3.1 房屋建筑中钢铁结构的采用

在房屋建筑中，比较广泛地采用铁，后来又改用钢来做房屋结构和其他部件、配件，这在建筑发展上具有重大的革命性的意义。

人类使用铁的历史十分久远。但在18世纪末叶以前，在房屋建筑中，铁主要是用以制作栏杆、铰链、钉钩、把手等小型部件以及装饰之用。在有些建筑中，也出现过起结构作用的铁制部件，如古代砖石拱券上的铁制拉杆和圆顶上所用的铁箍等，但这些铁件也只是砖石结构或木结构的配件。除去个别的例子，18世纪末叶以前，在世界各地区铁都没有成为主要的建筑结构材料。之所以如此，一方面是由于石、木、砖等传统材料一般已能满足当时的建筑需要，亦即还没有产生对一种新结构材料的迫切需要；另一方面，更重要的，是受到铁的产量的限制，并且存在着将铁制成大型构件的技术困难。

18世纪末叶，英国开始工业革命。使用机器的大工厂和铁路建设，要求建造多层、大跨度、耐火和耐振动的建筑物，并要求尽快建成使用。社会生活的其他领域，也不断提出各种各样为砖石和木结构房屋所不易或不能满足的建筑要求。如博览会上的临时性建筑。与此同时，工业革命促进了铁产量的大幅度增加，这就为在房屋建筑中大量使用铁材准备了条件。

过去，欧洲都是用木炭做冶炼铁矿石的燃料，铁的生产受到木材供应的限制。17世纪的英国，由于森林减少，木炭涨价，一度造成铁产量的下降。18世纪初，提出了采用焦煤炼铁的方法，后来又在炼铁炉上加上鼓风设备（1860），为大规模生产铁奠定了基础。18世纪末叶英国产业革命后，工业和铁路建设大量用铁，进一步促进了铁的生产。恩格斯在描写18世纪末和19世纪初英国的情况时曾写道：“发展得最快的是铁的生产……炼铁炉建造得比过去大50倍，矿石的熔解由于使用热风而简化了，铁的生产成本大大降低，以致过去用木头或石头制造的大批东西现在都可以用铁制造了。”

1740年英国生铁产量1.7万吨，1788年增至6.8万吨。进入19世纪，产量激增，1800年产铁19.3万吨，1840年增至140万吨，1870年又增至606万吨。19世纪后半叶，其他国家铁产量也增多了。1870年全世界生铁产量为1180万吨，1900年增至4070万吨，1913年又增至7850万吨。铁的应用范围随产量增加而日益扩大。19世纪被称为“铁的世纪”。

在桥梁建设中采用铁结构稍早于房屋建筑。铁桥的建造技术为房屋建筑中采用铁构件作了技术上的准备。

在房屋中，最早采用的铁结构是生铁柱子。纺织工厂大量使用机器以后，旧式房屋中体积庞大的砖石承重墙和柱子妨碍机器的布置（有时，机器只得放到房屋的最上一层，因为那里的室内空间稍为宽阔一些）。为了减少支柱占用的面积，18世纪80年代英国的纺织工厂首先采用生铁内柱，接着在需要大空间的民用建筑中也采用铁柱（如1794年伦敦某书店内采用的铁柱是较早的例子之一）。铁也开始用来建造屋架，如1786年巴黎法兰西剧院的熟铁屋架。以后又出现了外部采用砖石承重墙而内部梁柱用铁制造的砖石-铁混合结构的多层房屋，如1801年英国曼彻斯特市沙尔福（Salford）地方用这种方式建造了一座七层的棉纺织工厂。19世纪初发明铆钉连结，铁结构大为简化，也更加可靠，用辗压方法制造铁的型材以后铁结构的运用遂愈益广泛。那些要求很快建造起来的大跨单层的建筑物，如市场、火车站站棚、花房、展览馆等，都纷纷采用铁结构。稍后，欧洲一些重要的公共建筑物，也开始采用铁结构来建造大厅的屋盖。例如，伦敦煤炭交易所（London Coal Exchange，1846—1849）大厅的圆顶直径18.3米，顶高22.6米；不列颠博物馆的阅览大厅（British Museum Reading Room，1857）的圆顶直径42.7米；以及俄国彼得堡的冬宫大厅屋顶（1837）和依萨基也夫斯基教堂的圆顶（19世纪40年代）、法国巴黎的圣杰列维图书馆（Bibliothégue Sainte-Genevieve，1843—1850）和国家图书馆（Bibliothégue Nationale，1856—1868）的屋顶等。

19世纪中叶美国一些大商业城市中最早出现全铁框架的多层商业建筑，这类商业房屋的外墙上除了细狭的铁梁柱外，全部都开成玻璃窗，以改善室内照明和通风，满足大量人员办公的需要。19世纪美国内河航运大港和商业城市圣路易斯是这类建筑出现较早的地点之一。差不多同时，在欧洲也出现了铁框架的建筑，1867年巴黎博览会上展出过用空心砖做填充墙的铁框架住宅。1871—1872年在法国建成一座利用水力做动力的巧克力制造厂，为了减轻架设在水面上的五层厂房的建筑自重，采用了完全的铁框架结构。这些都是铁框架房屋的较早的实例。

在19世纪，出于炫耀和好奇的心理，铁材也出现在一些皇宫和府邸建筑之中，如英国布列通皇家别墅（1818—1821）的一个客厅中采用过铁柱，巴黎皇宫花园中用铁及玻璃建造了一座游廊（1829—1831）等。铁构件在这里是作为一种新奇时髦的东西而出现的。

在19世纪中期，最引人注意的铁结构建筑是1851年的英国博览会展览馆，它采用铁与玻璃建造，占地面积达7.18万平方米，因为内部光线明亮，被称作“水晶宫”（详见3.2节）。1855年，巴黎博览会上采用铁结构建成的单跨达85米的展览厅是当时世界上跨度最大的建筑物。这些建筑物的铁构件和部件一般是在工厂中预先制好，运到现场加以装配的。预制装配缩短了建筑工期。19世纪中期，为适应英国殖民主义扩张的需要，英国铁工厂中还曾生产过全部预制装配的铁建筑物并远销海外。这类铁的预制房屋包括仓库、商店、住房、车站，甚至还有小型教堂和戏院。（最早的铁的预制房屋大约开始于18世纪90年代英国运河工人用的铁板小屋。1841年，曾有人将预制装配式的铁灯塔运到牙买加安装。1843年，英国铁工厂为非洲生产过一座二层的铁材住房。19世纪英国教会曾拒绝批准用铁制房屋做正式的教堂。）

人们关于铁结构的知识和运用技术是在实践中逐步掌握和丰富起来的。在早期，人们在工程结构中把铁当作石材一样的东西来使用，最早的铁桥就是采用拱桥的形式，例如英国1793—1796年建造的桑德兰铁桥就是这样的，后来才发现了比较符合铁的性能的结构形式。到19世纪末叶，铁屋架已有多种结构形式，其中包括三铰拱，结构力学随着工程实践逐渐发展起来。在早期，人们为了防火而用铁构件去代替木构件，但是在火灾中，铁构件很快变软失去承载能力，致使房屋倒塌；温度更高时，炽热的铁水四处流散，火灾蔓延得更快。1871年芝加哥中心区的大火灾便是一个惨痛的教训。那次大火以前，当地居民把铁结构看作防火建筑，为了安全，在容易发生火灾的建筑物上用铁梯做太平梯。但在火灾中，铁水漫流，火势更猛，大火把市中心区几乎烧光，10万人无家可归。人们这才知道，裸露的铁结构不但不能防火，而且有更大的危险，必须用耐火材料把铁材包裹起来。

19世纪60年代以后，铁结构又逐渐被钢结构所替代。

钢和铁都是铁碳合金，但生铁含碳量较多，虽有很高的抗压能力，抗拉能力却很差，并且不耐冲击。熟铁含碳很少，用做建筑构件又常常失之太软。对生铁进行熔炼，使其中的含碳量降至1.7%以下，控制在适当的分量上，即得到不同性能的各种钢材。钢具有较高的强度，又有相当的韧性和塑性，含碳量低于0.25%的低碳钢适用于建筑结构。很久以前，人们就掌握了炼钢技术，但因产量很低，所以钢的价格昂贵。直到19世纪50年代，才出现了大规模炼钢的方法，这就是柏塞麦炼钢法（1855）。采用柏塞麦法使钢的价格下降了75%，其后又相继出现了西门子·马丁法（1858—1868）、汤姆斯·吉尔克利斯特法（1877—1878）。钢的产量飞速增长，1870年世界钢产量为50万吨，1900年增至2800万吨，1913年又增至6540万吨。如同铁之大规模用于工程结构的历史一样，随着钢产量的增长，在机器制造等部门已普遍使用钢材之后，钢材才用于用量巨大的建筑结构中。同铁的使用和推广过程一样，钢材也是首先用于桥梁等工程结构物之中，然后才用于有特殊的或迫切需要的建筑类型中，如工厂、大跨度房屋、高层房屋等，再后才较多地用于一般民用建筑物中。在资本主义各国，建筑由铁结构向钢结构过渡，是19世纪末和20世纪初期的事，但在19世纪最后十数年中，钢结构已经开始显示了它在建筑中的巨大作用。1889年巴黎博览会上以钢结构建成一座单跨115米、长420米的巨大的展览厅。接着在俄国建成了一座钢的双曲拱壳屋顶的厂房（1893）和一座悬索结构的展览馆（1896）。与此同时，美国的城市中出现了高达二十多层的楼房（New York Park Row Building，1898，26层）。这些高层房屋的建造，是20世纪出现的所谓“摩天楼”的先声。