Hãy tưởng tượng bộ xương của các tòa nhà chọc trời, xương sống của cầu cống và nền móng của các cơ sở công nghiệp — tất cả đều dựa vào một vật liệu chắc chắn, đáng tin cậy: thép kết cấu. Ngành thép kết cấu của Mỹ, giống như các công trình mà nó hỗ trợ, đã trải qua các chu kỳ tăng trưởng và chuyển đổi của riêng mình. Phân tích này xem xét bối cảnh hiện tại, những thách thức và cơ hội mà ngành quan trọng của nền kinh tế quốc gia này đang đối mặt.
Ngành thép kết cấu Hoa Kỳ tạo thành một hệ sinh thái rộng lớn, phụ thuộc lẫn nhau bao gồm bốn thành phần chính cùng nhau hỗ trợ sự phát triển cơ sở hạ tầng của quốc gia:
- Nhà sản xuất thép: Sản xuất các hình dạng cán nóng (bao gồm dầm chữ I, tấm, kênh và góc) cũng như các bộ phận kết cấu rỗng (HSS, trước đây gọi là thép ống).
- Trung tâm dịch vụ: Hoạt động như nhà kho đồng thời cung cấp các dịch vụ tiền xử lý hạn chế trước khi thép được đưa vào sản xuất.
- Nhà chế tạo: Chuẩn bị vật lý thép kết cấu cho các tòa nhà hoặc cầu bằng cách sử dụng bản vẽ chi tiết từ thiết kế của kỹ sư kết cấu. Quá trình này bao gồm quản lý vật liệu, cắt, khoan, lắp ráp tại xưởng (bu lông và hàn), sơn hoặc mạ kẽm khi cần thiết và vận chuyển.
- Nhà lắp dựng: Lắp ráp các bộ phận thép kết cấu thành khung thông qua việc bu lông và hàn tại công trường, có thể ở công trường hoặc ngoài công trường theo tài liệu xây dựng.
Năm 2017, ngành này đã cung cấp khung thép chế tạo và lắp dựng cho hơn 10.000 tòa nhà, cầu và cơ sở công nghiệp — một sự sụt giảm đáng kể so với các năm đỉnh cao 2006-2007 khi gần 15.000 công trình được hoàn thành. Sự thu hẹp này phản ánh sự suy thoái rộng lớn hơn trong hoạt động xây dựng. Tổng số lao động trong ngành năm 2017 vượt quá 200.000 công nhân trên 2.300 công ty, giảm 15% so với mức năm 2006. Doanh thu hàng năm vượt quá 20 tỷ USD, với mức tăng trưởng 4% được dự kiến cho năm 2018 dựa trên xu hướng xây dựng phi nhà ở.
Sản xuất thép kết cấu của Hoa Kỳ tập trung vào một số ít nhà sản xuất lớn. Bốn công ty — Nucor-Yamato Steel/Nucor Berkeley, Gerdau, Steel Dynamics Inc. và Bayou Steel — chiếm hơn 95% sản lượng hình dạng cán nóng trong nước trên sáu nhà máy cán. Năm nhà sản xuất (bao gồm cả bốn công ty này) cung cấp các sản phẩm cán nóng bổ sung như góc và kênh. Đáng chú ý, tất cả thép kết cấu cán nóng đều sử dụng công nghệ lò hồ quang điện sử dụng kim loại phế liệu làm nguyên liệu chính, dẫn đến sản phẩm hoàn chỉnh chứa trung bình 93% vật liệu tái chế.
Thị trường bộ phận kết cấu rỗng (HSS) có nhiều nhà sản xuất hơn, với Atlas Tube và Nucor Tubular Products chiếm lĩnh 75% sản lượng HSS cấp xây dựng. Không giống như hình dạng cán nóng, HSS có nguồn gốc từ thép tấm được sản xuất thông qua lò oxy cơ bản hoặc lò hồ quang điện, cho ra hàm lượng tái chế lần lượt là 33% và 90%. Thị trường HSS trong nước năm 2017 đạt khoảng 1,6 triệu tấn.
Thép tấm — cần thiết cho cầu và tòa nhà — được sản xuất thông qua cả hai phương pháp lò, trung bình 75% hàm lượng tái chế trong các ứng dụng xây dựng. Các nhà cung cấp tấm lớn bao gồm ArcelorMittal, Nucor và SSAB, với nhu cầu ước tính của ngành xây dựng hàng năm là 700.000 tấn.
Được đặt tại các vị trí chiến lược trên toàn quốc, các trung tâm dịch vụ duy trì lượng tồn kho sản phẩm thép kết cấu từ hai đến ba tháng. Khoảng 65% lượng thép chảy qua các trung gian này trước khi đến tay nhà chế tạo, phần còn lại được vận chuyển trực tiếp từ nhà máy. Ngoài việc lưu trữ, các trung tâm cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng như cắt và làm thẳng để hợp lý hóa quy trình chế tạo.
Hơn 1.700 công ty chế tạo của Hoa Kỳ biến đổi thiết kế kỹ thuật thành các khung kết cấu thông qua một quy trình tỉ mỉ:
- Phát triển bản vẽ chi tiết từ bản vẽ kết cấu
- Quản lý việc mua sắm vật liệu và hậu cần
- Các hoạt động cắt và khoan chính xác
- Lắp ráp tại xưởng thông qua bu lông và hàn
- Xử lý bề mặt (sơn/mạ kẽm)
- Vận chuyển theo trình tự đến công trường xây dựng
Nhà chế tạo điển hình hoạt động như một doanh nghiệp gia đình sử dụng 10-100 nhân viên trong nhiều vai trò khác nhau — từ kỹ sư và thợ hàn đến thanh tra và lái xe. Quy mô dự án dao động từ các công trình bán lẻ nhỏ (vài tấn) đến các tòa nhà cao tầng hoặc cầu lớn (hàng nghìn tấn). Các tiêu chuẩn ngành cho thấy 200 feet vuông diện tích tòa nhà cần một tấn thép, với 15-30 giờ làm việc tại xưởng cho mỗi tấn. Chi phí vật liệu chiếm 25-30% tổng chi phí dự án.
Các đội lắp dựng — thường làm việc theo hợp đồng với nhà chế tạo — thực hiện việc lắp ráp cuối cùng có thể nhìn thấy được. Công việc của họ đòi hỏi trình tự chính xác để duy trì sự ổn định của kết cấu trong quá trình xây dựng đồng thời đáp ứng các dung sai căn chỉnh nghiêm ngặt. Những tiến bộ về an toàn đã làm giảm đáng kể tỷ lệ tai nạn. Trong xây dựng cầu, các kỹ thuật xây dựng tăng tốc (ABC) sử dụng các bộ phận lắp ghép sẵn hiện đang rút ngắn thời gian dự án đồng thời nâng cao an toàn cho người lao động và công chúng.
Thép kết cấu duy trì vị thế là vật liệu xây dựng xanh hàng đầu, với ngành đang tích cực giảm thiểu tác động môi trường. Kể từ năm 1990, các nhà sản xuất thép Hoa Kỳ đã giảm 36% lượng khí thải carbon trên mỗi tấn và giảm 31% cường độ năng lượng — vượt xa các mục tiêu của Nghị định thư Kyoto. Ngành này dẫn đầu về tái chế vật liệu, với các dầm và cột kết cấu chứa 93% hàm lượng tái chế và tỷ lệ tái chế 98% khi hết vòng đời.
Thép kết cấu chiếm lĩnh 46% thị trường xây dựng phi nhà ở và nhà ở nhiều tầng của Hoa Kỳ (2017), vượt qua tỷ lệ 34% của bê tông. Tuy nhiên, các mô hình xây dựng thay đổi kể từ năm 2011 đã làm xói mòn nhẹ vị thế tổng thể của thép. Các phân khúc nhu cầu chính bao gồm:
- Các công trình phi nhà ở (40% nhu cầu): sân vận động, nhà máy điện, nhà máy lọc dầu
- Các ứng dụng phi kết cấu (15%): kệ, thiết bị vận tải
- Xây dựng cầu (6%): chủ yếu sử dụng thép tấm thay vì hình dạng
Sản lượng cán nóng trong nước đạt 6,1 triệu tấn vào năm 2017 (8% xuất khẩu), với 440.000 tấn là hình dạng cánh rộng. Áp lực nhập khẩu đã gia tăng — 21% thép kết cấu của Hoa Kỳ hiện có nguồn gốc từ nước ngoài, bao gồm 14% thép chế tạo lắp dựng. Cạnh tranh nước ngoài được trợ cấp đặt ra những thách thức đáng kể cho các nhà sản xuất trong nước.
Những cải tiến về năng suất đã giảm đáng kể yêu cầu lao động — từ 12 giờ mỗi tấn vào năm 1980 xuống chỉ còn 0,6 giờ ngày nay. Thuế quan Mục 232 năm 2018 (25% đối với thép cán nhập khẩu) đã làm tăng chi phí vật liệu trong nước, mặc dù tác động đầy đủ đến hoạt động xây dựng vẫn chưa chắc chắn trong bối cảnh lạm phát giá vật liệu rộng hơn.
Các dự án cầu tuân theo các mốc thời gian độc đáo liên quan đến đánh giá môi trường, sự tham gia của công chúng và phê duyệt lập pháp trước khi thiết kế và đấu thầu. Nhiều tiểu bang hiện nay dựa vào các nhà tư vấn cho công việc thiết kế do giảm nhân viên kỹ thuật. Thép chịu thời tiết đã trở nên phổ biến hơn về khả năng chống ăn mòn ở những nơi điều kiện môi trường cho phép, mang lại tiết kiệm chi phí vòng đời. Nguồn vốn thường kết hợp doanh thu của tiểu bang/liên bang với thu nhập từ phí cầu đường hoặc quan hệ đối tác công tư (P3).
Chương trình Chứng nhận AISC — tương tự như tiêu chuẩn ISO nhưng được điều chỉnh cho ngành chế tạo thép — kiểm toán hàng năm các nhà sản xuất tham gia để xác minh tuân thủ các tiêu chuẩn chất lượng ngành đối với quy trình, thiết bị và nhân sự.
Mặc dù đối mặt với cạnh tranh nhập khẩu, biến động vật liệu và tình trạng thiếu lao động, ngành thép kết cấu đang sẵn sàng tăng trưởng trong bối cảnh đổi mới cơ sở hạ tầng và xu hướng đô thị hóa. Lợi thế bền vững vốn có của nó định vị thép là vật liệu được lựa chọn cho các sáng kiến xây dựng xanh. Sự đổi mới liên tục, tăng năng suất và quan hệ đối tác hợp tác với các chuyên gia thiết kế/xây dựng sẽ rất quan trọng để duy trì vai trò thiết yếu của ngành trong việc định hình môi trường xây dựng của Mỹ.
