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空間結構新分類(lèi),實(shí)現大跨度鋼屋蓋輕量化

作者:王仕統    
時(shí)間:2009-12-22 20:26:03 [收藏]
鋼結構行業(yè)包括設計與施工(制造、安裝)。設計的好壞,直接關(guān)系到節能和施工的艱難程度。改革開(kāi)放以來(lái),我國鋼結構被迫自主創(chuàng )新:高強鋼(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
    鋼結構行業(yè)包括設計與施工(制造、安裝)。設計的好壞,直接關(guān)系到節能和施工的艱難程度。改革開(kāi)放以來(lái),我國鋼結構被迫自主創(chuàng )新:高強鋼(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構施工戰線(xiàn)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)明中國人民是一個(gè)“一不怕苦,二不怕死”的民族,中國人沒(méi)有干不了的事情!但是也必須清楚的看到,當前,我國大跨度輕屋面鋼屋蓋的重量也實(shí)在太笨重了,一是說(shuō)明建筑工程設計人員的設計素質(zhì)有待提高,二是說(shuō)明建筑、結構的方案選擇有問(wèn)題,不滿(mǎn)足力學(xué)、結構原理。本文提出的空間結構新分類(lèi),就試圖談?wù)勥@個(gè)問(wèn)題。
    1. 一、二、三維結構傳力體系
    圖1所示最熟悉RC結構的一、二、三維結構傳力體系??梢?jiàn),梁、板為彎矩結構(Moment-Resisting Structures),殼體主要為軸力結構(Axial Force-Resisting Structures)——屋蓋空間結構。由圖1c所示,雖然扁殼的跨度為梁、板結構的10倍,然而,扁殼的厚度h仍比梁、板厚度小得多??梢?jiàn),屋蓋空間結構是一種由于形狀而產(chǎn)生效益的結構,因此它又叫形效結構(Formative Structures)。自然界中的生物為生存而斗爭,創(chuàng )造了許許多多安全、輕巧、適用、美觀(guān)的空間結構,如貝殼——薄殼結構(圖2a);蜂?——網(wǎng)格結構(圖2b);蜘蛛網(wǎng)——索網(wǎng)結構(圖2c);肥皂泡——充氣結構(圖2d)等。因此,屋蓋空間結構又被稱(chēng)為仿生結構(Bionics)??上攵?,若生物結構笨重之極,不減肥,如何生存?!


    由于空間結構的科技含量較高,在進(jìn)行結構分析和設計時(shí),要求結構工程師具有比一般結構分析更高的力學(xué)、數學(xué)功底。世界各國對屋蓋空間結構的研究和發(fā)展極為重視,如世界奧運會(huì )、國際博覽會(huì )、大會(huì ) 堂和飛機庫等大跨度屋蓋,都力爭采用屋蓋空間結構,展示該國先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)。隨著(zhù)現代鋼材和現代計算技術(shù)的高新化、社會(huì )生活和生產(chǎn)的不斷進(jìn)步,唯有屋蓋空間結構才能實(shí)現結構用料最少,輕盈地跨越大空間,可以說(shuō),屋蓋空間結構的研究和應用水平是衡量一個(gè)國家建筑科技水平高低的重要標志之一。
    由上可見(jiàn),屋蓋空間結構具有三大特點(diǎn)——曲面空間狀(有封閉邊緣構件)、三維軸向傳力、用料很經(jīng)濟。圖3所示六個(gè)屋蓋空間結構,其中圖3a、b所示兩個(gè) RC薄殼屋蓋:北京網(wǎng)球館和法國巴黎國家工業(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(lèi)大腦智慧的巨大創(chuàng )造力。圖3c所示,世界第一個(gè)具有現代競技的大跨度扭索網(wǎng)結構(1952年),用鋼量30?/?。圖3d、e為準張拉整體體系,即準Tensegrity,它是當今世界公認的大跨度屋蓋空間結構用鋼量最少、科技含量最高的結構之一。

    文獻[4]P267指出:“對于跨度超過(guò)100英尺(100×12×0.0254m=30.48m)的結構,用拱、懸索和薄殼等形式的曲線(xiàn)型構件所構成的結構體系往往要比較經(jīng)濟”。作者認為:大跨度輕屋面屋蓋的結構方案應首選屋蓋空間結構。然而,北京中軸線(xiàn)的三個(gè)大跨度屋蓋結構——鳥(niǎo)巢“Bride’s Nest”(無(wú)序就是藝術(shù))、國家體育館和“水立方”(水泡理論),均未采用屋蓋空間結構(軸力結構)。它們的結構形式如圖4所示。
    國家游泳中心“水立方”[5](The National Swimming Center “Water Cube”,澳大利亞PTW建筑事務(wù)所中標,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、切割等復雜計算后成為屋蓋和墻體結構,這種形而上學(xué)的所謂泡沫理論命題與結構原理毫無(wú)共同之處,是簡(jiǎn)單問(wèn)題復雜化(設計與施工)的花錢(qián)結構,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)架設計,用“泡沫”單元體裝修,則可節約大量的鋼材、膜材和施工費用等,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[6]認為:最“簡(jiǎn)單”的結構往往是一個(gè)“最好”的結構,本人對此也有相同的觀(guān)點(diǎn)[7]。

    2.結構的演變和屋蓋空間結構的分類(lèi)(表1、圖6)
    圖5可見(jiàn),對中、小跨度的屋蓋結構來(lái)說(shuō),選擇彎矩結構是理所當然的,為了提高結構的承載力和剛度,采用“材料遠離中和軸”原則和“格構化”原則等,是為聰明之舉,即通道1(Path 1)設計大跨度屋蓋結構必須經(jīng)過(guò)通道2、3演變,發(fā)揮結構工程師結構選型的力學(xué)智慧,選出屋蓋空間結構的最優(yōu)方案(三維軸向短程傳力)。



    3.小結
    鋼結構的三大主要優(yōu)點(diǎn)是:最輕的結構、最好的延性和最短的工期,這些優(yōu)點(diǎn)導致最優(yōu)的結構抗震性能。因此,在大跨度鋼屋蓋和超高層鋼結構中,先進(jìn)國家大量采用鋼結構,并能基本上實(shí)現了以上三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現鋼結構的優(yōu)勢,設計水平是個(gè)關(guān)鍵,而精心設計的第1步就是正確選擇結構方案(概念設計)[11][12],否則,“設計”出來(lái)的結構不僅笨重、浪費鋼材、也直接導致十分艱難的施工,造成財力和人力的巨大浪費。設計是硬道理,“硬”設計就沒(méi)有道理[7]。硬道理在哪里?就是利用力學(xué)準則正確選擇結構方案。選錯方案,優(yōu)化是無(wú)用的。因此,本人提出空間結構新分類(lèi),并強調:為了實(shí)現大跨度屋蓋結構輕量化,必須力爭采用屋蓋空間結構。

    參考文獻
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    [2] 沈世釗、徐崇寶、趙 臣、武 岳,懸索結構設計(第二版),中國建筑工業(yè)出版社,2006年1月
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    [4] [美]T. Y. Lin(林同炎)、S. D. Stotesbury(斯多臺斯伯利)著(zhù),高立人、方鄂華、錢(qián)稼茹譯,結構概念和體系(第二版),Structural Concepts and Systems for Architects and Engineers(Second Edition, 1988),中國建筑工業(yè)出版社,1999年
    [5] 傅學(xué)怡、顧 磊、楊先橋、余衛江,國家游泳中心“水立方”結構設計優(yōu)化,建筑結構學(xué)報,2005年第6期
    [6] 錢(qián)若軍、楊聯(lián)萍,張力結構的分析、設計與施工,東南大學(xué)出版社,2003年9月
    [7] 中國工程院土木水利與建筑學(xué)部、中國土木工程學(xué)會(huì )、中國建筑學(xué)會(huì ),我國大型建筑工程設計的發(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)架的構形、受力特性和簡(jiǎn)化計算方法,建筑結構,2003年第10期
    [9] 范 重、劉先明、范學(xué)偉、胡天兵、王 ?,國家體育場(chǎng)鋼結構設計中的優(yōu)化技術(shù),第五屆全國現代結構工程學(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,淺談鋼結構的精心設計(特邀報告),第三屆全國現代結構工程學(xué)術(shù)研討會(huì )論文集(工業(yè)建筑2003年增刊)
    [12]王仕統,衡量大跨度空間結構優(yōu)劣的五個(gè)指標,空間結構,2003年3月第1期
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