中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
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為了闡述現代鋼結構和綠色建筑的特征，結合點(diǎn)評國內外大型鋼結構工程，說(shuō)明優(yōu)良的鋼結構才是綠色建筑。關(guān)于現代結構，美國著(zhù)名結構大師、康乃爾大學(xué)L.C Urquhart教授有如下一段精彩論述：Modern structural engineering tends to progress toward more economic structures through gradually improved methods of design and the use of higher strength materials.This results in a reduction of cross-sectional dimensions and consequent weight savings.
由于鋼材具有較高的強度，因此，由型鋼(含鋼板)和高強鋼絲等組合連接(焊接、高強螺栓)而成的鋼結構骨架，就具有綠色建筑的特質(zhì)。鋼結構固有的三大核心價(jià)值：最輕的結構;最短的工期;最好的延性。在建筑全壽命周期內，最大限度地節約，最輕的結構假想強度受壓高度(節能、節地、節水、節材)，保護環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適應和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑。綠色建筑為人類(lèi)提供一個(gè)健康、舒適的活動(dòng)空間，同時(shí)最高效率地利用能源、最低限度地最短的工期工廠(chǎng)焊接、工地高強螺栓拼裝影響環(huán)境的建筑物。節約能源;建筑適應氣候;材料資源的再生利用;尊重用戶(hù);尊重地理環(huán)境;整體的設計觀(guān)。
1991年蘭達·維爾和羅伯特·維爾合著(zhù)《綠色建筑——為可持續發(fā)展而設計》一書(shū)。發(fā)達國家探索可持續建筑之路，名為“綠色建筑挑戰”，即采用新材料、新技術(shù)、新設計方法、新設備、新工藝，實(shí)行綜合化設計，使建筑在滿(mǎn)足功能時(shí)所耗資源、能源最少。最偉大的美國建筑、結構大師富勒(Fuller)提出結構哲理：少(費)多(用)——以最少的結構提供最大的承載力(Doing the Most with the Least)。
鋼結構節材是綠色建筑最重要的內容，是結構工程師一生追求的光榮事業(yè)，然而我國所謂的綠色建筑政策，僅指建筑墻體的節能、太陽(yáng)能利用等，而對鋼結構骨架的節材幾乎閉口不談。這樣，就導致我國不少大型鋼結構的笨重和怪異。目前，我國設計與施工的現狀是：“設計”創(chuàng )造困難，“施工”也要上。優(yōu)良的鋼結構才是綠色建筑，優(yōu)良的鋼結構必須是結構骨架節材，墻體節能，最大限度地滿(mǎn)足功能，最低限度地影響環(huán)境，為人們提供健康，舒適的活動(dòng)空間。并能在建筑全壽命周期內，滿(mǎn)足可持續發(fā)展理念。
在高層全鋼結構和大跨度鋼屋蓋中，100多年來(lái)，先進(jìn)國家大量采用鋼結構(日本的鋼結構數量已超過(guò)70%)，并能基本上實(shí)現鋼結構固有的三大核心價(jià)值。世界高層全鋼結構前三名都在美國，其中，有座建筑的箱形柱截面僅450毫米×450毫米，厚度7.5毫米~12.5毫米;下面柱距加大，未設轉換層;吊裝件高三層樓，全部采用高強螺栓現場(chǎng)拼裝，與我國幾乎100%的現場(chǎng)焊接拼裝形成鮮明的對比。根據文獻：“結構體系的優(yōu)秀性與G/P成反比(G—鋼材用量，P —建筑總重)，一般是：優(yōu)秀設計G/P=0.2~0.3;平庸設計G/P=0.4~0.5;拙劣設計G/P=0.6~0.7”。世界最先進(jìn)的大跨度屋蓋結構——美國喬治亞穹頂(Georgia Dome)，1996年第26屆奧運會(huì )主場(chǎng)館橢圓平面240.79米×192.02米，(屋頂+外環(huán))用鋼量達到先進(jìn)水平。
改革開(kāi)放以來(lái)，我國鋼結構建筑發(fā)展迅速。但也產(chǎn)生了不少笨重、怪異的鋼結構，與綠色建筑相佐。沈祖炎院士在《影響中國——第二屆中國鋼結構產(chǎn)業(yè)高峰論壇》的主題報告中嚴正指出：“近年來(lái)涌現的與輕、快、好、省理念背道而馳的技術(shù)現狀令人擔擾”。中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )姚兵會(huì )長(cháng)在《影響中國——第二屆中國鋼結構產(chǎn)業(yè)高峰論壇》大會(huì )上的講話(huà)也指出：“鋼結構不是說(shuō)體量有多大，或者說(shuō)要多用鋼，而是說(shuō)要合理用鋼，并不是把鋼結構建筑建成鋼結構碉堡”。上海浦東機場(chǎng)是一座優(yōu)秀的鋼結構建筑，張弦梁(String beam)屬于屋蓋彎矩結構(Moment-Resisting Structures)，它的跨度都未超過(guò)100米，說(shuō)明結構方案好。它把結構力度與建筑的空間藝術(shù)美有機地結合起來(lái)，即袒露具有美學(xué)價(jià)值的結構部分—— 自然地顯示結構，達到巧奪天工的震憾效果。成都雙流國際機場(chǎng)，也是一個(gè)成功的作品。旅客置身其中，感到輕快，轉角處理簡(jiǎn)潔。
現代鋼結構設計最關(guān)鍵的兩大步驟——正確選擇結構方案和正確估計結構的截面高度，鋼結構精心設計一般有四大步驟：結構方案(概念設計);結構截面高度;構件布局(短程傳力、形態(tài)學(xué)與拓樸原理);結點(diǎn)(node)小型化。其中，結構方案、結構截面高度極為重要。為了正確選擇結構方案(概念設計)，必須首先進(jìn)行結構分類(lèi)。屋蓋空間結構是一種由形狀而產(chǎn)生效益的結構，也叫形效結構(Formative Structures)，這類(lèi)結構的用鋼量很少。因此，大跨度屋蓋(直徑D或跨度L≥100米)必須采用屋蓋空間結構;屋蓋彎矩結構的用鋼量按跨度的平方成正比增加，只能用于中、小跨度中。廣東奧林匹克體育場(chǎng)(桁架)懸臂52.4米，每平方米用鋼量200公斤(屋蓋彎矩結構);美國喬治亞體育館(索穹頂) 橢圓240.79米×192.02米，每平方米用鋼量30公斤(屋蓋空間結構);國家大劇院(網(wǎng)殼)橢圓平面212米×143米，每平方米用鋼量292公斤(屋蓋空間結構);深圳寶安體育館輻射桁架，D=101.4米，懸臂48.295米每平方米用鋼量68公斤(屋蓋彎矩結構);湛江電廠(chǎng)干煤棚(四柱支承平板網(wǎng)架，柱距79.8米)每平方米用鋼量70.3公斤(屋蓋彎矩結構)。
對于重屋面，h的取值可增大;適用跨度(L或D)可減少。下面對一些鋼結構工程進(jìn)行點(diǎn)評。深圳寶安體育館采用徑向管桁架結構(相貫節點(diǎn))，實(shí)現了中央節點(diǎn)小型化?？缍菵=101.4米，最大懸壁48.295米，法國建筑師(方案中標者)認為：桁架懸挑處的高度取5米(=L/10)才美觀(guān)，經(jīng)過(guò)作者力爭，最后采用6.5米，它是懸臂長(cháng)度的1/7.43>1/7.5，用鋼量?jì)H每平方米68公斤。為了發(fā)揮萬(wàn)向支座的剛度系數3kN/mm，支座圈內的下弦桿起拱，受力更合理，更醒目。國家大劇院，橢圓平面：212米×143米，跨度>100米，結構方案選擇網(wǎng)殼(屋蓋空間結構)是正確。但在上機前，把結構的截面高度選得太大，用鋼量高達每平方米292公斤，根據美國教授司密斯(Smith M.G)1963年對166個(gè)已建大跨度屋蓋(11種)進(jìn)行分析，這種跨度的網(wǎng)殼結構用鋼量不超過(guò)每平方米80公斤。廣東奧林匹克體育場(chǎng)的建筑理念是：珠江的水、波濤滾滾，美國Nixon Ellerbe Racket公司中標。主桁架MT懸臂L=52.4米，用鋼量高達每平方米200公斤。為了減少桁架弦桿的應力：具體措施是：將原主桁架MT的等高度 h=5.2米改為變高度：h=3米~7米桁架;將MT弦桿開(kāi)口型H截面：H 570×450×125×125改為閉口圓鋼管，有效提高f值;用弱支撐連接兩片“波濤”，以滿(mǎn)足抗震的兩階段設計：“小震”時(shí)弱支撐不壞，整體剛度好; “大震”時(shí)，支撐壞，剛度降低，地震力減小，整個(gè)結構不倒;拉索由2-337 7改為2-150 7，把索的安全系數控制在2.5~3。ff通過(guò)上述四點(diǎn)改進(jìn)，用鋼量可由原每平方米200公斤降低到約每平方米80公斤。北京某客站一個(gè)結構跨度 L=45.6米<100米，選擇用預應力鋼桁架方案是正確的，但桁架高度h=8米=L/5.7就選錯了，預應力鋼桁架的合理高度取h=L/18~h /15=2.53米~3.04米即可。即使普通鋼桁架，高度取h=L/12~L/10=3.80米~4.56米?？梢?jiàn)，設計是硬道理，“硬”設計就沒(méi)有道理!硬道理在哪里?就是結構工程師要利用力學(xué)功底和結構理論正確選擇結構方案，并在上計算機前，正確估計結構截面高度。否則，一旦結構截面高度選錯，后續的所謂優(yōu)化也是幾乎無(wú)用的。因此，鋼結構精心設計的最關(guān)鍵的兩步，對結構工程師來(lái)說(shuō)極為重要。（作者：廣東省空間結構學(xué)會(huì )會(huì )長(cháng)、華南理工大學(xué)教授 王仕統）
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