CUMT新型建筑材料与结构

1、2020/6/24,各位同学 大家好,新型建筑材料与结构,2,中国矿业大学,China University of Mining & Technology,建筑工程学院 School of Architecture & Civil Engineering,3,3 高层建筑与材料,建筑物按照层数可分为低层、多层、高层以及超高层建筑。通常12层称为低层建筑，36层称为多层建筑，7一30层左右称为高层建筑，而30层以上（或高度超过100m）叫做超高层建筑。 高层建筑是现代社会科学和技术发达的标志之一，是人口密度增大、城市功能集中的必然产物，也是人类不断向新的高度挑战，不断探索新的建造技术，开发新型建

2、筑体系和材料的体现。高层建筑为人类提供了高密度、大容量的居住或工作空间，给现代人的生活和工作带来许多方便，同时对城市环境、居住条件以及生活方式也带来诸多影响。,4,31 高层建筑的发展与未来,人类历史上最早出现的高层建筑，可以追溯到古罗马时代。2000多年前的古罗马时代，就已经在各城市建造了10层左右的高层建筑物，所采用的结构形式是承重墙结构，这主要是受当时的建筑材料只有石材或粘土砖等块体材料的限制。后来随着罗马帝国的衰落，高层建筑也就随之消沉了。,5,211 近代高层建筑的兴起,1） 承重墙结构对层高的限制 到19世纪以前，人类的生产方式一直停留在以手工操作为主的水平，在建筑技术和材料方面也

3、没有突破性的发展。直到进人19世纪，西欧各国以工业革命为契机，开始出现了资本主义机械化大生产，人口向城市集中，出现了解决城市人口居住集中问题的需求。同时，炼钢技术的成熟、水泥、混凝土材料的出现，为建筑结构形式向大型化发展提供了物质基础。于是沉寂了近2000年的高层建筑又开始兴建起来。由于受当时的设计水平和材料体系的影响，最初建造高层建筑的结构形式仍然采用砌筑承重墙结构。随着建筑物高度的增高，用于承受建筑物自重的承重墙体就必须加厚。例如 1891年在芝加哥建造了一座高16层的Monadnock（摩那顿克）大厦，由于自重较大，这座建筑物下部承重墙的厚度达到了18m。可见，要使建筑物达到更高的高度，

4、必须采用受力更加合理的结构形式，开发新的结构与材料体系。,6,2） 框架结构体系和金属材料的应用,由于当时已经有了铸铁、钢材等金属材料，人们也在探索更加合理的结构形式，以解决承重墙结构墙体过于厚重的问题。结构工程师开始开发轻型的框架结构系统。这种框架结构形式是由梁和柱构成刚性的框架，楼板和墙体的自重首先传递到梁上，然后通过柱直接传递到基础，墙体只起围护作用而不承重，而承重的梁和柱采用具有很高强度的钢材或钢筋混凝土。这种结构形式和材料的开发成功，使得高度更高、跨度更大、开口尺寸更大的高层建筑成为可能。这种框架结构系统从开始到发展成熟大约花费了100多年的时间。这期间包括人们对钢材、混凝土等材料的

5、性能、连接或复合使用方法、梁和柱的合理断面形状以及钢筋混凝土中钢筋的配置方法、预应力钢筋混凝土的开发和使用等等。,7,1801年在英国的曼彻斯特，人们第一次用铸铁材料建造了七层框架结构的轧棉工厂建筑物，并且首次采用了I型断面的梁和往，为以后的框架结构建筑物奠定了结构形式的基础。 3） 构件标准化的设计思想 1851年，在英国万国博览会上展出的水晶宫，是最早采用钢材、框架结构、玻璃板，并对构件进行了模数设计的建筑物。该建筑物在结构形式、材料、生产方式和施工方法等方面实现了完美的统一，确立了框架体系和钢材在高层建筑中的基础地位。同时，构件标准化（模数化）的设计思想为后来建筑材料及构件的量化生产奠定

6、了基础。高层建筑不同于以前的平房建筑，材料用量大，将所用材料制成构件，有利于现场操作，能提高施工效率； 高层建筑的各层多数采用相同的设计样式，所以也具备使用标准化构件的条件。,8,4） 纵向交通手段的建立 随着楼层的增高，人们开始研究开发建筑物内部的纵向交通系统。1851年在纽约建造的5号街饭店建筑中，最早出现了电梯。这种垂直方向的交通方式的开发，为人们利用高层建筑提供了方便的手段，否则，即使建造出高层建筑，也难以利用。 1866年-1870年期间建造的纽约生命保险公司大楼，也采用了电梯。 5） 用剪力墙增加横向刚度 剪力墙的开发和应用是高层建筑的又一关键技术。随着层数增多，高度增高，在风力、

7、地震等水平荷载的作用下，建筑物的横向变形和位移增大，为了将这种变形控制在所允许的范围之内，以保证安全使用，必须增加建筑物在水平方向的刚度，而剪力墙是在结构上解决这一问题的有效办法。1891年，Burnham和Root两位建筑师在芝加哥建造了20层高度的 Masonic Temple，并在此建筑物中第一次设计使用了钢结构的剪力墙，使高层建筑的建造技术又向前迈出了一步。,9,6） 混凝土材料在高层建筑中的应用,高层建筑的发展同样推动了结构材料的发展。早期的高层建筑几乎都采用铸铁或钢材等作为框架结构材料。从1890年开始，混凝土作为一般的建筑材料开始得到人们的承认。1903年由佩雷设计的巴黎的富兰克

8、林公寓大楼，开始采用了钢筋混凝土材料。几乎在同时，在美国的辛辛那提（Cincinnati）建造了 16层的 ingall building，是世界上第一个以钢筋混凝土作为框架结构材料的高层建筑。但是，到20世纪中叶为止，混凝土材料在高层建筑中只是零散地被使用，或者使用混凝土也只是模仿钢框架结构，而没有开发出非常完善的以钢筋混凝土材料为结构框架的体系。这种状况直到第二次世界大战结束以后才有改变。,10,目前，高层建筑所用的结构材料已经是钢材和钢筋混凝土平分秋色，许多著名的高层建筑都采用了钢筋混凝土材料。例如朝鲜平壤市的柳京饭店（地上101层，高度305.4m）、芝加哥的水塔广场大厦（76层，高度

9、262m）、以及最新落成的世界最高的建筑物，吉隆坡的佩重纳斯大厦（高度452m），均采用了钢筋混凝土作为主体结构材料。,11,3l2 实现高层建筑的社会条件和技术条件,1） 社会需求 高层建筑是人类进入工业化、信息化社会所产生的城市现象，社会需求推动了高层建筑的发展。这种需求主要表现在以下几个方面。 l 人口密度大，人口向城市高度集中，用于个人居住的住宅和社会公共设施的需求量增大，城区土地不足，土地价格上涨，在有限的土地上不能满足建设量的需求，只好向空中发展。因此，人口的增多和城市化是高层建筑产生的直接原因。 l 城市功能多样化是促进高层建筑发展的又一个重要原因。现代社会城市已成为地域的政治、

10、经济、文化中心。管理机能集中，行政办公、金融贸易、科教卫生、文化、体育活动、交通枢纽等全部集中在城市的中心，因此，必须建造大容量的高层建筑才能容纳大量的办公人员和利用这些设施的人。,12,2） 国家相关法规,高层建筑涉及到安全、管理、能源、治安、环境等一系列社会问题，因此各国根据本国的国情、自然条件以及环境政策，要对高层建筑的建设制定一些法规，这些法规将对高层建筑的发展起到制约或鼓励的作用。 l英国在20世纪50年代以前，为了保持伦敦古都的风貌，曾经制定法规限制一定范围内建筑物的高度，1956年作为城市再开发的一个积极政策，对首都伦敦撤消了建筑物的高度限制，从此伦敦的高层建筑才得以发展。 l日

11、本是一个多地震的国家，1923年9月关东大地震以及由此引发的火灾，造成了十几万人丧生的惨剧。从此以后，日本的建筑法规一直限制建筑物的高度不能超过31m，长达近40年之久。直到1955年，以城市再开发为目的，在日本的建筑学会内部成立了高层化委员会，1962年，在建筑学会的答辩会上，通过了技术论证，解除了原来高度3lm的限制。因此从20世纪60年代开始，日本开始发展高层建筑。,13,3） 技术条件,高层建筑的建设是建立在一系列综合技术手段的支持之上的，是人类从事建设活动达到最高境界的综合体现。高层建筑结构设计荷载作用方式复杂，要求安全可靠性高；构件数量庞大，材料种类繁多，计算、绘图等工作量相当大；

12、施工过程复杂，设备及材料的管理、工程操作难度大；投资巨大，要求使用寿命长。因此高层建筑的建设需要有设计、计算、管理、施工等综合性的、坚实的理论基础和技术来支持。要求具备以下技术条件。,14,结构设计的计算手段和绘图手段：高层建筑不同于普通建筑之处就是层数多，构件数量多，受力状态复杂。随着高度增加，水平荷载（风荷载）增加，横向变形量大。所以结构计算复杂。电子计算机和相应的结构计算、计算机辅助设计等软件的开发，解决了高层建筑的繁杂而大量的计算工作。 现代施工管理方法的开发：高层建筑的施工建设，从原材料的准备、运输、基础、主体结构的建成，建筑设备的安装、内外装修，直到竣工，是一个极为复杂的组织过程，

13、工序繁多，工作量大。计算机技术为施工管理科学化、现代化创造了条件。,15,现代化的建筑设备：高层建筑的能源供给、照明采光、通风换气、取暖制冷等空调系统，与普通建筑物相比，构成复杂，要求严格。例如，高度443m的西尔斯大厦，其电器设备系统相当于常住人口为14万7千人的城市电力供给系统。其空调系统具有供给6000户住宅的制冷空调设备。建筑物内有102台电梯，每天有16500人利用这些电梯向建筑物的各层移动，构成了纵向的交通系统。此外，建筑物内还需配套停车设施、排水系统、垃圾处理系统等，这些电器、水、空调、煤气、交通等设备系统非常复杂。现代机械工业的发达、设备水平的提高，计算机自动控制水平的提高等条

14、件，为高层建筑的设备配套提供了有利的条件。,16,l 现代化的施工机械：高层建筑施工中高空作业量大，包括材料、构件的运输和在高空部位进行安装、组合等现场施工，难度大，危险性高，许多操作非机械不能实现。现代化的建筑施工机械，大吨位起重机，可将混凝土直接输送到几百米高度的混凝土泵送设备，适合各个部位作业的各类机械，给高层建筑的施工提供了条件。 l 材料的工业化生产及新型建筑材料的开发：高层建筑使用的建筑材料数量大，质量要求高，非工业化生产不能满足量和质上的要求。现代建筑材料例如钢材、玻璃、混凝土等都已实现了工业化生产，为高层建筑的建设提供了物质基础。同时，高层建筑要求轻质高强型材料、耐火性材料、不

15、需搭设临时设施即可施工的幕墙构件，组装式墙板、楼板，厕所、浴室等单元构件等，这些基本都已实现了工厂化生产。钢结构的连接技术采用高强螺栓，不需现场焊接等等，这些都是高层建筑不可缺少的物质条件。,17,l 20世纪50年代，第二次世界大战结束，世界各国进入了以经济建设为主的和平时期，建筑业及高层建筑的建设也进入了鼎盛时期。1956年英政府对首都伦敦撤消了对建筑物的高度限制，从此建造高层建筑成为城市开发的一个积极政策。 l 1962年，日本解除了对建筑物的高度限制，同时伴随着经济的腾飞，日本开始大量建造高层建筑，从60年代开始，在原来一片荒凉的新宿地区建造大批高层建筑，如今这里已经成为东京的副都心。

16、 l 美国在高层建筑方面一直走在世界的前列。1972年在纽约建成了世界贸易中心，110层，417m，打破了帝国大厦长达40年之久的一统天下，夺得了世界最高建筑的桂冠。但是这项桂冠只保持了一年，即被1974年落成的高度443m的西尔斯大厦摘走。,18,1996年在马来西亚的吉隆坡落成的佩重纳斯大厦又刷新了世界最高建筑的记录，高度达到452 m。该大厦不仅在高度上独占鳌头，其主体结构材料采用了钢筋混凝土结构，这一点也是该世界最高建筑物的首例，佩重纳斯大厦用事实证明了钢筋混凝土材料用于高层建筑是完全可能的，不仅材料的性能能够满足要求，其施工技术也已经很完善。 最初建造高层建筑的目的是为了解决日益膨胀

17、的人口的工作、居住等实际需求，然而一个多世纪社会不断进步以及建筑技术日趋完善的过程中，世界各国又往往把挑战新的高度作为科技水平和经济实力的象征，因此，在世界范围内曾一度掀起争夺世界第一高度的竞赛。到20世纪末为止，世界上高度位于前十名的高层建筑如表所示。,19,20,21,我国从20世纪70年代开始进行高层建筑的建设。 l1974年在北京建成了北京饭店东楼（19层，高87.15m），建成当时为北京最高的建筑物。 l1976年，在广州建成了白云宾馆（33层，高114.05m），之后的9年中白云宾馆一直占据我国最高建筑的宝座。到80年代以后，随着建设业的蓬勃发展，高层建筑无论在高度、数量和建设技术

18、方面均取得了令世人瞩目的成绩。 l1985年，在深圳建成了国际贸易中心大厦（50层，高15865m）。 l1987年开工，在广州建成了国际大厦（63层，高200m）。同年在北京动工修建了京广中心大厦（57层，208m高）。 l进入90年代，我国的高层建筑水平又进入一个新的阶段，在上海、北京、深圳、广州等大城市，一座座高楼大厦拔地而起，其设计水平和施工技术也已接近国际水平。坐落于上海埔东新区的金茂大厦，高度420m，采用高性能混凝土作为结构材料，采用泵送施工技术，是我国混凝土施工技术的一个创新。,22,23,24,25,26,27,专家分析纽约世贸中心大楼坍塌原因专家分析纽约世贸中心大楼坍塌原因

19、 转眼之间，纽约110层高的世贸中心“姊妹楼”就轰然倒地。从表面看，造成这一惊世之灾的直接原因是恐怖分子劫持飞机撞向大楼。但是美国建筑专家评论指出，该楼的钢筋混凝土结构本身就难以承受大的冲击，特别是无法应付随之发生的大火。 据美联社报道，美国马萨诸塞州塔夫茨大学（Tufts University）土木工程教授萨纳业表示，世贸大楼的设计存在问题，今天设计的楼房即便是遭受同样的袭击也完全可以避免发生同样的悲剧。他还说：“在我看来，大火隔断了被撞楼层的上下联系，并使一些地板开始垮塌，这些地板都是加固水泥地板，非常沉重，所以一旦倒塌砸向另一层时，就发生了多米诺骨牌效应，层层相砸，直到整个大楼彻底倒塌。

20、”,28,同时，另有一些专家也指出，他们通过观看大楼倒塌的录像认为，虽然飞机冲撞对大楼确实造成了一定的破坏，但随后燃起的大火才是造成楼房倒塌的直接原因。 科罗拉多一所大学的土木工程教授黑曼布朗也认为，冉冉烈火使得大楼的钢铁支架熔化，最终导致大楼失去支撑而轰然倒塌。他说：“即便是飞机猛烈撞向大楼，它也不至于倒塌。不过，飞机上载有数量巨大的燃油，燃起的大火使得楼墙中的钢筋熔化了。” 布朗还指出，这两座大楼当初设计时考虑到耐冲击的因素，但它却对大火和爆炸无能为力。如果飞机撞在大楼的底层，消防部门完全可以控制住火势的蔓延，阻止悲剧的进一步发展。由此可以看出，恐怖分子的袭击是精心策划的，这些恐怖分子简直

21、是“聪明绝顶”。,29,2.2.7 通讯电波的障碍 现代社会是一个通讯发达、高度信息化的社会，电视广播、无线传呼、移动电话等传媒、通讯工具被大量使用。由于超高层建筑体型较大，往往会造成电波传播的障碍，使得建筑物背后的一定区域范围产生电波不能到达的现象。目前在日本已经进行了这方面的研究，在混凝土墙体中埋入金属质的电波传播材料，使电波可以通过高楼大厦，消除电波传递死角区域。,30,3.3 高层建筑与材料、施工方法 高层建筑的建造对建筑材料、施工方法等领域的科学技术发展具有很大的推动作用，其中在材料方面最突出的是主体结构材料、楼板和外墙材料的开发应用。 3.3.1 促进建筑材料的制品化 高层建筑与一

22、般建筑在施工方面最大的不同在于高层部分。虽然高层建筑大多建在交通发达的城市中心部位，但这仅限于地面交通。高层建筑按建筑面积计算的材料重量大约为1200-1300kgm2。首先将如此大量的材料、施工器具以及施工人员运送到高层部分，需要花费很长的时间和运力；其次，如果运送原材料到高空中作业，例如混凝土的搅拌、钢材的焊接、块体的砌筑等施工操作，就更增加难度。因此，高层部分既是一个交通不便的施工现场，又是施工操作难度大、危险性高的施工场所。,31,这种苛刻的施工条件，促进了建筑材料向制品化的发展。为了减少高空的施工操作和原材料运输的难度，人们在地面上的工厂将原材料加工成建筑构件，在现场进行组装和连接，

23、在减轻高空作业量的同时，极大地提高了施工效率。例如，在工厂内用混凝土预制成楼板、梁、柱等构件，用钢材、铝合金、塑料等制成门窗构件，在现场安装或连接即可，甚至可以预制成房屋建筑的某些单元（厨房、厕所、浴室等），吊装到现场组装。可以说高层建筑促进了建材制品化的开发与应用。 目前所采用的组装方式主要有，钢结构的骨架部分单独组装，楼板、外围幕墙等作成中、小型构件，用机械或手工搬运到现场安装到骨架上；或者采用大型板材与钢骨架的一体化组装，即将楼板、墙体、顶棚等部分作成大型板材，与钢骨架一起，将建筑物的一部分作成块状进行组装。,32,3.3.2 半模板式楼板的开发 在建筑工地常见到钢管、带孔的钢板以及连接

24、件组成的脚手架，这是为了进行施工操作而搭设的临时设施，还有如果在现场浇注混凝土，首先要根据所设计的构件尺寸和形状架设模板，浇注的混凝土硬化以后再将模板拆除。这种为了施工操作而搭建、施工完成后再行拆除的临时设施，需要耗费巨大的人力物力，而且在高空搭建临时设施更不是一件容易的事情。半模板式楼板就是为了在浇注楼板时去掉模板而开发的一种预应力钢筋混凝土楼板。,33,尽管楼板可以完全在工厂预制，现场吊装，但是有些建筑物为了提高其整体性，仍然需要采用现浇楼板的施工方法。为了不搭设模板，可以首先在工厂中预制强度较高、截面较小的预应力板材，将其安装在主梁之间，施工时作为模板使用，在上面现场浇注混凝土，达到所要

25、求的楼板的厚度，混凝土硬化后与模板混凝土粘结为整体，不需要拆除，该预制的混凝土板与浇注的混凝土成为一体，作为楼板。图：倒T型截面部分为预制的半模板式混凝土楼板，上面为现浇的混凝土，硬化后楼板的总厚度大约为150-200mm。这种楼板既实现了整体性，建筑物的安全性提高，同时又不需要搭设模板。 波形钢板（瓦垄板）也可起到模板的作用，在波形钢板上面浇注混凝土，形成钢板与混凝土组合而成的楼板。这种波形钢板不仅用于高层建筑，也用于一般建筑的楼板或屋顶。,34,3.3.3 外墙结构形式和材料的开发 幕墙是高层建筑主要采用的墙体结构和材料。最早“幕墙”一词的涵义仅仅区别于“承重墙”，指不承担荷重的墙壁，一般

26、用于建筑物室内的隔墙。现在“幕墙”特指像帷幕一样安装在结构框架上、不承受荷重，只起围护作用的建筑物的外墙。幕墙结构对于建筑物的居间变形有足够的随从性，对于温度变形具有较强的吸收能力，承受风荷载的能力也较强，构件之间的变形接缝采用高弹性密封材料进行密封粘结，具有优良的密闭性、变形适应性、隔音性和耐火性。幕墙的大部分构件在工厂预制，在现场不需要搭设脚手架，采用简单易行的机械施工法或手工施工法即可将幕墙构件安装在躯体上。是非常适合高层建筑的墙体结构形式和材料。,35,近代高层建筑的出现，可以说得益于钢铁、玻璃、混凝土等建筑材料的产生。从结构形式上采用以钢材、或钢筋混凝土为承重材料的框架结构最为合理。

27、因为墙体不承受荷重，可以减小墙体的厚度，同时可以改变传统的砌筑方式，采用大块的板材挂在框架上，以减轻施工强度，在没有安装幕墙构件之前，楼板可以先行施工，这样借助于建筑物内的楼板即可进行幕墙的安装施工，不需要在建筑物外侧搭设脚手架，这一点正符合高层建筑的施工要求。 第二次世界大战之后，幕墙材料及构件开始大量用于高层建筑。最初采用幕墙结构的建筑物是纽约的联合国大厦，从此开始了高层建筑的幕墙时代。,36,用于幕墙构件的材料主要有以下几种： 1）铝合金幕墙 铝合金是最早应用于高层建筑的幕墙材料，在现代建筑中，铝合金还常常作为门窗材料。铝合金质量轻、表面光洁、不易被腐蚀，采用表面处理工艺可获得不同颜色的

28、铝合金，以满足建筑物立面美观性的要求。但是铝合金幕墙构件的成本较高。 2）玻璃幕墙 玻璃是在幕墙中使用最多的材料，玻璃表面光洁，给人以轻快感和机能美，纽约哥伦布圆环传媒中心大厦、休斯顿联盟银行等著名的高层建筑即采用玻璃幕墙材料，给人以现代化的印象和时代感。但是最近对于大面积外墙使用玻璃幕墙，有人提出了“光污染”的问题。由于高层建筑外墙面积大，大多处于繁华的街区，太阳光线的反射或折射作用，有时对行人或汽车驾驶员造成暄目和视觉盲区，引发交通事故。因此，今后反光性极强的玻璃幕墙应慎重使用。,37,3） 混凝土幕墙 迄今为止，混凝土材料很少用做幕墙构件，其原因是目前的混凝土材料很难达到所要求的尺寸精确

29、，安装施工也较难，同时，混凝土的加工性能和装饰效果较差，要加工成带外装修面，并带有开口等形状的混凝土幕墙构件，其制作成本较高，因此混凝土幕墙构件的价格往往高于金属和玻璃。因此在美国和欧洲，以金属、玻璃等材料的幕墙为主，制造混凝土幕墙构件的工厂很少，远远没有达到普遍使用的程度，仅限于个别部位，或满足特殊需要而少量使用。,38,3.3.4 用于高层建筑的结构材料 用于高层建筑的结构材料，其总体上的性能要求是质量轻、强度高、具有防火、耐火性，并且易于施工。到目前为止，用于高层建筑的结构材料仍以钢材、钢筋混凝土为主。其结构形式主要有钢结构（S结构）、钢筋混凝土结构（RC结构）、钢材和钢筋混凝土的组合结

30、构（SRC结构）。 1） 钢结构（S结构） 钢材的抗拉、抗压强度都很高，同时具有良好的抗冲击韧性，且加工和连接技术已经相当发达。因此，用钢材作为结构材料，构件的截面尺寸小，自重轻，建筑物的有效空间大，抗震性能好；钢结构构件工厂化生产程度高，施工简便快速。因此，其综合效益优于高层钢筋混凝土结构，特别是用于超高层建筑时钢材的优越性更为突出。至1996年，全世界119幢高度在200m以上的超高层建筑中，有75幢采用钢结构，占总数的63。世界前10名最高建筑中，有6座采用钢结构。,39,钢结构高层建筑在外观上也具有优势。钢结构的建筑物骨架纤细、轻巧，表现形式自由灵活，构件棱角分明，给人以力度感；钢材表

31、面具有一定的光泽，如果表面不覆盖其他材料，钢材直接暴露在外，给人以清洁感和明快感；钢材的颜色也可以根据需要和爱好自由选择。因此许多造型优美、外观华丽的超高层建筑都采用了钢结构。 钢结构高层建筑的最大弱点是耐火性差，钢材导热系数大在高温下容易软化、变形，强度降低，难以承担荷载。为解决钢结构高层建筑的防火、耐火问题，到目前开发的材料和结构形式有耐火钢、耐火涂料或耐火材料包覆，以及钢管内灌注防冻结和防腐蚀的液体、水冷钢管结构体系等。,40,水冷钢管结构体系是将用做柱和梁的钢管在端口处封闭组合，形成连通的体系，在内部充满水或溶液并已使之循环。这种结构在火灾发生时，可以利用钢管内的液体蒸发潜热抑制钢结构

32、骨架的温度上升，提高钢结构的耐火性能。 水冷钢管结构形式按内部水的循环方式分为自然循环式和机械循环式。自然循环式是在火灾发生时由被火灾加热了的钢管与送冷水的降水管形成循环系统，由于受热产生水温差或水分蒸发，因而产生压力，在此压力下，产生水的自然循环。用于补充水分蒸发的冷水塔设在建筑物的屋顶，如果骨架内容量较大，盛水量较多，也可以下设水塔。使用这种自然循环水冷系统的代表性建筑物是1970年建成的美国匹兹堡钢铁公司大厦和英国的Bush Lane House。匹兹堡大厦高度 256m，地上 64层，地下 3层，总使用面积 270000m2，是最早采用了自然循环水冷钢管结构体系的高层建筑例。采用这种水冷钢管系统，除了具有耐火性以外，还具有防止露出的钢骨由于日晒产生温度变形的作用。钢管内填充的液体主要是水，其次是用于防冻的碳酸钠，大约占总量的20-25，和少量用于防腐蚀硝酸钾（0.85）。,41,2） 钢筋混凝土结构（RC结构） 随着混凝土材料强