Henry zoo dome（美国加州 2002）
铝是地球上最为丰富的金属元素，其在地壳总量中占比百分之七点五。然而，因为铝的冶炼难度较大，所以在过去它极为稀有，其价值甚至超过了黄金。一百多年前，英国皇家学会制作了一个奖杯，这个奖杯比黄金还要贵重，它就是铝杯，该铝杯被赠送给了俄国化学家门捷列夫（他制成了第一张元素周期表），以此来表彰他在化学领域的杰出贡献。
1886 年的时候，美国的 Hall 以及法国的 L.T. 各自独立地发明了电解铝的冶炼技术。这种冶炼技术投入生产之后，金属铝的产量开始迅速增长，价格也大幅度下降，从那之后，金属铝就走进了寻常百姓的日常生活之中。
铝在建筑业的应用已有 100 多年。其最早被用作建筑装饰材料，像门窗框，还有玻璃幕墙框架，以及建筑外包铝板，以及建筑直立锁边屋面等。上世纪 30 年代，铝合金被应用于建筑物的承重与维护结构；现今铝合金与钢材比较，铝合金已成为除钢材外用量最大的建筑金属材料，每年世界铝产量约 27%被用于建筑；目前，铝合金在承重结构材料方面的应用日益增多铝合金与钢材比较，像桥梁、仓储、空间结构等领域。
1951 年，英国建成了一座穹顶。这座穹顶是世界上第一座铝合金穹顶，名为“Dome of ”。它的网壳直径为 111m，高度为 27m。在当时，它是世界上最大的穹顶。
Dome of （英国伦敦 1951）
The of the Dome of
纯铝的延性较好，然而其强度较低。一般情况下，纯铝仅被用于常温下的低应力结构。为了使纯铝的性能得到改善，人们通过在纯铝中添加各种不同的金属元素，从而制成了各式各样的铝合金。其中，结构用铝合金通常是由铝、镁、硅组成的合金。
铝合金设计树
铝合金分为锻铝和铸铝两类。未熔化的铝坯经热加工或冷加工可制成锻铝，熔化的铝液倒入模具铸造成型则为铸铝。结构常用的铝合金是锻铝。锻造铝合金的牌号通常由四位数字表示，其命名规则是 1954 年由美国铝业协会（AA）提出的。不同牌号的锻造铝合金，因其化学成分（铝元素和其他少量添加元素）含量存在差异，所以其强度、延展性、耐腐蚀性等特性有所不同。
6xxx 系列含有镁和硅元素。该系列铝合金具备良好的耐腐蚀性。该系列铝合金的强度与 Q235 钢材相近。该系列铝合金易于挤压成型。建筑结构中使用的大部分铝合金型材属于该系列。例如 6061-T6 铝合金。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
铝合金和钢材都是金属材料，它们的性能有相似之处。所以，小 i 对铝合金与钢的力学性能进行了对比，以便让大家能有一个直观的认识。
钢结构设计大家已经非常熟练了。下面小 i 通过把铝结构和钢结构进行类比，来简要地介绍一下铝合金结构设计的特点。
密度低
铝材的密度约为钢材的三分之一。在建筑结构设计中，自重占比较大。此情况下，这是一个较大的优势。所以，铝合金结构往往给人外观轻盈的感觉。
弹性模量低
铝合金的弹性模量仅是钢的三分之一。所以，铝合金相较于钢结构更容易发生屈曲。在规范中，铝合金的稳定系数比钢结构低很多（比如联想我们常见的易拉罐）。因此，变形和稳定性在铝合金中更为常见，而其材料轻的优点也因大变形而被抵消。
可焊性差
钢结构焊接设计时，焊缝能够做到与构件等强。然而，铝合金焊接会使材料的强度和延性大幅降低。所以，在铝合金的连接中，多采用机械连接。在实际设计过程中，如果不能焊接，习惯钢结构设计的工程师会很难适应。例如，若想在构件上连接一块连接板，就需要加开螺栓孔，而螺栓孔会削弱构件的强度，此时工程师的内心会感到崩溃。
挤压成型
铝合金材性柔软。传统钢结构的制作常用轧制与焊接，而铝合金与之不同，通常采用挤压成型。上帝关闭一扇门时，总会打开一扇窗。独特的挤压工艺能够制作出各种具有复杂截面的构件，我们所需的各种连接件都可以借助挤压与主结构实现一体化成型。铝合金构件和节点等能够进行批量预制，之后进行装配。这种生产模式适合我们现在所倡导的工厂化装配结构，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而言，适用性良好。
耐腐蚀
铝合金有一大优势，它自身在空气中能形成致密的氧化膜。所以，铝合金通常不需要专门进行防腐处理。与钢结构相比，这样就省去了涂装的费用，并且也减少了后期的维护费用。正因如此，铝合金经常被用于游泳馆、石油化工等对腐蚀性要求较高的建筑中。
（美国纽约州 1973）
（美国北卡罗来纳州 1982）
线膨胀系数大
铝合金的线膨胀系数大概是钢结构的 2 倍。铝合金具有低弹性模量和低强度的特点。这些特点导致在设计中，温度效应会比钢结构更为显著。对于超长的铝合金结构来说，温度效应很有可能成为主要的主控荷载工况。
Carla-（美国 2015）
回收率高
铝合金材料容易回收，其再处理成本低，再利用率高，回收价值也高，属于节能环保的绿色材料。在实际制作中，边角料都能以相对较高的价格被回收，从而降低了铝合金结构的损耗成本。
铝合金具有重量轻的优点，它很美观，耐久性也好，易于养护，并且容易加工。这些优点使得铝合金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，以便与大家分享交流。
铝合金桥梁
铝合金结构桥在桥梁工程中的应用已有 70 余年历史。1946 年，世界上第一座全铝结构的桥在美国纽约马塞纳附近建成。与原计划修建的钢拱桥相比，重量减轻了 56%。该桥到目前为止保持着世界铝合金桥跨度的记录，并且现在仍在被使用。
（加拿大魁北克 1950）
铝合金桥与一般钢桥相比，具有自重轻的优点，所以能节省运输等费用。它还具有防腐的特点，能降低防腐费用。并且回收成本低，这也有助于节省费用。同时，其材料强度和材料密度比高，通过增加较小的重量就能获得较大的承载力，有效地增强了桥梁承受活载的能力，在现有桥梁加固方面十分有利。
铝合金的弹性模量较小，所以在设计中刚度问题会较为突出，这限制了它在大跨度、重载荷桥梁中的应用。并且铝合金材质偏软，容易留下划痕，在反复荷载的作用下，容易在划痕范围内产生疲劳损伤。
铝合金空间结构
从国内外铝合金空间结构案例来看，铝合金主要被应用于以压应力为主的球壳结构。小 i 觉得这主要是因为铝合金连接节点有特殊构造。因为焊接会使铝合金强度大幅降低，所以铝合金常用的连接方法是圆盘连接。也就是用螺栓把上下弧形圆盘盖板与杆件的上下翼缘连接起来，而腹板不进行连接。
铝合金圆盘连接节点
这种连接方法会导致节点无法与构件达到等强的效果，并且节点的抗剪性能比较弱。所以，它不适合应用于以受弯为主的梁式结构，以及以拉应力为主且对节点需求较高的张力结构。然而，对于球壳结构来说，当内部以压应力为主时，构件设计都是以稳定来控制的，对节点的需求较低。正因如此，铝合金结构特别适合用于以受压为主的球壳结构。
Hotel dome
（直径44.2m 美国夏威夷1957）
of
（直径68m 荷兰阿姆斯特丹 1971）
Epcot 位于沃尔特世界，其地球部分直径为 50m，位于美国佛罗里达州，始建于 1982 年。
上海马戏城（直径50.6m 上海 1999）
一般结构下，主结构与维护结构之间需要有中间转换的次结构，也就是檩条。因为铝合金结构是挤压成型的，所以能够让维护结构与主结构直接联锁。这样可以简化构造层，减少施工环节，降低材料用量，还能提高施工速度。例如 henry zoo dome 是铝合金外覆膜结构，在挤压主材的时候就把膜结构的连接卡口一起挤压成型了。
铝合金一体化连接构造
henry zoo dome
（直径76.2m 美国加州2002）
近年来计算技术发展得突飞猛进，同时铝合金加工安装技术也日益成熟。铝合金结构在国内外的新型、大型项目中被应用得更多了。例如新建成的 i360，它是铝合金与玻璃结构的组合，外表看上去极为通透轻盈。
i360（162米高 英国 2016）
牛首山佛顶宫主体是铝合金结构的。它的外面覆盖着异形铝板来进行装饰。关于铝穹顶的尺寸，大穹顶的建筑长度达到 251 米，构件的最大高度是 550mm。它是单层铝合金网壳结构，其跨度创造了铝合金结构在世界上的第一佳绩。
牛首山佛顶宫（南京 2016）
铝合金结构历经半个世纪的发展，在计算理论方面日益成熟，在工程应用方面也日益成熟。同时，铝合金材料价格逐年降低，其经济性的综合优势也日益明显。通过今天的粗略介绍，希望大家在以后的设计中，若遇到体型合适的建筑物，脑海中可以浮现出铝合金结构这一选项。
铝合金结构属于新材料，小 i 处于边学习边总结的状态。如果大家对其有感兴趣的地方或者发现有纰漏不足，都欢迎在文末留言进行交流。
参考资料：
1. （A Guide to Their and ）
J. , L. Ferry.
2.铝合金空间网格结构研究现状及关键问题. 杨联萍等.
3. 铝合金结构的连接及其设计方法的分析. 张贵祥等.
4. 铝合金结构研究现状简述. 沈祖炎, 郭小农等.
5. 建筑结构 — 铝合金结构在大跨度建筑领域的应用.
6.
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