别再把铝合金等同于推拉门了！看看这些大跨结构

一个合格的建筑师，可不能只喜欢神圣空间和美美的效果图。。。。

材料、细部同样是塑造一个优秀建筑的核心要素。

比如，我们通常只知道钢筋混凝土结构和钢结构，却不知道铝合金这种常用来做家用推门的材料，同样广泛用于精巧的结构设计呢！

作者｜PP

编辑｜一堆栗子

本文由公众号iStructure i授权转载

铝是地球上最丰富的金属元素，占地壳总量的百分之七点五。但由于铝的冶炼难度大，曾经极为稀有，价值更胜黄金。一百多年前，英国皇家学会制作了一个比黄金还要贵重的奖杯——铝杯，赠送给俄国化学家门捷列夫（制成第一张元素周期表），以表彰他在化学领域的杰出贡献。

直到1886年，美国的Charles Martin Hall和法国的L . T . Heroult分别独立发明了电解铝的冶炼技术，此法投产后，金属铝的产量才迅速增长，价格大幅度下降，从此走进了寻常百姓的日常生活中。

铝在建筑业中的应用已有100多年的历史，最早是作为建筑装饰材料，比如门窗框、玻璃幕墙框架、建筑外包铝板、建筑直立锁边屋面等。上世纪30年代，铝合金用于建筑物的承重与维护结构中；现今铝合金已成为除了钢材之外用量最大的建筑金属材料，每年世界铝产量的27%左右被用于建筑；目前铝合金作为承重结构材料的应用越来越多，例如桥梁、仓储、空间结构等。

1951年，英国建成世界上第一座铝合金穹顶“Dome of Discovery”,网壳直径111m，高度27m，在当时是世界上最大的穹顶。

Dome of discovery（英国伦敦 1951）

The construction of the Dome of discovery

纯铝的延性好但强度低，一般仅用于常温下的低应力结构。为了改善纯铝的性能，人们通过在纯铝中添加各种金属元素制成各式各样的铝合金，结构用铝合金通常是铝、镁、硅的合金。

铝合金设计树

铝合金可分为锻铝和铸铝两类。前者是对未熔化的铝坯进行热加工或冷加工成型，后者是将熔化的铝液倒入模具再将其铸造成型，结构常用铝合金为锻铝。锻造铝合金牌号通常由四位数字表示，命名规则是由美国铝业协会( AA) 于1954 年提出的。不同牌号的锻造铝合金的强度、延展性、耐腐蚀性等特性由于其化学成分( 铝元素和其他少量添加元素) 含量的差异而有所不同。

其中6xxx 系列中含有镁和硅元素，该系列铝合金具有良好的耐腐蚀性和与Q235 钢材相近的强度，并且易于挤压成型，建筑结构中使用的大部分铝合金型材均属该系列，如6061-T6 铝合金，被广泛应用于铝合金建筑结构中。

建筑用锻造铝合金型材

铝合金与钢的力学性能对比

同为金属材料，铝合金与我们熟识的钢材性能相似。因此，小i就把铝合金与钢的力学性能进行对比，让各位有一个直观认识。

钢结构设计大家已驾轻就熟了，下面小i通过将铝结构与钢结构类比，简要介绍一下铝合金结构设计的特点。

密度低

铝材的密度大约等于钢材的三分之一，在自重占比较大的建筑结构设计中，这无疑是一个比较大的优势，因此铝合金结构通常给人以外观轻盈的感觉。

弹性模量低

铝合金的弹性模量只有钢的三分之一，所以铝合金比钢结构更容易屈曲，规范中稳定系数也比钢结构要低很多（联想我们常见的易拉罐）。因此，变形和稳定性是铝合金中更常见的问题，其材料轻的优点也被大变形所抵消。

可焊性差

钢结构焊接设计时焊缝可以做到与构件等强，而铝合金焊接会大幅降低材料的强度与延性，因此在铝合金的连接中多用机械连接。在实际设计当中，不能焊接将会让习惯钢结构设计的工程师很难适应，比如想在构件上连一块连接板，则需要加开螺栓孔，而螺栓孔会削弱构件强度，此时工程师的内心是奔溃的。

挤压成型

铝合金材性很软，因此与传统钢结构的制作常用轧制与焊接不同，铝合金通常采用挤压成型。上帝关闭一扇门总会打开一扇窗。独特的挤压工艺可制作出各种复杂截面的构件，我们所需的各种连接件都可以通过挤压与主结构做到一体化成型。同时，铝合金构件和节点等可以进行批量预制，再进行装配，这种生产模式很适用于我们现在所提倡的工厂化装配结构，对于具有大量重复特征杆件和节点的大型铝合金空间结构具有良好的适用性。

耐腐蚀

铝合金还有一大优势，铝合金自身在空气中可形成致密氧化膜，因此铝合金一般不需要专门的防腐处理。相比钢结构，就省去涂装的费用，同时也减少了后期维护费用。因而，铝合金常被用于游泳馆、石油化工等腐蚀性要求较高的建筑。

murray athletic center（美国纽约州 1973）

Reynolds Forest Aviary

（美国北卡罗来纳州 1982）

线膨胀系数大

铝合金线膨胀系数约为钢结构的2倍，叠加铝合金低弹性模量低强度的特点，温度效应在设计中将比钢结构更为突出，对于超长的铝合金结构，温度效应很可能成为主控荷载工况。

Carla-Boeklin（美国 2015）

回收率高

同时铝合金材料易回收，再处理成本低，再利用率高，回收价值高，属于节能环保绿色材料。实际制作当中的边角料都可以以相对较高的价格回收，降低了铝合金结构的损耗成本。

由于铝合金具有重量轻、美观、耐久性好、易于养护和容易加工等一系列优点,使它在建筑工程中得到了越来越多的推广应用。铝合金桥、铝合金穹顶等结构亦成为近年来结构设计的热点。下面小i为大家列出国内外有代表性的铝合金案例，与大家分享交流。

铝合金桥梁

铝合金结构桥在桥梁工程中的应用已经有70多年的历史了。世界上第一座全铝结构的桥于1946年在美国的纽约马塞纳附近建成。1950年加拿大魁北克省阿尔维达建成了一座铝合金上承式拱桥,主跨88.6m，矢高14.5m，矢跨比约1/6，桥梁全长153m，桥面宽10.36m，拱圈、拱上立柱、桥面板均采用2014一T6铝合金制造，自重约150吨,较原计划修建的钢拱桥，重量减轻56%。到目前为止，该桥保持世界铝合金桥跨度记录，并且仍在使用之中。