钢结构发展史梳理，中国从追赶到引领的跨越式发展路径

摘要

钢结构的发展历程，从本质上来说，是冶金技术发生革新，而其中结构力学理论取得突破，建造工艺也随之迭代，工程需求得以升级，恰恰这四者协同演变，共同构成了学术与工程发展的历史，这更是人类突破天然材料力学极限，从而实现大跨度建造，达成超高层建造，推动工业化进程以及走向绿色化建造的核心技术路径。它依托技术范式跃迁当做核心主线条，全面且系统地去梳理钢结构，从铁结构萌生开端说起，包含现代体系建起基础，历经理论与规范进到成熟形态，再去往进行多元化拓展，直至深入低碳智能化转型的这贯穿始终的全过程，清晰地界分各个阶段里的中心技术实现突破之处，明确学术上达成的标志性重要节点，找出工程领域树立的可当作典范支撑的标杆，以及挖掘其潜藏的底层推动运行的内在逻辑，同一时间把在关键之处详尽阐述中国钢结构，从起初的只能追赶前行方式，一路发展到能够实现引领跨越的前进路线轨迹，以及所做出的学术方面的贡献表达描述出来。

其一，处于前钢结构的时代，存在着锻铁结构的技术萌芽，还有铸铁结构在技术方面开始出现，并且为相关范式奠定基础，时间跨度是自18世纪之前直至1850年。

铁结构是钢结构的技术源头，人类首次掌握了可标准化生产、力学性能可控的金属结构材料，这是其核心突破，借此摆脱了木材、石材等天然材料在力学与尺寸方面的限制，基于材料力学性能的差异化应用是这一阶段的核心特征，由此形成了钢结构工程逻辑的雏形。

1.1 早期铁结构的探索与力学认知

人类对于铁结构的运用能够追究到公元前2世纪，在那时，中国和欧洲都已然形成了独自分开的技术线路：

中国古代有着以锻铁索桥作为核心成就，公元前206年存在汉中樊河桥，它是世界最早铁链桥的记载，公元1706年泸定桥建成，其主跨达100米，采用9根直径9厘米的锻铁铁链，且单链重1.6吨，充分利用了锻铁具有的优异抗拉性能，代表着古代铁索桥技术的巅峰。

以欧洲早期而言，铸铁结构处于核心地位，1779年的时候，英国科尔布鲁克代尔铁桥完工，主跨长度为30.6米，采用的是全铸铁拱结构，它是世界上第一座大型金属桥梁，此桥核心工程逻辑在于借助铸铁具备的优异抗压性能，运用拱形的结构把荷载转变为压应力，以此来避开铸铁脆性以及抗拉强度低这种固有的缺陷，为后续金属结构的设计奠定了力学选型方面的基本原则。

1.2 工业革命驱动的铁结构体系化突破

英国工业革命发生于18世纪末，它为铁结构的规模化应用，提供了核心驱动力。

- 需求端：纺织厂，煤矿等工业建筑存在对防火、大跨度、重载的需求情况，彻底实现了对于木结构防火极限及石结构跨度限制的突破，铁框架结构由此成为工业建筑的主流选型设置。

在技术方面，水力以及蒸汽动力的轧钢机雏形得以呈现，使得铁型材的标准化轧制得以达成，进而为铁结构的模数化、预制化建造奠定了材料基础。

伦敦水晶宫于1851年建成，采用标准化锻铁梁柱框架以及玻璃围护体系，建筑面积达9.3万平方米，仅用9个月就完成了预制装配，其核心意义不光在于规模，还在于首次达成了对于金属结构的模数化设计、工厂预制、以及现场装配的全流程工业化建造，开创了现代建筑工业化的先行范例，是钢结构预制装配体系的起始源头。

1.3 核心理论铺垫

在1744年的时候，欧拉提出了轴心受压构件的临界力公式，就此为金属结构的稳定设计奠定下了核心理论基础 ；于1826年之际，纳维建立起了材料力学的基本体系，明确了材料拉、压、弯、剪的基本力学性能计算方法，从而为后续钢结构的理论发展提供了核心框架。

二、现代钢结构的诞生与体系奠基（1850年-1920年）

这一阶段，是钢结构于铁结构内完全脱离，进而形成独立技术体系的关键时候，其核心标志涵盖众多方面，包括大规模低成本炼钢技术实现突破，标准化型材展开工业化生产，还有现代框架结构体系得以建立，至此，钢结构正式成为和砌体、混凝土一齐处于并列位置的主流结构的形式。

2.1 冶金技术的革命性突破

炼钢技术得以成熟，这成为了现代钢结构诞生的至关重要的核心前提，钢的含碳量被控制在了0.02%至2.11%二者之间这个范围里 这样的情况得以兼顾住了锻铁这种材料所具有的那塑性以及铸铁所具备的那种强度进而其力学性能远远超越了传统的那铁材。

1855年，英国的贝塞麦发明了酸性转炉炼钢这种方法，第一次达成了大规模且低成本的液态钢制造，把炼钢所需的时间从数天缩短到了数十分钟，钢材成本降低幅度要在80%以上。

1865年，法国的马丁 - 西门子发明了平炉炼钢法，这种炼钢法解决了转炉炼钢对于磷含量的限制问题，它能够利用废钢进行冶炼，由此大幅提升了钢材的质量稳定性，并且提高了产量，进而为钢结构的规模化应用给予了充足的材料保障。

1870年，欧洲做到了工字钢的工业化轧制，工字钢的截面形式将截面惯性矩提升到了最大限度，它属于受弯构件的最优截面形式，把铁结构构件效率较低的问题完全处理好了，给现代钢结构提供了核心标准化构件。

2.2 结构体系的开创性突破

这一阶段有着核心工程成就，此成就在于彻彻底底摆脱了传统承重墙体系所设限制，进而建立起现代框架结构体系，达成了建筑高度与跨度的双重突破。

1885年，美国的芝加哥家庭保险公司大楼建成，它有10层，高度为55米，其结构运用了铸铁柱搭配锻铁梁，这个高楼为世界上第一栋采用框架承重体系的高层建筑，它的出现象征着现代高层建筑的诞生；1890年，芝加哥的Rand McNally大楼建成，此建筑是世界第一栋全钢结构的高层建筑，它完全达成了“承重结构与围护结构分离”这种现代建筑所具有的设计逻辑。

年，巴黎世博会机械馆建成，采用三铰拱钢结构，主跨米，创造当时世界最大跨度记录，首次实现钢结构大跨度空间的工业化建造，同期建成埃菲尔铁塔，高米，采用锻铁格构式结构，总用钢量吨，通过精准的风工程计算与稳定设计，验证金属结构在超高耸结构中的可行性，其结构分析方法成为现代钢结构稳定设计的重要雏形，这属于大跨度领域；1889，324，7300，115。

桥梁领域，1883年，美国布鲁克林大桥建成，其主跨为486米，采用的是锻铁悬索体系，此桥乃当时世界最长的悬索桥，验证了钢结构于大跨度桥梁里的核心优势。

2.3 工艺与规范的初步成型

连接工艺一开始是传统的螺栓连接，之后演变成以铆钉连接作为主流，相较早期螺栓，铆钉连接具有的可靠性以及刚度要好很多，它在整个阶段里成为了是这一层钢架构那种核心的以及至关重要和关键性起决定意义的相连的方式，给整个全钢结构的体系刚度提供保障了。

- 规范体系：在1900年前后的时候，欧美各个国家陆陆续续地出台了钢结构设计指南，这是首次把材料力学、稳定理论纳入到钢结构设计之中，由此形成了基于容许应力法的设计体系，结束了钢结构设计处于经验化特征的时代，标志着钢结构真正成为一门具有自主性的工程学科。

三、钢结构体系的成熟与理论完善（1920年-1970年）

这一阶段属于钢结构学科中的黄金发展时期，其核心特征在于结构理论体系得以全面完善，建造工艺实现了革命性迭代，规范体系完成了系统化建立，两次世界大战所产生的工程需求，进一步促使钢结构技术朝着标准化与工业化进程加速发展，如此一来，钢结构成为了重大工程的首选结构形式。

3.1 建造工艺的革命性迭代

两次世界大战之时，对于快速建造的需求，对于重载的需求，对于高可靠性的需求，推动了钢结构连接工艺的彻底变革。

以下是改写后的内容：1881年电弧焊被发明，之后历经数十年对技术进行优化，1930年代时长弧焊这项技术出现，1940年代气体保护焊技术达成工业化应用，焊接技术慢慢取代了铆钉连接，从而成了钢结构的核心连接方式。焊接技术能够达成构件的等强连接，其节点刚度大，施工效率高，并且具有强适应性，彻底把铆钉连接施工复杂以及刚度不足的问题给解决了，给复杂钢结构体系的发展给予了核心工艺支撑。二战时段之内，全焊接结构呈现出广泛被应用于自由轮建造的状况，把船舶建造周期从以月来计算缩短到了以周来计算，对焊接钢结构的工业化建造能力进行了验证。

- 高强度螺栓连接开始出现，是在1934年，当时摩擦型高强度螺栓连接技术得以问世，这种连接技术借助螺栓预拉力达成构件接触面的摩擦传力，其连接刚度、疲劳性能以及可靠性，远远胜过普通螺栓，施工效率比铆钉要高很多，从而成为现场安装的核心连接方式，进而形成了“工厂焊接 + 现场高强度螺栓连接”这样的现代钢结构主流建造模式。

3.2 结构理论体系的全面完善

这一阶段，属于钢结构核心理论的定型阶段，针对钢结构设计里的那些核心痛点予以了解决，籍此形成了这么一番情况，呈现出完整的理论体系：

稳定理论的完备情况如下，稳定问题为钢结构设计的关键要点，，钢结构的失效形式主要是失稳，并非强度损坏。在1930年间，铁木辛柯完备了压弯构件的弹塑性稳定理论，卡门提出了板件的局部稳定理论，进而解决了钢结构构件的整体稳定同局部稳定的计算难题；于1950年代之际，各国的学者又进一步完备了框架结构的整体稳定、空间结构的稳定计方法，构成了完整的钢结构稳定理论体系，成为钢结构设计规范的核心理论根基。

1940年美国埃尔森特罗地震之后，结构动力学理论渐渐于钢结构设计当中得到应用，这是抗震设计理论开始发展的契机；1960年智利地震以及1971年美国圣费尔南多地震过后，学界清晰地明确了钢结构的延性设计原则，还搭建起了节点抗震设计、耗能设计这种关键的方法，进而解决了钢结构在地震作用之下会出现的脆性破坏问题，最终形成了钢结构抗震设计的完整体系，抗震设计理论得以完善壮大。

诞生了组合结构体系，在1930年代的时候，J.Kahn这位美国学者获得了钢 - 混凝土组合梁专利权，借助剪力连接件达成钢材与混凝土协同工作，兼顾了钢材抗拉性能以及混凝土抗压性能，大幅提升了构件刚度与效率，在1950年代，钢管混凝土结构迅速地发展着，凭借钢管对核心混凝土的约束作用，达成了材料性能的最大化利用，广泛应用于重载柱以及桥梁结构。

一种设计方法实现升级版，它是自传统的那种容许应力法开始，一步步逐渐过渡到以概率理论为依据之设计法，这种设计法把结构的极限状态划分成承载能力极限状态以及正常使用极限状态，其充分考量了材料性能方面状况，还有荷载作用出现的变异性，它所具备的设计逻辑更加科学，并且更加安全，最终成为现代钢结构设计当中的核心方法。

3.3 规范体系的系统化与工程标杆

1936年，美国AISC发布了第一版的《钢结构设计规范》，此规范成为了世界钢结构规范方面的标杆，1950年代的时候，欧洲各个国家相继发布各自国家的钢结构规范，进而由此来形成一套较为完整的规范体系；1974年那时，中国发布了第一本《钢结构设计规范》TJ17 - 74，这标志着中国钢结构设计正式踏入了规范化以及体系化的时代。

工程标杆方面：1931年时，纽约帝国大厦建成，其高度为381米，采用的是全钢框架结构，总用钢量达6万吨，仅仅只用了1年零45天就建成了，创造出了超高层钢结构建造速度的记录；1937年，美国金门大桥建成，主跨长度为1280米，保持世界最长悬索桥记录长达27年；1974年，芝加哥西尔斯大厦建成，高度是442米，采用束筒钢结构体系，属于这一阶段超高层钢结构的巅峰之作；1960年，罗马奥运会场馆建成，1967年，蒙特利尔世博会场馆建成，推动了大跨度空间钢结构比如网架、网壳、悬索结构的快速发展。

四十、钢结构朝着多元化方向发展，以及中国进行追赶超越的相关情况（时间跨度为1970年至2010年）。

该阶段的关键特性为依托计算机技术所推动的数值分析变革，材料性能得以全面提升，结构体系展开多元化创新，与此同时中国钢结构达成了从追赶至并跑，再到部分处于领跑态势的跨越性发展，进而成为世界钢结构领域的头号大国。

4.1 国际钢结构的技术升级

数值分析技术迎来革命，具体如下：在1970年代往后，有限元方法得以普及，与此同时计算机技术快速发展，这二者彻底解决了复杂钢结构的力学分析难题，在此之前手算仅能解决简单构件与之规则结构的计算，然而有限元技术能够实现复杂空间结构、超高层结构以及复杂节点的精细化应力分析、稳定计算以及动力响应分析，进而为钢结构的多元化创新提供了核心技术支撑。

进行了材料性能的全面升级，其涵盖高强度低合金钢（HSLA）、耐火钢、耐候钢以及低温钢来开展工业化生产表现成果等，钢材强度从传统的235MPa实现提升为460MPa、也有为690MPa、甚至还存在更高的情况，与此同时钢材的焊接性能得到大幅度提升以及低温韧性出现大幅提升、耐腐蚀性能大幅提升，解决了钢结构于高寒、高腐蚀、极端环境向下的应用难题。

超高层领域，巨型框架、核心筒、伸臂桁架体系，与筒中筒体系，在多元化创新的结构体系中，正趋于成熟；大跨度空间领域里，网架、网壳、张弦梁、弦支穹顶、索膜结构等新型空间体系取得快速进展，达成数百米跨度的无柱空间建造；装配式区域，欧洲、日本的模块化钢结构建筑体系得以成熟，达成了建筑的全工业化与全预制化建造。这便是结构体系的多元化创新。

20世纪90年代，欧洲Eurocode 3《钢结构设计规范》得以发布，美国AISC 360规范做了多次修订，国际标准ISO 10721发布出来，全球钢结构规范都是采用极限状态设计法，形成了统一的设计理念，达成了国际接轨，呈现出规范的国际化。

4.2 中国钢结构的跨越式发展

在中国，钢结构的发展进程里，经历了政策方面的转型，先是从“限制用钢”开始，接着转变为“合理用钢”，而后又到了“鼓励用钢”，并且实现了从技术引进到自主创新的跨越。

建国初期呢，处于起步与积累阶段，起始之日为1949年，截止在1996年 ，那时中国的钢产量是不足的 ，而后实行了“节约用钢”这样一种政策。这时期钢结构仅被应用在重型工业厂房 、重大桥梁等国家重点项目当中 ，像鞍钢、武钢的大型厂房 ，还有1968年建成的南京长江大桥 ，这座桥采用钢桁架结构 ，其主跨达到了160米 ，算是中国桥梁钢结构的里程碑。1974年，《钢结构设计规范》TJ17 - 74被发布，1988年其修订成GBJ17 - 88 ，进而建立了完整的规范体系。学者团队以陈绍蕃教授作为核心，对中国钢结构稳定理论、抗震设计理论体系予以完善。钟善桐教授所提出的“钢管混凝土统一理论”，在国际上存有重要影响力，为中国钢结构发展奠定下单结实证理之学术基础。

- 快速发展阶段（1996年 - 2010年）：1996年，中国钢产量超1亿吨，在世界排名第一，钢材供应不足问题被完全解决，国家政策从“节约用钢”转变为“合理用钢且鼓励用钢”，自此中国钢结构步入黄金发展时期。1998年，马钢建成国内首条H型钢生产线，达成了轧制H型钢的国产化，为钢结构的规模化应用给予了核心材料支持。在这一阶段，中国建成了一批有着世界影响力的钢结构标杆工程。2008年北京奥运会国家体育场（鸟巢），运用大跨度扭曲空间钢结构，其最大跨度达332.3米，总用钢量为4.2万吨，解决了诸如复杂空间钢结构的加工、安装以及焊接变形控制等世界级难题。国家游泳中心（水立方）、CCTV新址大楼、上海环球金融中心、广州新电视塔、卢浦大桥等标志性工程陆续建成，这表明中国钢结构技术达到了世界先进水平。

五、自2010年开始一直持续到如今的新时代之际，进行的钢结构在低碳领域的智能化迈进转变以及前沿地段的探索。

这一阶段，核心驱动因素是全球碳中和目标，以及智能建造技术的快速发展，钢结构的发展方向，从“性能提升”转变为“低碳化、高性能化、智能化、工业化”，中国成为全球钢结构技术创新的核心引领者。

5.1 绿色低碳成为核心发展方向

在双碳目标的大背景之下，建筑领域里，钢结构有着这样的特点，其可循环利用的比率超过了90%，并且在全生命周期之中，它的碳足迹远远低于混凝土结构，它还是达成碳减排的核心载体。

低碳冶金技术发展速度飞快，氢冶金得以实现工业化应用，电炉短流程炼钢达成工业化应用，再生钢技术也达成工业化应用，这大幅削减了钢材的隐含碳排放，宝武集团等企业达成了零碳钢的量产。

由国家政策大力去推动，《“十四五”建筑业发展规划》是明确提出来要大力发展钢结构建筑，重点是推广装配式钢结构住宅，还有钢结构公共建筑，钢结构往新建建筑里边所占的比例会进行持续且不断的提升。

高性能低碳钢材发展迅速，耐火耐候钢达成国产化，不用额外进行防火防腐处理，极大降低了建造时的碳排放以及全生命周期维护成本；低屈服点钢、超高强度钢（Q960、Q1100及比其高等级的）在抗震耗能、大跨度桥梁等领域被广泛运用。

5.2 智能建造与数字化技术全面渗透

凭借数字化技术，达成了钢结构全生命周期的智能化管理，这一管理使得钢结构的设计模式得以全然改变，也让钢结构的建造模式产生了彻底变化，并且还让钢结构的运维模式出现了根本性转变：

钢结构通过 BIM 技术达成了从设计开始，历经加工、安装，直至运维的全流程数字化协同，处理了复杂钢结构的碰撞检测问题，还进行了加工模拟以及进度管理等难题的攻克，极大地提升了建造效率与精度。

机器人焊接、自动化切割、数字化拼装、智能吊装等技术被广泛应用，智能建造技术得以快速落地，钢结构构件由此实现了工厂化智能制造，人工焊接时焊接合格率为85%，而如今提升至99.5%以上。

数字孪生技术成熟，结构健康监测技术也成熟，借助物联网传感器，能实时监测钢结构的应力参数，能实时监测钢结构的变形参数，能实时监测钢结构的腐蚀参数，能实时监测钢结构的温度等参数，达成了钢结构全生命周期的健康监测，达成了钢结构全生命周期的安全预警，广泛用以超高层重大工程，广泛用以大跨度桥梁重大工程。

5.3 新型结构体系与前沿探索

装配式模块化钢结构建筑体系发展迅速，其建造效率相较于传统的建筑提升幅度超过百分之五十，现场湿作业能够被减少之余超过百分之九十。它可以在保障性住房，酒店，医院，应急建筑等诸多领域得到广泛应用。

超高性能混凝土（UHPC）-钢组合结构，波形钢腹板组合结构，钢管约束混凝土结构等新型体系，能够进一步地提升结构的效能与成效，且新型组合结构体系始终在持续不竭地创新着。

前段时间的一些学术研究不断拿到重大突破成果，针对钢结构抗连续倒塌的设计，针对极端荷载，也就是爆炸荷载、冲击荷载以及火灾荷载作用下的性能研究，基于人工智能技术的钢结构设计不断优化，还有可回收的钢结构体系，这些都成为当下的研究热门方向了。

中国钢结构技术始终持续保持领跑态势，像港珠澳大桥、北京大兴国际机场、上海中心大厦那般的重大工程，还有常泰长江大桥（其主跨为1208米，属于世界最大跨度斜拉桥啊），这些体现了中国于超高层、大跨度桥梁以及复杂空间钢结构等领域的技术处于世界领先水准。

六、总结与展望

钢结构所经历的发展历程，是人类不间断地去突破材料方面的极限，以及突破理论方面的极限，并且突破工艺方面极限，进而达成建筑空间与功能实现升级的历史进程。起始于18世纪的铸铁拱桥，直至如今的千米级跨度那种桥梁，还有600米以上高度的超高层建筑，钢结构一直处在工程技术革新的前沿位置。

在未来，钢结构会朝着四大方向持续地发展，其一为低碳化，借助低碳冶金、再生钢以及可循环设计，达成钢结构在全生命周期当中的零碳排放；其二是高性能化，依靠新型钢材跟新型结构体系，进一步去提升结构的效率，还有耐久性与适应性；其三讲的是智能化，凭借数字化、人工智能以及智能建造技术，达成钢结构全生命周期的智能化管理；其四是工业化，通过模块化、预制化建造，实现建筑整个流程的工业化生产，以此推动建筑业的转型升级。

钢结构，作为一种呈现绿色、具备低碳特性、属于工业化范畴的结构形式，在全球致力于实现碳中和目标、推进新型城镇化进程、促使基础设施进行升级等一系列形成重大需求的情况之下，将会发挥出越来越突出重要的效用。