、效率高、连接的密闭性好，但存在焊接残余应力、残余变形使构件承载力降低，以及低温冷脆较为突出的问题。螺栓连接方式又有普通螺栓连接和高强螺栓连接之别，其中摩擦型高强螺栓兼有普通螺栓和铆钉的优点，已成为替代铆钉连接的常用连接方式，尤其适用于需要承受动力荷载的结构。

铆钉连接方式出现较早，远在利用铸铁时期就是主要的连接方式 ^[9] 。19 世纪末期，钢结构兴起伊始，梁、柱构件也常借助角钢再通过铆钉进行连接。随着机械制造业的发展，螺栓的螺纹结构、材料和制造工艺等逐步得到了系统性研究，自 20 世纪初期，有关螺栓的标准和规范如 ISO 标准、美国 ANSI 标准开始得到采用，使得螺栓的设计、尺寸和性能具有了很强的一致性，并被广泛应用于钢结构构件的连接中 ^[10-11] 。国际上有关高强螺栓的研究始于 19 世纪中期，国内于 1957 年开始研究高强螺栓，并在 20世纪 60 年代初相继制造出了 8.8 S 和 10.9 S 高强螺栓 ^[12] 。几乎在高强螺栓出现的同一时期，焊接开始广泛应用于钢结构构件的连接，此后翼缘和腹板采用焊接、节点板之间采用栓接的混合连接成为了标准的连接形式。

2. 3 钢结构防腐防火技术

钢结构的腐蚀是一个电化学过程，其腐蚀类型包括大气腐蚀、局部腐蚀和应力腐蚀 ^[13] 。钢结构的防腐措施有多种，如提高基材的耐腐蚀性能、外涂防腐涂料、外镀锌等。耐候钢的应用起源于美国，是通过提高基材耐腐蚀性能来达到防腐的目的。国内目前性能较好的耐候钢有：宝钢公司生产的 Q355GNHD 耐候钢，武钢公司生产的 09Cu-P -TiRE、SPA-H 耐候钢，珠钢公司生产的 Ti 微合金化高强耐候钢 ^[14] 。用于钢结构的防腐涂料主要有富锌涂料、带锈涂料、纳米涂料、含氟涂料和聚脲弹性体涂料等；涂料涂装是较经济的防腐蚀手段，但防腐蚀涂料通常对涂装前的钢材表面质量有较高的要求 ^[15] 。外镀锌技术包括热镀锌、机械镀锌和电镀锌等工艺。外镀锌技术发展较早，法国人索里尔早在 1837 年就将热镀锌工艺应用在了工业生产中 ^[16] 。我国在  20世纪 50 年代和 70 年代先后从苏联和德国分别引进了一条热镀锌生产线。21 世纪以后，我国的热镀锌技术发展水平已经逐渐赶上了发达国家。

涂刷防火涂料是提高钢结构耐火性能的重要方法。防火涂料按涂层厚度可以分厚涂型、薄涂型和超薄涂型。涂刷防火涂料时一般采用喷涂的方式。厚涂型涂料一般为无机物，耐火极限一般较高，但涂层外观不平整，会影响钢结构的美观，现常用于耐火极限要求 1.5 h 以上的钢结构。薄涂型涂料通常是以合适的水性乳胶聚合物为基料，辅以阻燃剂和添加剂等构成，常用于耐火极限低于 2 h 的钢结构，其装饰性能要优于厚涂型。超薄涂型涂料与薄涂型涂料基本相同，主要用于对装饰效果要求非常高的建筑物。这种防火涂料在德国的应用较早 ^[17] ，国内的相关研究虽然比国外晚了约 20 年，但研究进展较快，如由北京航空材料研究院研制的 GJ-3 涂料经改进后，目前的性能已非常优良。

2. 4 钢结构设计理论与标准

钢结构的设计理论先后经历了三个阶段，分别为:仅考虑材料弹性，采用容许应力法的古典理论设计阶段；考虑材料塑性的极限强度理论设计阶段；基于概率论和数理统计分析的极限状态可靠度理论设计阶段。胡克定律是弹性力学理论的基本定律，容许应力法以弹性理论为基础，要求计算应力不大于材料的容许应力 ^[18] 。随着工程技术的发展，研究人员逐步认识到古典理论的局限性，开始了致力于极限强度理论的研究。1913 年，Mises 等提出的塑性理论成为了极限强度理论的重要基础 ^[19] 。20 世纪中期，数值模拟方法的出现为极限强度理论的研究和应用提供了新的途径，利用有限元分析方法可以更加准确地模拟结构在复杂荷载下的力学行为，从而指导工程实践的设计工作。极限强度理论虽然在理论层次方面非常完善，但未考虑材料和结构在实际环境中的不确定性和变化。概率设计法的研究在 20 世纪 60 年代末期有了重大突破，产生了以概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法 ^[20-21] 。其核心思想是将结构在极限状态下的性能与正常使用状态下的性能相对比，以确保结构在给定的可靠度水平下不会失效。近年来，随着计算机技术和数值计算方法的发展，极限状态可靠度理论逐步在工程设计中得到了广泛应用，在此基础上，结构动力抗震可 靠 度 理 论 目 前 已 成 为 工 程 领 域 重 要 的 研 究方向 ^[22] 。

我国钢结构设计规范的发展始于中华人民共和国成立之后。1954 年最早开始编制的规结-4-54《钢结构设计规范试行草案》 参照了 1946 年苏联的设计规范。70 年代初，在国家的支持下，国内众多设计科研单位、高校多方协力，编著了新的 TJ 17—74《钢结构设计规范》，填补了我国钢结构设计规范的空白 ^[23-24] ；后又根据多年的工程经验和研究成果，陆续修订和颁布了 GBJ 17—88、 GB 50017—2003 和 GB 50017—2017 等不同版本的钢结构设计规范和标准。1987 年，国家计划委员会发布了 GBJ 18—87《冷弯薄壁型钢结构技术规范》，为轻钢建筑市场提供了标准依据；2002 年又颁布了修订后的 GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》。1998 年，中国工程建设标准化协会发布了 CECS 102：98《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》，后来在 2002 年和 2012 年又进行了两次改进，直至现行的 GB 51022—2015 版本。经过多年的科学研究和实践经验总结，我国目前已经建立了一套较为完善的钢结构相关规范和标准体系。

2. 5 钢结构制造技术

20 世纪的 50—70 年代，国内工业建筑钢结构处于较漫长的起步阶段，制造技术水平有限，钢结构的制造效率较低；80 年代以后，随着技术的进步和市场需求的增加，钢结构的制造和施工等技术得到了发展；进入 90 年代，在数字化技术的推动下，钢结构制造技术逐渐走向成熟，数控切割、钻孔和焊接设备的使用显著提升了生产效率和产品质量，在大型工程项目中，数控加工技术为大规模生产实施提供了可靠保障 ^[25] 。

激光切割技术作为一种高精度切割方法，于 20世纪末在我国得到了快速发展，近年来被广泛应用于工业建筑钢结构的制造中。通过激光切割设备，钢材能够被精确地切割成各种形状，满足了复杂构件和精细细节的加工需求。同时，自动焊接技术的应用也为钢结构的制造提供了便利。采用焊接机器人，可以实现对构件的高效焊接，提高生产效率和焊缝质量，使得钢结构制造技术更加可靠与高效。

目前来看，工业建筑钢结构技术领域还有许多问题需要进一步深入研究和解决，包括结构设计理论不完善、标准化型材的应用率不足、钢结构产业链效能偏低、我国标准与国际标准的一致性问题等方面。在结构设计理论方面，虽然我国已经拥有了相对完善的计算理论和规范标准，但仍有部分问题尚未解决，如结构体系的可靠度、疲劳计算的极限状态、板间屈曲后的强度、钢材的断裂理论等。这些问题还需要进行更深入的研究。在标准化型材的应用方面，需要进一步提高热轧型钢、冷弯型钢和钢管型材的应用率，以促进工业建筑设计和制造的标准化与通用化。在钢结构产业链效能方面，全产业链的协同仍存在不足，结构体系研发、新材料应用、设计标准完善、制造运输安装等环节的衔接不够紧密，导致了高性能钢材和轧制型材应用率偏低、加工制作焊接的工作量较大、质量水平较低等系列问题。在我国标准与国际标准的一致性方面，随着我国与其他国家工程建设合作的不断扩大，必须进一步完善我国的钢结构技术标准，提高中国标准在国际上的认可度和接受度，才能在不断增强的国际工程合作中取得理想的成效。

整体来说，目前我国工业建筑钢结构的诸多技术已经非常成熟，通过技术引领和科技创新，钢结构在整个工业建筑产业链中的份额得到了不断提升。工业建筑钢结构具有抗震性能好、材料可回收、装配化程度高等优势，在国家大力倡导建筑业绿色低碳发展的背景下，进一步加大钢结构在工业建筑中的应用和技术研发，具有重要的生态、 经济和社会意义。

来源：顾晓山. 工业建筑钢结构技术的发展与实践[J]. 钢结构(中英文), 2024, 39(11): 40-45.

DOI: 10.13206/j.gjgS24101228.