望中国空间结构从大国奔向强国
在日前召开的“中国钢结构协会空间结构分会成立20周年暨技术交流会”上,中国工程院院士、浙江大学教授董石麟发出“中国空间结构的期待——从大国奔向强国”的呼喊。董石麟指出,空间结构在公共建筑工程中的大量应用,充分说明其具有显著优势和引领作用。但是,也应该看到影响我国空间结构进一步发展的问题,譬如,标志性公共建筑采用国外设计方案居多、评标专家委员会成员组成不合理、中外设计单位设计费相差太多、大型公共建筑空间结构缺乏严格的审查制度、大型空间结构承包制度不合理等问题。董石麟表示,我们深信中国空间结构从大国奔向强国的期待是一定能实现的,是指日可待的。
空间结构的四大特色
空间结构是指结构构件三向受力的大跨度的、中间不放柱子的结构,常见的有机场航站楼、体育场馆、会展中心等。董石麟指出,目前,我国的空间结构应用具有四大特色。
首先,一场两馆 主体育场、主体育馆、游泳馆 体育建筑从大城市、省会城市向地级县级城市延伸发展。继北京市、上海市、天津市、重庆市4大直辖市早已建成一场两馆,并为举办世界性的综合比赛和单项比赛创造了条件后,相关省会城市也已建有相当规模的一场两馆或一场一馆体育建筑。譬如,2013年8月在辽宁省沈阳市举办第十二届全国运动会,为此,新建、改扩建场馆24个,大多为空间结构。
其次,高铁建设促进了大面积、超大面积铁路站房及站台无柱雨棚的蓬勃兴建。铁路站房站台的无柱雨棚大多采用大中跨度空间钢结构,结构支承柱设在无柱雨棚股道的中间,这样可使站台宽敞、无障碍,旅客通行较为方便。
再其次,大中城市大量新建扩建航站楼及支线航站楼。2012年建成的昆明新机场航站楼呈大字型平面,南北长850米,东西宽1120米,航站楼核心区(A)宽324米,屋盖采用曲面型网架结构,支撑在7条钢彩带(多跨连续2根 3根箱型拱交织而成)结构和悬臂钢柱上。整个航站楼核心区采用1118个大型橡胶支座和108个阻尼器装置,这样大数量的隔震装置在国内应用尚属首次。
最后,大面积博览(展览)中心的建设。2012年建成的重庆国际博览中心建筑面积为66万平方米,全部采用跨度为72米的立体管桁架结构单层建筑群,是当前我国最大面积的展览馆。
中国的5个空间结构之最
董石麟例举了目前在中国应用的5个空间结构之最。
第一,在中国首次采用的空间结构新形式。譬如,2010年建成的大连体育馆采用椭圆形平面(116米×145米)弦支(三层)肋环型立体桁架;2013年建成的浙江乐清体育馆采用椭圆平面(128米×148米)内外双重张弦网壳结构;2013年建成的浙江乐清体育场采用月牙形平面(229米×221米)环形索桁结构,在中部9榀采用交叉索桁,致使设计内力为2400吨的环索在中部分为两层……
第二,在中国采用的跨度最大的空间结构。2007年建成的国家体育馆,采用跨度最大的114米×144米双向张弦桁架结构;2004年建成的国家大剧院,采用椭圆平面(146米×212米)的空腹网壳结构,这是迄今为止跨度最大的空腹网壳……
第三,在中国采用的覆盖面积最大的空间结构。首都机场T3A航站楼屋盖采用单体微弯、覆盖面积18万平方米的三向抽空三角锥网架,整个屋盖面积T3A、T3B、T3C约35万平方米,支承在三向36米柱网上,用钢指标约50千克/平方米;水立方游泳馆屋盖和墙体内外表面共敷设ETFE气枕10万平方米,这样大面积的充气枕在世界上也是首例……
第四,在中国采用的工程数最多的空间结构。自1964年我国建成第一幢网架结构——上海师范学院球类用房屋盖以来,建成的网架、网壳结构工程数已无法统计,绝对数是世界上最多的。目前,我国已建成世界上数量最多的组合网架结构,共60多幢,世界上其他国家的组合网架总数还不到30幢。
第五,在中国其他方面的空间结构之最。首次提出了按5种结构单元(板壳单元、梁单元、杆单元、索单元、膜单元)对空间结构形式进行了分类,把当前国内外现有的38种空间结构划分为五大矩形块,这种分类方法具有直观性、实用性、包容性和开放性四项特性。根据结构形式的发展和创新,可以不受限制地区分过去、现在和将来的所有各种形式的空间结构。据不完全统计,目前,各高校在读的空间结构硕士生、博士生和博士后人数约有2000人左右。加上历届研究生、博士后约有5000人-6000人,这样多的空间结构的研究队伍在世界上是领先的。中国的空间结构企业在世界上也是独一无二的,仅在浙江省就有100多家,全国有数千家。
成为强国须做到“三要、六达标”
尽管目前我国是空间结构大国,但距离强国还有一定差距。董石麟认为,成为空间结构的强国要做到“三要、六指标”。
三要即:要创新、要有各方英才、要精密加工制作与安装。
一要创新,特别是第一类创新——自主创新。在空间结构的形体、设计、材料、加工制作、安装等方面要创新,要有标志性的我们中国自己的代表性空间结构工程。
二要有各方英才。在空间结构的理论研究、科学试验、设计计算、加工制作、安装、管理等各个部门,都要有精通业务、具有团队精神和国际视野的院士、大师、教授、专家、高级技师、熟练工人,从而组成一支庞大的梯队和团队。我们还需要有国际影响、世界公认的一批空间结构大师、专家,这方面应迎头赶上。
三要精密加工制作和安装空间结构,设计加工一体化的计算软件。要自己有高精度的数控加工机床,要有全站仪、激光仪等遥控高空定位先进设备,要在工厂做到工业化、标准化加工制作空间结构零部件,在现场装配化。现场不采用或尽量少采用高空焊接工序,大量焊接工序在工厂内完成,以提高工程质量,创优质精品空间结构。
董石麟希望,对空间结构工程的评定、招投标、设计、施工都应达到安全、适用、经济、美观、技术先进、符合国情民情6项指标。