鋼結構是現代建築與土木工程中廣泛應用的結構形式，因其高強度、可塑性、耐久性與施工便利性，成為高層建築、大跨橋梁、工業廠房與基礎設施的重要材料。然而，鋼結構亦有其缺點，如耐火性較差、易受腐蝕與成本較高等，需透過適當的工程設計與材料技術來克服。
一、歷史發展
(1) 18-19 世紀：鋼鐵工業的興起
- 18 世紀工業革命 促進了鋼鐵冶煉技術的進步，如 焦炭煉鐵（1784 年）與 貝塞麥轉爐法（1856 年），使鋼材生產成本下降，逐步應用於建築領域。
- 19 世紀初，英國工程師 湯瑪斯·特爾福德（Thomas Telford） 設計的門納伊橋(Menai Bridge, 1826），成為早期金屬結構橋樑的代表。
(2) 19 世紀末 – 20 世紀初：鋼結構建築的誕生
- 1885 年，美國芝加哥建成第一座鋼結構高層建築——家庭保險大樓（Home Insurance Building，10 層樓），標誌著鋼結構進入現代建築領域。
- 埃菲爾鐵塔（1889） 是早期鋼結構標誌性工程，高達 330 公尺，展現了鋼材的卓越承載能力。
(3) 20 世紀中後期：高層與大跨結構應用
- 1930 年代，紐約帝國大廈（1931, 381 公尺） 展現鋼結構在超高層建築的應用。
- 1970 年代，世界貿易中心（1973, 417 公尺） 及 威利斯大廈（1974, 442 公尺），採用核心筒 + 外框鋼結構設計，提高抗風與抗震性能。
- 1990 年代後，隨著高強度鋼材（如 Q690、Q960）與智能建造技術的發展，鋼結構建築高度突破 500 公尺，如 杜拜塔（828 公尺，2009）。
二、鋼結構的工程特性
鋼結構因其高強度、良好延性、快速施工與可回收性，成為許多重大工程的首選材料。
(1) 高強度與高承載能力
單位重量的強度遠高於混凝土，鋼材的抗拉強度一般為 250-960 MPa，可大幅減少結構尺寸與重量。適用於高層建築、大跨度橋梁、工業廠房與抗震建築。
(2) 良好的延性與抗震性能
鋼材具有良好的塑性與韌性，在地震或強風作用下能吸收能量，避免脆性破壞。鋼框架結構 + 消能阻尼技術 常用於抗震建築，如 東京晴空塔（Skytree）。
(3) 工業化製造，施工快速
鋼結構構件可在工廠預製，現場快速組裝，減少現場施工時間與天候影響。適用於橋梁、機場航站樓、體育場、會展中心等大跨空間建築。
(4) 可變形與空間利用率高
可設計大跨度結構（>100 公尺），適用於無柱大空間建築，如機場、體育館、展覽館等，例如 北京國家體育場（鳥巢，跨度 330 公尺） 採用鋼網架結構，提升視覺美感與空間利用率。
(5) 可回收再利用，環保永續
鋼材回收率可達 90% 以上，可有效減少碳排放與資源浪費，符合綠建築趨勢。
三、鋼結構的缺點與挑戰
❌ (1) 耐火性較差
鋼材在 600°C 以上會失去 50% 強度，高溫下易發生失效，如 2001 年世界貿易中心倒塌事件。
解決方案：
- 防火塗料（Intumescent Coatings），如膨脹型防火塗料，遇熱膨脹形成隔熱層。
- 混凝土包覆（Encased Steel），如鋼梁外部包覆混凝土，提高耐火性。
❌ (2) 易受腐蝕，需防護處理
鋼材長期暴露於潮濕或鹽霧環境（如海洋、工業污染地區）易生鏽，影響耐久性。
解決方案：
- 熱浸鍍鋅（Hot-dip Galvanization），適用於戶外鋼結構，如橋樑、鐵塔等。
- 耐候鋼（Weathering Steel），如 COR-TEN 鋼，可自然形成保護層，減少維護需求。
❌ (3) 施工精度要求高，受焊接品質影響大
焊接接頭易產生殘餘應力與裂紋，影響結構性能。
解決方案：
- 採用 螺栓連接 取代部分焊接，減少焊接應力影響。
- 使用 超聲波檢測（UT）與磁粉探傷（MT） 確保焊接品質。
❌ (4) 材料成本較高
鋼材價格波動較大，成本通常高於傳統鋼筋混凝土建築。
解決方案：
- 混合結構（Composite Structures），如 鋼-混凝土組合梁，減少用鋼量，降低成本。
- 預製裝配式鋼結構技術，提升施工效率，降低整體成本。
四、鋼結構應用實例
(1) 超高層建築（High-Rise Buildings）
杜拜哈里發塔（Burj Khalifa，828m，2010 竣工）
應用：
- 核心筒 + 外框鋼結構，採用高強度鋼材 S460，確保抗風與抗震能力。
- 鋼-混凝土組合結構，減少結構重量並提高剛性。
- 抗風設計：獨特的Y 型平面設計減少風荷載影響。
杜拜哈里發塔(Canva@saiko3p)
上海中心大廈（Shanghai Tower，632m，2015竣工）
應用：
- 核心筒混凝土 + 外部鋼框架，採用 C100 混凝土與 Q460 高強度鋼。
- 巨型斜撐系統（Mega Braces） 增強整體抗風與抗震能力。
- 旋轉流線型外形，減少風荷載 24%。
上海中心大廈(Canva@zorazhuang)
東京晴空塔（Tokyo Skytree，634m，2012竣工）
應用：
- 三角形鋼結構塔身 提高抗震能力，使用 Q370 鋼材。
- 核心筒擺動阻尼系統（內筒與外框獨立晃動），減少地震影響。
東京晴空塔(Canva@Tor Martin Treff)
(2)大跨度橋梁（Long-Span Bridges）
港珠澳大橋（HZMB，55km，2018竣工）
應用：
- 鋼-混凝土組合橋樑，橋塔採用 Q460 高強度鋼材。
- 耐腐蝕鋼材技術，確保 120 年使用壽命。
港珠澳大橋(Canva@wateye)
(3)機場與體育場（Airports & Stadiums）
北京大興國際機場（Beijing Daxing International Airport，2019竣工）
應用：
- 超大跨度鋼結構屋頂，使用 Q460 鋼材，跨距達 100 米。
- 多節點鋼樑結構，提供流線型視覺效果。
北京大興國際機場(Canva@ASMR(大)@PhotoTalk(右上)@ lnzyx(右中)@Belle Shang(右下))
北京國家體育場（鳥巢，Beijing National Stadium，2008竣工）
應用：
- 鋼網殼結構，使用 Q345 與 Q390 高強度鋼。
- 總用鋼量達 42,000 噸，是當時全球最複雜的鋼結構體育館之一。
北京國家體育場(Canva@lionelccs)
倫敦溫布利球場（Wembley Stadium，315m，2007竣工）
應用：
- 世界最長單體鋼拱（315 米），支撐整個球場屋頂。
- 可開合屋頂設計，提升多功能性。
倫敦溫布利球場(Canva@David Pickup(左上)@Marisa(左下)@AmandaLewis(大))
(4)工業與基礎設施（Industrial & Infrastructure）
阿布扎比盧浮宮（Louvre Abu Dhabi，2017竣工）
應用：
- 直徑 180m 的鋼結構穹頂，由 7,850 噸鋼 構成，營造“光影雨”效果。
- 不銹鋼與鋁合金混合使用，提高耐久性與美觀性。
阿布扎比盧浮宮(Canva@ Duchess Iphie)
四、結論
鋼結構因其高強度、延性好、施工快速、可回收性高，在高層建築、橋梁、工業廠房、機場、體育場等領域廣泛應用。然而，鋼結構亦面臨耐火性差、易腐蝕、焊接質量控制難度高、造價較高等挑戰，需透過防火、防腐、混合結構技術等方式克服。
