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空間結(jié)構(gòu)新分類，實(shí)現(xiàn)大跨度鋼屋蓋輕量化

作者：王仕統(tǒng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)包括設(shè)計(jì)與施工（制造、安裝）。設(shè)計(jì)的好壞，直接關(guān)系到節(jié)能和施工的艱難程度。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)被迫自主創(chuàng)新：高強(qiáng)鋼（Q460）厚板（130mm）的焊接和重件（600t~800t）吊裝技術(shù)等都取得了巨大成功
    鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)包括設(shè)計(jì)與施工（制造、安裝）。設(shè)計(jì)的好壞，直接關(guān)系到節(jié)能和施工的艱難程度。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)被迫自主創(chuàng)新：高強(qiáng)鋼（Q460）厚板（130mm）的焊接和重件（600t~800t）吊裝技術(shù)等都取得了巨大成功。為此，我們必須首先向鋼結(jié)構(gòu)施工戰(zhàn)線上的工程技術(shù)人員和工人們的艱辛勞動(dòng)表示崇高的敬意！說(shuō)明中國(guó)人民是一個(gè)“一不怕苦，二不怕死”的民族，中國(guó)人沒(méi)有干不了的事情！但是也必須清楚的看到，當(dāng)前，我國(guó)大跨度輕屋面鋼屋蓋的重量也實(shí)在太笨重了，一是說(shuō)明建筑工程設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)素質(zhì)有待提高，二是說(shuō)明建筑、結(jié)構(gòu)的方案選擇有問(wèn)題，不滿足力學(xué)、結(jié)構(gòu)原理。本文提出的空間結(jié)構(gòu)新分類，就試圖談?wù)勥@個(gè)問(wèn)題。
    1. 一、二、三維結(jié)構(gòu)傳力體系
    圖1所示最熟悉RC結(jié)構(gòu)的一、二、三維結(jié)構(gòu)傳力體系?？梢?jiàn)，梁、板為彎矩結(jié)構(gòu)（Moment-Resisting Structures），殼體主要為軸力結(jié)構(gòu)（Axial Force-Resisting Structures）——屋蓋空間結(jié)構(gòu)。由圖1c所示，雖然扁殼的跨度為梁、板結(jié)構(gòu)的10倍，然而，扁殼的厚度h仍比梁、板厚度小得多。可見(jiàn)，屋蓋空間結(jié)構(gòu)是一種由于形狀而產(chǎn)生效益的結(jié)構(gòu)，因此它又叫形效結(jié)構(gòu)（Formative Structures）。自然界中的生物為生存而斗爭(zhēng)，創(chuàng)造了許許多多安全、輕巧、適用、美觀的空間結(jié)構(gòu)，如貝殼——薄殼結(jié)構(gòu)（圖2a）；蜂?——網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（圖2b）；蜘蛛網(wǎng)——索網(wǎng)結(jié)構(gòu)（圖2c）；肥皂泡——充氣結(jié)構(gòu)(圖2d)等。因此，屋蓋空間結(jié)構(gòu)又被稱為仿生結(jié)構(gòu)（Bionics）?？上攵?，若生物結(jié)構(gòu)笨重之極，不減肥，如何生存？！


    由于空間結(jié)構(gòu)的科技含量較高，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)時(shí)，要求結(jié)構(gòu)工程師具有比一般結(jié)構(gòu)分析更高的力學(xué)、數(shù)學(xué)功底。世界各國(guó)對(duì)屋蓋空間結(jié)構(gòu)的研究和發(fā)展極為重視，如世界奧運(yùn)會(huì)、國(guó)際博覽會(huì)、大會(huì) 堂和飛機(jī)庫(kù)等大跨度屋蓋，都力爭(zhēng)采用屋蓋空間結(jié)構(gòu)，展示該國(guó)先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)。隨著現(xiàn)代鋼材和現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的高新化、社會(huì)生活和生產(chǎn)的不斷進(jìn)步，唯有屋蓋空間結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)用料最少，輕盈地跨越大空間，可以說(shuō)，屋蓋空間結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用水平是衡量一個(gè)國(guó)家建筑科技水平高低的重要標(biāo)志之一。
    由上可見(jiàn)，屋蓋空間結(jié)構(gòu)具有三大特點(diǎn)——曲面空間狀（有封閉邊緣構(gòu)件）、三維軸向傳力、用料很經(jīng)濟(jì)。圖3所示六個(gè)屋蓋空間結(jié)構(gòu)，其中圖3a、b所示兩個(gè) RC薄殼屋蓋：北京網(wǎng)球館和法國(guó)巴黎國(guó)家工業(yè)技術(shù)展覽中心（1959）。它們的跨厚比L / h比雞蛋殼的 =40mm/0.4mm=100倍還要大得多，說(shuō)明人類大腦智慧的巨大創(chuàng)造力。圖3c所示，世界第一個(gè)具有現(xiàn)代競(jìng)技的大跨度扭索網(wǎng)結(jié)構(gòu)（1952年），用鋼量30?/?。圖3d、e為準(zhǔn)張拉整體體系，即準(zhǔn)Tensegrity，它是當(dāng)今世界公認(rèn)的大跨度屋蓋空間結(jié)構(gòu)用鋼量最少、科技含量最高的結(jié)構(gòu)之一。

    文獻(xiàn)[4]P267指出：“對(duì)于跨度超過(guò)100英尺（100×12×0.0254m=30.48m）的結(jié)構(gòu)，用拱、懸索和薄殼等形式的曲線型構(gòu)件所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系往往要比較經(jīng)濟(jì)”。作者認(rèn)為：大跨度輕屋面屋蓋的結(jié)構(gòu)方案應(yīng)首選屋蓋空間結(jié)構(gòu)。然而，北京中軸線的三個(gè)大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)——鳥(niǎo)巢“Bride’s Nest”（無(wú)序就是藝術(shù)）、國(guó)家體育館和“水立方”（水泡理論），均未采用屋蓋空間結(jié)構(gòu)（軸力結(jié)構(gòu)）。它們的結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。
    國(guó)家游泳中心“水立方”[5]（The National Swimming Center “Water Cube”，澳大利亞PTW建筑事務(wù)所中標(biāo)，圖4c）。立方尺寸：176.5389m×176.5389m×29.3786m其中：比賽大廳平面：126m×117m,屋蓋厚度： =7.211m (與平板網(wǎng)架的厚度取值一致：h=(117m/18~117m/15=6.5m-7.8m)，墻體厚度3.472m和5.876m。根據(jù)Kelvin“泡沫”（“Foam”）理論命題：將三維空間分為若干小部分，要求每個(gè)小部分的體積相同，且接觸面積最小，這些小部分應(yīng)該是什么形狀？“水立方”由6個(gè)14面體和2個(gè)12面體合成的基本單元體，經(jīng)旋轉(zhuǎn)、切割等復(fù)雜計(jì)算后成為屋蓋和墻體結(jié)構(gòu)，這種形而上學(xué)的所謂泡沫理論命題與結(jié)構(gòu)原理毫無(wú)共同之處，是簡(jiǎn)單問(wèn)題復(fù)雜化（設(shè)計(jì)與施工）的花錢結(jié)構(gòu)，其受力本質(zhì)仍然是雙向彎曲的平板網(wǎng)架。若按平板網(wǎng)架設(shè)計(jì)，用“泡沫”單元體裝修，則可節(jié)約大量的鋼材、膜材和施工費(fèi)用等，且便于單元體折換和清洗。只有這樣，才符合黨的十七大精神：科學(xué)發(fā)展、降低消耗、又好又快。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為：最“簡(jiǎn)單”的結(jié)構(gòu)往往是一個(gè)“最好”的結(jié)構(gòu)，本人對(duì)此也有相同的觀點(diǎn)[7]。

    2.結(jié)構(gòu)的演變和屋蓋空間結(jié)構(gòu)的分類(表1、圖6)
    圖5可見(jiàn)，對(duì)中、小跨度的屋蓋結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，選擇彎矩結(jié)構(gòu)是理所當(dāng)然的，為了提高結(jié)構(gòu)的承載力和剛度，采用“材料遠(yuǎn)離中和軸”原則和“格構(gòu)化”原則等，是為聰明之舉，即通道1（Path 1）設(shè)計(jì)大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)必須經(jīng)過(guò)通道2、3演變，發(fā)揮結(jié)構(gòu)工程師結(jié)構(gòu)選型的力學(xué)智慧，選出屋蓋空間結(jié)構(gòu)的最優(yōu)方案（三維軸向短程傳力）。



    3.小結(jié)
    鋼結(jié)構(gòu)的三大主要優(yōu)點(diǎn)是：最輕的結(jié)構(gòu)、最好的延性和最短的工期，這些優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)致最優(yōu)的結(jié)構(gòu)抗震性能。因此，在大跨度鋼屋蓋和超高層鋼結(jié)構(gòu)中，先進(jìn)國(guó)家大量采用鋼結(jié)構(gòu)，并能基本上實(shí)現(xiàn)了以上三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)水平是個(gè)關(guān)鍵，而精心設(shè)計(jì)的第1步就是正確選擇結(jié)構(gòu)方案（概念設(shè)計(jì)）[11][12]，否則，“設(shè)計(jì)”出來(lái)的結(jié)構(gòu)不僅笨重、浪費(fèi)鋼材、也直接導(dǎo)致十分艱難的施工，造成財(cái)力和人力的巨大浪費(fèi)。設(shè)計(jì)是硬道理，“硬”設(shè)計(jì)就沒(méi)有道理[7]。硬道理在哪里？就是利用力學(xué)準(zhǔn)則正確選擇結(jié)構(gòu)方案。選錯(cuò)方案，優(yōu)化是無(wú)用的。因此，本人提出空間結(jié)構(gòu)新分類，并強(qiáng)調(diào)：為了實(shí)現(xiàn)大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)輕量化，必須力爭(zhēng)采用屋蓋空間結(jié)構(gòu)。

    參考文獻(xiàn)
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    [2] 沈世釗、徐崇寶、趙　臣、武　岳，懸索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（第二版），中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006年1月
    [3] 劉錫良，現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)，天津大學(xué)出版社，2003年6月
    [4] [美]T. Y. Lin(林同炎)、S. D. Stotesbury(斯多臺(tái)斯伯利)著，高立人、方鄂華、錢稼茹譯，結(jié)構(gòu)概念和體系（第二版）,Structural Concepts and Systems for Architects and Engineers(Second Edition， 1988)，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999年
    [5] 傅學(xué)怡、顧 磊、楊先橋、余衛(wèi)江，國(guó)家游泳中心“水立方”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2005年第6期
    [6] 錢若軍、楊聯(lián)萍，張力結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計(jì)與施工，東南大學(xué)出版社，2003年9月
    [7] 中國(guó)工程院土木水利與建筑學(xué)部、中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)、中國(guó)建筑學(xué)會(huì)，我國(guó)大型建筑工程設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，工程科技論壇文集，2005年5月27日北京
    [8] 董石麟、陳興剛，鳥(niǎo)巢形網(wǎng)架的構(gòu)形、受力特性和簡(jiǎn)化計(jì)算方法，建筑結(jié)構(gòu)，2003年第10期
    [9] 范　重、劉先明、范學(xué)偉、胡天兵、王　?，國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化技術(shù)，第五屆全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)（工業(yè)建筑，2005年增刊）
    [10]楊 郡、王 更、成會(huì)斌、崔 嵬、秦 杰，國(guó)家體育館雙向張弦鋼屋蓋施工技術(shù)，施工技術(shù)，2006年11月第35卷增刊
    [11]王仕統(tǒng)，淺談鋼結(jié)構(gòu)的精心設(shè)計(jì)（特邀報(bào)告），第三屆全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集（工業(yè)建筑2003年增刊）
    [12]王仕統(tǒng)，衡量大跨度空間結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的五個(gè)指標(biāo)，空間結(jié)構(gòu)，2003年3月第1期
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