中國建筑金屬結構協(xié)會
建筑鋼結構分會主辦
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建筑鋼結構分會主辦
為了闡述現(xiàn)代鋼結構和綠色建筑的特征，結合點評國內(nèi)外大型鋼結構工程，說明優(yōu)良的鋼結構才是綠色建筑。關于現(xiàn)代結構，美國著名結構大師、康乃爾大學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(nèi)，最大限度地節(jié)約，最輕的結構假想強度受壓高度(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)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。綠色建筑為人類提供一個健康、舒適的活動空間，同時最高效率地利用能源、最低限度地最短的工期工廠焊接、工地高強螺栓拼裝影響環(huán)境的建筑物。節(jié)約能源;建筑適應氣候;材料資源的再生利用;尊重用戶;尊重地理環(huán)境;整體的設計觀。
1991年蘭達·維爾和羅伯特·維爾合著《綠色建筑——為可持續(xù)發(fā)展而設計》一書。發(fā)達國家探索可持續(xù)建筑之路，名為“綠色建筑挑戰(zhàn)”，即采用新材料、新技術、新設計方法、新設備、新工藝，實行綜合化設計，使建筑在滿足功能時所耗資源、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(jié)材是綠色建筑最重要的內(nèi)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(jié)能、太陽能利用等，而對鋼結構骨架的節(jié)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(xiàn)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(jié)材，墻體節(jié)能，最大限度地滿足功能，最低限度地影響環(huán)境，為人們提供健康，舒適的活動空間。并能在建筑全壽命周期內(nèi)，滿足可持續(xù)發(fā)展理念。
在高層全鋼結構和大跨度鋼屋蓋中，100多年來，先進國家大量采用鋼結構(日本的鋼結構數(shù)量已超過70%)，并能基本上實現(xiàn)鋼結構固有的三大核心價值。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(zhuǎn)換層;吊裝件高三層樓，全部采用高強螺栓現(xiàn)場拼裝，與我國幾乎100%的現(xiàn)場焊接拼裝形成鮮明的對比。根據(jù)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屆奧運會主場館橢圓平面240.79米×192.02米，(屋頂+外環(huán))用鋼量達到先進水平。
改革開放以來，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：“近年來涌現(xiàn)的與輕、快、好、省理念背道而馳的技術現(xiàn)狀令人擔擾”。中國建筑金屬結構協(xié)會姚兵會長在《影響中國——第二屆中國鋼結構產(chǎn)業(yè)高峰論壇》大會上的講話也指出：“鋼結構不是說體量有多大，或者說要多用鋼，而是說要合理用鋼，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100米，說明結構方案好。它把結構力度與建筑的空間藝術美有機地結合起來，即袒露具有美學價值的結構部分—— 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，也是一個成功的作品。旅客置身其中，感到輕快，轉(zhuǎn)角處理簡潔。
現(xiàn)代鋼結構設計最關鍵的兩大步驟——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)學與拓樸原理);結點(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)，必須首先進行結構分類。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(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行點評。深圳寶安體育館采用徑向管桁架結構(相貫節(jié)點)，實現(xiàn)了中央節(jié)點小型化。跨度D=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，經(jīng)過作者力爭，最后采用6.5米，它是懸臂長度的1/7.43>1/7.5，用鋼量僅每平方米68公斤。為了發(fā)揮萬向支座的剛度系數(shù)3kN/mm，支座圈內(nèi)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(jù)美國教授司密斯(Smith M.G)1963年對166個已建大跨度屋蓋(11種)進行分析，這種跨度的網(wǎng)殼結構用鋼量不超過每平方米80公斤。廣東奧林匹克體育場的建筑理念是：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”，以滿足抗震的兩階段設計：“小震”時弱支撐不壞，整體剛度好; “大震”時，支撐壞，剛度降低，地震力減小，整個結構不倒;拉索由2-337 7改為2-150 7，把索的安全系數(shù)控制在2.5~3。ff通過上述四點改進，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?？梢姡O計是硬道理，“硬”設計就沒有道理!硬道理在哪里?就是結構工程師要利用力學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(xù)的所謂優(yōu)化也是幾乎無用的。因此，鋼結構精心設計的最關鍵的兩步，對結構工程師來說極為重要。（作者：廣東省空間結構學會會長、華南理工大學教授 王仕統(tǒng)）
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