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現代鋼結構與綠色建筑

為了闡述現代鋼結構和綠色建筑的特征,結合點評國內外大型鋼結構工程,說明優良的鋼結構才是綠色建筑。關于現代結構,美國**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。鋼結構固有的三大核心價值:**輕的結構;**短的工期;**好的延性。在建筑全壽命周期內,**大限度地節約,**輕的結構假想強度受壓高度(節能、節地、節水、節材),保護環境和減少污染,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**高效率地利用能源、**低限度地**短的工期工廠焊接、工地高強螺栓拼裝影響環境的建筑物。節約能源;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——為可持續發展而設計》一書。發達國家探索可持續建筑之路,名為“綠色建筑挑戰”,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**少。**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**少的結構提供**大的承載力(Doing the Most with the Least)。

鋼結構節材是綠色建筑**重要的內容,是結構工程師一生追求的光榮事業,然而我國所謂的綠色建筑政策,僅指建筑墻體的節能、太陽能利用等,而對鋼結構骨架的節材幾乎閉口不談。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狀是:“設計”創造困難,“施工”也要上。優良的鋼結構才是綠色建筑,優良的鋼結構必須是結構骨架節材,墻體節能,**大限度地滿足功能,**低限度地影響環境,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,滿足可持續發展理念。

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(日本的鋼結構數量已超過70%),并能基本上實現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,未設轉換層;吊裝件高三層樓,全部采用高強螺栓現場拼裝,與我國幾乎100%的現場焊接拼裝形成鮮明的對比。根據文獻:“結構體系的優秀性與G/P成反比(G—鋼材用量,P —建筑總重),一般是:優秀設計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**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)用鋼量達到先進水平。

改革開放以來,我國鋼結構建筑發展迅速。但也產生了不少笨重、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業高峰論壇》的主題報告中嚴正指出:“近年來涌現的與輕、快、好、省理念背道而馳的技術現狀令人擔擾”。中國建筑金屬結構協會姚兵會長在《影響中國——第二屆中國鋼結構產業高峰論壇》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,轉角處理簡潔。

現代鋼結構設計**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(相貫節點),實現了中央節點小型化??缍菵=101.4米,**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,經過作者力爭,**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。為了發揮萬向支座的剛度系數3kN/mm,支座圈內的下弦桿起拱,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?,設計是硬道理,“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,后續的所謂優化也是幾乎無用的。因此,鋼結構精心設計的**關鍵的兩步,對結構工程師來說極為重要。


 
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