摘 要:本文簡論現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)和綠色建筑的特征,點(diǎn)評國內(nèi)外幾個(gè)著名的高層全鋼結(jié)構(gòu)和大跨度屋蓋鋼結(jié)構(gòu)工程,說明設(shè)計(jì)優(yōu)良的鋼結(jié)構(gòu)才是綠色建筑。
關(guān)鍵詞:現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)、綠色建筑、屋蓋彎矩結(jié)構(gòu)、屋蓋空間結(jié)構(gòu)、索穹頂、高層全鋼結(jié)構(gòu)、巨型結(jié)構(gòu);
關(guān)于現(xiàn)代結(jié)構(gòu),美國著名結(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(逐步改進(jìn)設(shè)計(jì)方法和采用高強(qiáng)材料,使現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程向更經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式發(fā)展,構(gòu)件的截面尺寸減小、重量減輕。)
由于鋼材具有較高的強(qiáng)度和延性(圖1),因此,只有通過正確的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),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,就具有綠色建筑的節(jié)材特質(zhì)。
鋼結(jié)構(gòu)與綠色建筑特質(zhì)的比較,如表1所示。
表1 特質(zhì)比較
圖1 鋼材的強(qiáng)度高、延性好
1991年蘭達(dá)·維爾和羅伯特·維爾合著的《綠色建筑———為可持續(xù)發(fā)展而設(shè)計(jì)》。發(fā)達(dá)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(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)(骨架)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)。然而建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)督與行業(yè)發(fā)展司推行的綠色建筑政策,只談墻體節(jié)能,不談鋼骨架節(jié)材。這樣,就導(dǎo)致我國不少大型鋼結(jié)構(gòu)(鳥巢、CCTV、深圳大運(yùn)會(huì)體育場、合肥創(chuàng)新展示館等)的笨重和怪異。目前,我國設(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。
一 設(shè)計(jì)優(yōu)良的鋼結(jié)構(gòu)才是綠色建筑
優(yōu)良的鋼結(jié)構(gòu)必須是鋼骨架節(jié)材,墻體節(jié)能,最大限度的滿足功能,最低限度的影響環(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)和大跨度屋蓋鋼結(jié)構(gòu)中,100多年來,先進(jìn)國家大量采用鋼結(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(表1)。我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),任重而道遠(yuǎn)!
世界高層全鋼結(jié)構(gòu)前三名都在美國(圖3a),其中,世界貿(mào)易中心(World Trade Center)的箱形柱截面僅450mm×450mm,厚度7.5mm~12.5mm(圖3b);下面柱距加大,未設(shè)轉(zhuǎn)換層;吊裝件高三層樓,現(xiàn)場采用高強(qiáng)螺栓拼裝,與我國幾乎100%的現(xiàn)場焊接拼裝形成鮮明的對比。這種外框筒(密柱+深梁)結(jié)構(gòu)方案的剪力滯后效應(yīng)比較嚴(yán)重。1974年建成的西爾斯塔(Sears Tower)采用9個(gè)束框筒結(jié)構(gòu)方案,剪力滯后效應(yīng)明顯降低。雖然西爾斯塔比世界貿(mào)易中心高出26.213m,用鋼量卻減小26.5 kg/m2。
圖3 a) 高層全鋼結(jié)構(gòu)前三名都在美國—科學(xué)發(fā)展觀
圖3 b) 世界貿(mào)易中心詳圖
世界最先進(jìn)的大跨度屋蓋鋼結(jié)構(gòu)—————美國喬治亞索穹頂(Georgia Dome),1996年第26屆奧運(yùn)會(huì)主場館(圖4a),橢圓平面240.79m×192.02m,(屋頂+外環(huán))用鋼量=(30+ )kg/m2。
世界第1個(gè)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是美國雷里競技場(Raleigh Arena),用鋼30 kg/m2(圖4b)。
世界最大跨度開合鋼網(wǎng)殼屋蓋是日本福岡穹頂(Fukuoka Dome)(圖4c,D=222m)。它由三塊扇形可旋轉(zhuǎn)球面網(wǎng)殼組成,可形成三種狀態(tài):全封閉狀態(tài)、半開啟狀態(tài)(1/3穹頂露天)和全開啟狀態(tài)(2/3穹頂露天)。由于屋蓋裝了減震阻尼器,并采取巧妙的構(gòu)造,扇形球面的跨厚比:106.4/3.5=30.4。
a) Georgia Dome(1996)———世界最先進(jìn)的索膜穹頂(Cable Membrane Dome)
b) Raleigh Arena(1953)—————世界第1個(gè)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)(用鋼量30kg/m2)[10]
圖4c) Fukuoka Dome(1993)———世界最大球網(wǎng)殼開合結(jié)構(gòu)(D=222m)
改革開放以來,我國鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展迅速。由于設(shè)計(jì)理念問題,產(chǎn)生了不少著名的笨重、怪異鋼結(jié)構(gòu),與綠色建筑相佐。
沈祖炎院士在《影響中國—————第二屆中國鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)高峰論壇》主題報(bào)告中嚴(yán)厲批評了下面5個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工程(圖5),并嚴(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”。
中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)姚兵會(huì)長在《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)建成鋼結(jié)構(gòu)碉堡”。
中央電視臺(tái)新樓CCTV(“大褲衩”)(圖5a),n=53層,高H=234m,頂上外懸挑75m,嚴(yán)重違背抗震規(guī)范強(qiáng)制性條文,用鋼量:14.2萬t/47萬m2=302kg/m2。創(chuàng)造了世界高層鋼結(jié)構(gòu)懸挑最大的建筑奇跡。
鳥巢(Brid’s Nest)(圖5b),是2008年第29屆奧運(yùn)會(huì)主場館,設(shè)計(jì)理念是:無序就是藝術(shù)。主結(jié)構(gòu)采用平面桁架系結(jié)構(gòu),次結(jié)構(gòu)布置無序。結(jié)構(gòu)平面為橢圓:332.3m×297.3m,中央開洞185.3m×127.5m,總用鋼為4.1875萬t,實(shí)際用鋼5.2萬t,從而,用鋼量高達(dá):710~881kg/m2,成為世界屋蓋鋼結(jié)構(gòu)用鋼量最大的建筑奇跡。
合肥創(chuàng)新展示館(圖5c),成為最雜亂的創(chuàng)新奇跡。違背結(jié)構(gòu)是支承作用(Actions———荷載、地震)的骨架;建筑功能與空間也很雜亂;施工時(shí)的空間定位極為復(fù)雜。
深圳大運(yùn)會(huì)體育場(圖5d),是2011年第26屆世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)的主場館,多折面格柵剛架結(jié)構(gòu),用鋼量226kg/m2。鑄鋼結(jié)點(diǎn)共7類:7×20個(gè)=140個(gè),總重量0.42萬t。20個(gè)最大的肩谷鑄鋼結(jié)點(diǎn),每個(gè)鑄件外形尺寸:5400mm×4600mm×3400mm(10管相交),壁厚400mm,單件重98.6t,與鍛打鋼管對接焊。
水立方(Water Cube)(圖5e),平面:176.5389m×176.5389m,高29m,結(jié)構(gòu)跨度 l =117m,屋蓋厚:h=7.211m,墻體厚:3.472m和5.876m。根據(jù)L. Kelvin“泡沫”(“Foam”)理論命題:將三維空間細(xì)分為若干小部分,要求每個(gè)部分體積相同,且接觸表面積最小,這些細(xì)小部分應(yīng)該是什么形狀?這種命題與結(jié)構(gòu)受力毫無共同之處。“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,是簡單問題復(fù)雜化的建筑奇跡。筆者曾建議:按平板網(wǎng)架設(shè)計(jì),在現(xiàn)場用高強(qiáng)螺栓拼裝網(wǎng)架和“泡沫”單元體,則可節(jié)約大量鋼材和施工(制造、安裝)費(fèi)用,且便于“泡沫”單元折換,很遺憾,建議未采用。
a) 中央電視臺(tái)(2008)
b) 鳥巢(2008)
c) 合肥創(chuàng)新展示館(2010)
d) 深圳大運(yùn)會(huì)體育場(2010)
e) 水立方(2008)
圖5 中國幾個(gè)標(biāo)志性鋼結(jié)構(gòu)工程
必須指出,上海浦東機(jī)場(圖6a)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)范疇(表2),機(jī)場1、2期工程張弦梁的跨度都未超過100m,說明結(jié)構(gòu)工程師選結(jié)構(gòu)方案OK。機(jī)場鋼屋蓋建筑的造型是: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。
成都雙流國際機(jī)場(圖6b),屋蓋結(jié)構(gòu)方案也很成功—網(wǎng)架(屋蓋空間結(jié)構(gòu))。旅客置身其中,感到輕快、溫馨。轉(zhuǎn)角處理簡潔。
a) 上海浦東機(jī)場(屋蓋彎矩結(jié)構(gòu)—張弦梁結(jié)構(gòu))
b) 成都雙流國際機(jī)場(屋蓋空間結(jié)構(gòu)———網(wǎng)殼結(jié)構(gòu))
圖6 兩個(gè)成功作品
二 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)的四大步驟:
1 結(jié)構(gòu)方案(概念設(shè)計(jì))
2 結(jié)構(gòu)截面高度
3 構(gòu)件布局(短程傳力、形態(tài)學(xué)與拓樸原理)
4 結(jié)點(diǎn)(node)小型化
其中,第1、2步極為重要。為了正確選擇結(jié)構(gòu)方案(概念設(shè)計(jì)),首先必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類。
注:在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類時(shí),必須嚴(yán)格區(qū)分結(jié)構(gòu)(structures)與構(gòu)件(structural members)。
表2所示的屋蓋空間結(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),圖7曲線a所示的索穹頂結(jié)構(gòu)用鋼量很少,因此,大跨度屋蓋(直徑D或跨度L≥100m時(shí))鋼結(jié)構(gòu)必須采用屋蓋空間結(jié)構(gòu);桁架結(jié)構(gòu)(屋蓋彎矩結(jié)構(gòu))的用鋼量則按跨度的平方成正比快速增加(圖7曲線b),只能用于中、小跨度中。
正確選擇結(jié)構(gòu)方案是鋼結(jié)構(gòu)精心設(shè)計(jì)的第1步,第2步就是結(jié)構(gòu)工程師在上電子計(jì)算機(jī)前,必須正確估計(jì)結(jié)構(gòu)截面高度。
下面對一些鋼結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行點(diǎn)評:
實(shí)例1 深圳寶安體育館
寶安體育館采用徑向管桁架結(jié)構(gòu)(相貫節(jié)點(diǎn)),跨度D=101.4m,最大外懸48.295m,實(shí)現(xiàn)了中央節(jié)點(diǎn)小型化。法國建筑師(方案中標(biāo)者)認(rèn)為:桁架懸挑處的高度取5m(=L/10)才美觀,經(jīng)過作者力爭,最后采用6.5m,它是懸臂長度的1/7.43>1/7.5。OK,用鋼量僅68kg/m2。
為了發(fā)揮萬向支座的作用,取剛度系數(shù)3kN/mm;支座圈內(nèi)的下弦桿起拱,受力更合理。
圖8 深圳寶安體育館(2002)
實(shí)例2 國家大劇院
國家大劇院(圖9a),橢圓平面:212m×143m,跨度>100m,結(jié)構(gòu)方案選屋蓋空間結(jié)構(gòu)—————網(wǎng)殼(表2)正確OK。但在上機(jī)前,結(jié)構(gòu)師把結(jié)構(gòu)的截面高度選得太大,用鋼量高達(dá)292 kg/m2。根據(jù)1963年美國教授司密斯(Smith M.G)對166個(gè)已建大跨度屋蓋(11種)進(jìn)行回歸分析 ,這種跨度的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)用鋼量不超過80 kg/m2(圖9b)。
圖9a) 外景
圖9b) 美國M.G.Smith統(tǒng)計(jì)166個(gè)工程
實(shí)例3 廣東奧林匹克體育場
廣東奧林匹克體育場的建筑理念是:珠江的水、波濤滾滾(圖10a),美國Nixon Ellerbe Racket公司中標(biāo)。主桁架MT懸臂L=52.4m(圖10c),用鋼量高達(dá)200kg/m2。為了減少桁架弦桿的應(yīng)力: ,筆者認(rèn)為:
① 將原主桁架MT的等高度h=5.2m(圖10c)改為變高度:h=3m~7m桁架;
② 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Φ值;
③ 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;
④ 拉索由2—337Φ7改為2—150Φ7,把索的安全系數(shù)控制在2.5~3。
通過上述四點(diǎn)改進(jìn),用鋼量可由原200 kg/m2降低到約80 kg/m2。
a)實(shí)景—珠江的水,波濤滾滾
c) MT徑向主桁架
圖10 廣東奧林匹克體育場
實(shí)例4 北京某客站
北京某客站一個(gè)結(jié)構(gòu)跨度L=45.6m<100m,選擇用預(yù)應(yīng)力鋼桁架方案是正確的(OK),但桁架高度h=8m= L/5.7就選得不對。預(yù)應(yīng)力鋼桁架的合理高度取h=L/18~L/15=2.53m~3.04m。即使普通鋼桁架,高度取h = L/12~L/10=3.80m~4.56m即可??梢姡O(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,并在上電子計(jì)算機(jī)前,正確估計(jì)結(jié)構(gòu)截面高度(表3)。否則,后續(xù)的所謂優(yōu)化幾乎是無用的!
小結(jié):為了實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)固有的三大核心價(jià)值(表1),鋼結(jié)構(gòu)精心設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵的兩大步驟,對結(jié)構(gòu)工程師來說極為重要!