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王仕統(tǒng):優(yōu)良的鋼結(jié)構(gòu)才是綠色建筑

作者:王仕統(tǒng)    
時(shí)間:2012-07-06 11:05:46 [收藏]
    為了闡述現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)和綠色建筑的特征,結(jié)合點(diǎn)評(píng)國(guó)內(nèi)外大型鋼結(jié)構(gòu)工程,說明優(yōu)良的鋼結(jié)構(gòu)才是綠色建筑。關(guān)于現(xiàn)代結(jié)構(gòu),美國(guó)著名結(jié)構(gòu)大師、康乃爾大學(xué)L.C Urquhart教授有如下一段精彩論述:Moder
    關(guān)鍵詞:


        為了闡述現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)和綠色建筑的特征,結(jié)合點(diǎn)評(píng)國(guó)內(nèi)外大型鋼結(jié)構(gòu)工程,說明優(yōu)良的鋼結(jié)構(gòu)才是綠色建筑。關(guān)于現(xiàn)代結(jié)構(gòu),美國(guó)著名結(jié)構(gòu)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(qiáng)度,因此,由型鋼(含鋼板)和高強(qiáng)鋼絲等組合連接(焊接、高強(qiáng)螺栓)而成的鋼結(jié)構(gòu)骨架,就具有綠色建筑的特質(zhì)。鋼結(jié)構(gòu)固有的三大核心價(jià)值:最輕的結(jié)構(gòu);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(jié)構(gòu)假想強(qiáng)度受壓高度(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材),保護(hù)環(huán)境和減少污染,為人們提供健康、適應(yīng)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(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焊接、工地高強(qiáng)螺栓拼裝影響環(huán)境的建筑物。節(jié)約能源;建筑適應(yīng)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(shè)計(jì)觀。

         1991年蘭達(dá)·維爾和羅伯特·維爾合著《綠色建筑——為可持續(xù)發(fā)展而設(shè)計(jì)》一書。發(fā)達(dá)國(guó)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(shù)、新設(shè)計(jì)方法、新設(shè)備、新工藝,實(shí)行綜合化設(shè)計(jì),使建筑在滿足功能時(shí)所耗資源、能源最少。最偉大的美國(guó)建筑、結(jié)構(gòu)大師富勒(Fuller)提出結(jié)構(gòu)哲理:少(費(fèi))多(用)——以最少的結(jié)構(gòu)提供最大的承載力(Doing the Most with the Least)。

          鋼結(jié)構(gòu)節(jié)材是綠色建筑最重要的內(nèi)容,是結(jié)構(gòu)工程師一生追求的光榮事業(yè),然而我國(guó)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(duì)鋼結(jié)構(gòu)骨架的節(jié)材幾乎閉口不談。這樣,就導(dǎo)致我國(guó)不少大型鋼結(jié)構(gòu)的笨重和怪異。目前,我國(guó)設(shè)計(jì)與施工的現(xiàn)狀是:“設(shè)計(jì)”創(chuàng)造困難,“施工”也要上。優(yōu)良的鋼結(jié)構(gòu)才是綠色建筑,優(yōu)良的鋼結(jié)構(gòu)必須是結(jié)構(gòu)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(dòng)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(jié)構(gòu)和大跨度鋼屋蓋中,100多年來,先進(jìn)國(guó)家大量采用鋼結(jié)構(gòu)(日本的鋼結(jié)構(gòu)數(shù)量已超過70%),并能基本上實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)固有的三大核心價(jià)值。世界高層全鋼結(jié)構(gòu)前三名都在美國(guó),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(shè)轉(zhuǎn)換層;吊裝件高三層樓,全部采用高強(qiáng)螺栓現(xiàn)場(chǎng)拼裝,與我國(guó)幾乎100%的現(xiàn)場(chǎng)焊接拼裝形成鮮明的對(duì)比。根據(jù)文獻(xiàn):“結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)G/P=0.2~0.3;平庸設(shè)計(jì)G/P=0.4~0.5;拙劣設(shè)計(jì)G/P=0.6~0.7”。世界最先進(jìn)的大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)——美國(guó)喬治亞穹頂(Georgia Dome),1996年第26屆奧運(yùn)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(dá)到先進(jìn)水平。

         改革開放以來,我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展迅速。但也產(chǎn)生了不少笨重、怪異的鋼結(jié)構(gòu),與綠色建筑相佐。沈祖炎院士在《影響中國(guó)——第二屆中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)高峰論壇》的主題報(bào)告中嚴(yán)正指出:“近年來涌現(xiàn)的與輕、快、好、省理念背道而馳的技術(shù)現(xiàn)狀令人擔(dān)擾”。中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)姚兵會(huì)長(zhǎng)在《影響中國(guó)——第二屆中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)高峰論壇》大會(huì)上的講話也指出:“鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)建筑建成鋼結(jié)構(gòu)碉堡”。上海浦東機(jī)場(chǎng)是一座優(yōu)秀的鋼結(jié)構(gòu)建筑,張弦梁(String beam)屬于屋蓋彎矩結(jié)構(gòu)(Moment-Resisting Structures),它的跨度都未超過100米,說明結(jié)構(gòu)方案好。它把結(jié)構(gòu)力度與建筑的空間藝術(shù)美有機(jī)地結(jié)合起來,即袒露具有美學(xué)價(jià)值的結(jié)構(gòu)部分—— 自然地顯示結(jié)構(gòu),達(dá)到巧奪天工的震憾效果。成都雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng),也是一個(gè)成功的作品。旅客置身其中,感到輕快,轉(zhuǎn)角處理簡(jiǎn)潔。

          現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的兩大步驟——正確選擇結(jié)構(gòu)方案和正確估計(jì)結(jié)構(gòu)的截面高度,鋼結(jié)構(gòu)精心設(shè)計(jì)一般有四大步驟:結(jié)構(gòu)方案(概念設(shè)計(jì));結(jié)構(gòu)截面高度;構(gòu)件布局(短程傳力、形態(tài)學(xué)與拓樸原理);結(jié)點(diǎn)(node)小型化。其中,結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)截面高度極為重要。為了正確選擇結(jié)構(gòu)方案(概念設(shè)計(jì)),必須首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類。屋蓋空間結(jié)構(gòu)是一種由形狀而產(chǎn)生效益的結(jié)構(gòu),也叫形效結(jié)構(gòu)(Formative Structures),這類結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu);屋蓋彎矩結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu));美國(guó)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(jié)構(gòu));國(guó)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(jié)構(gòu));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(jié)構(gòu));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(jié)構(gòu))。

         對(duì)于重屋面,h的取值可增大;適用跨度(L或D)可減少。下面對(duì)一些鋼結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。深圳寶安體育館采用徑向管桁架結(jié)構(gòu)(相貫節(jié)點(diǎn)),實(shí)現(xiàn)了中央節(jié)點(diǎn)小型化??缍菵=101.4米,最大懸壁48.295米,法國(guó)建筑師(方案中標(biāo)者)認(rèn)為:桁架懸挑處的高度取5米(=L/10)才美觀,經(jīng)過作者力爭(zhēng),最后采用6.5米,它是懸臂長(zhǎng)度的1/7.43>1/7.5,用鋼量?jī)H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(guó)家大劇院,橢圓平面:212米×143米,跨度>100米,結(jié)構(gòu)方案選擇網(wǎng)殼(屋蓋空間結(jié)構(gòu))是正確。但在上機(jī)前,把結(jié)構(gòu)的截面高度選得太大,用鋼量高達(dá)每平方米292公斤,根據(jù)美國(guó)教授司密斯(Smith M.G)1963年對(duì)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(jié)構(gòu)用鋼量不超過每平方米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(guó)Nixon Ellerbe Racket公司中標(biāo)。主桁架MT懸臂L=52.4米,用鋼量高達(dá)每平方米200公斤。為了減少桁架弦桿的應(yīng)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(shè)計(jì):“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(jié)構(gòu)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(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(jié)構(gòu)跨度 L=45.6米<100米,選擇用預(yù)應(yīng)力鋼桁架方案是正確的,但桁架高度h=8米=L/5.7就選錯(cuò)了,預(yù)應(yīng)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?,設(shè)計(jì)是硬道理,“硬”設(shè)計(jì)就沒有道理!硬道理在哪里?就是結(jié)構(gòu)工程師要利用力學(xué)功底和結(jié)構(gòu)理論正確選擇結(jié)構(gòu)方案,并在上計(jì)算機(jī)前,正確估計(jì)結(jié)構(gòu)截面高度。否則,一旦結(jié)構(gòu)截面高度選錯(cuò),后續(xù)的所謂優(yōu)化也是幾乎無用的。因此,鋼結(jié)構(gòu)精心設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵的兩步,對(duì)結(jié)構(gòu)工程師來說極為重要。(作者:廣東省空間結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)、華南理工大學(xué)教授 王仕統(tǒng))

     

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