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精心設計——促使鋼結構行業健康發展的關鍵

2012-03-19 16:03:52 評論：2 點擊：560

精心設計——促使鋼結構行業健康發展的關鍵近年鋼結構行業快速發展中，一些工程出現選型不當，結構不合理，構造繁雜，制造、安裝困難，材料

精心設計——促使鋼結構行業健康發展的關鍵
近年鋼結構行業快速發展中，一些工程出現選型不當，結構不合理，構造繁雜，制造、安裝困難，材料浪費，造價高昂等問題。究其原因，問題出自怪異的設計構思和奇特的設計方案。所以端正設計思想，掌握先進技術，精心設計創作，成為我國鋼結構行業健康、積極發展的關鍵。
關鍵詞：建筑結構設計鋼結構行業
1．前言
設計好壞,影響工程的成敗，這一淺顯的道理,往往不被一些人們所重視。工程立項之始，他們常被浮躁的激情、虛榮的妄想、奇異的構思和不小的財力所左右。形式上通過專家評審，草率地敲定設計方案。建設運行過程中，又屢屢修改方案，頻頻“優化”設計，增設“攻關”課題，甚至被迫停工整頓。工程投產服役后，又遇產能不匹配，功能常調整，運營成本高，維修保養難等系列困惑。這就是我國目前某些鋼結構工程中出現過或存在的問題。
2．工程回顧
從現代學科分工以來，建筑與結構分屬兩個獨立但又緊密相依的專業。在20世紀中葉以前，建筑材料以磚、瓦、灰、沙、石為主的年代里，建筑工程的造型基本是上大下小、橫平豎直、平衡、穩定、對稱、單調的形象。設計由建筑師負責構思，由結構師實施完成，分工負責，順理成章。近年來，新材料、新工藝、新技術、新體系不斷涌現，建筑造型絢麗多彩，曲線流暢，破折突變，不平衡、不對稱、懸挑、突兀、傾斜、無序等各種建筑風格層出不窮。在建筑不熟悉結構，結構又服從建筑的潛規則下，當代出現各種優劣各異，成敗不同的建筑工程在所難免。
國內外的建筑史中都有過失敗的建筑，成功的結構案例。如悉尼歌劇院（圖1）。由于建筑設計的超前與不當，延誤竣工時間17年，投資提高了6倍。也有過失敗的建筑，失敗的結構實例，如蒙特利爾奧運會體育建筑群（圖2）。由于官方權勢干預下的設計、規劃及結構不合理，使工程造價增大3~4倍，30年后才償清債務，主體工程15年后才完工。國內類似的工程也不少，如國家體育場（圖3）和中央電視臺（圖4）等建筑物，其奇特的造型，不合理的結構體系，高昂的建設成本等，自建設之始就是非纏身，批評不斷，并被列入世界怪異建筑物行列。成功的建筑和成功的結構實例，當屬慕尼黑奧運會體育建筑群（圖5）。由11根70~80米高的鋼柱撐起74800平米的索網，覆蓋了體育館、游泳館、體育場看臺等多座建筑。山巒起伏的造型，新穎透明的屋面，與城郊的遠山交相映輝。這個成功的設計是建筑與結構兩個專業，自規劃之始就密切配合協作的結果。我國在80年代興建的吉林冰球館（圖6），采用了雙層錯位懸索結構屋蓋，鋸齒形斷面的屋面具有良好的采光功能，優秀的承重體系（L=67.4m.）,其用鋼量僅37公斤/平米。這一精品工程由哈爾濱工業大學兩位著名的建筑和結構專家成功合作完成。所以說，現代優秀的建筑設計杰作必然是建筑師和結構師密切合作的結晶。

3．社會責任
我國目前鋼結構的設計概況是:：工程項目眾多，設計良莠不齊，創新工程不少，水平有待提高。好的設計方案是誕生優秀建筑物的保證，而優秀建筑物必然是采用先進合理的鋼結構體系。所以，精心設計是促使鋼結構行業健康發展的關鍵。設計方案的優劣與設計思想、設計技術、和設計文化息息相關。下面結合工程實例探討一下我們的經驗教訓，以科學的是非觀為武器，分析設計的成敗得失，努力承擔起專業工作者應盡的社會責任。
3.1端正設計思想
適用、經濟、美觀是建筑工程設計的三項原則。時代前進，文化不同，環境各異，財力厚薄，地域差別等個性因素只能對三項原則進行補充或修正，而不能忽視或拋棄其一。一個優秀的建筑工程應當具有漂亮清新的外觀造型，科學先進的承重體系，舒適完美的建筑功能，和經濟合理的投資與運營成本。其實，這些也是人們衡量評定建筑物優劣得失的基本科學依據。我們對宏大工程的歡呼振奮與向往追求，應控制在理性范圍之內。“鳥巢” 立項初始的狂熱與妄想，在“世界第一“、“前所未有”、“野性無序”、“回歸自然”等口號的鼓動下，必然使招投標、設計、決策及輿論走向非理性。運作中的優化、修改、變更、甚至“叫停”，只不過是失敗方案的修修補補，難動大局。我們為不合理結構方案確實付出了“世界第一”的投資和用鋼量，也帶來了“前所未有”的圍護、制作、安裝、維修、排水、使用及運營中的困難，其根源都始自于非理性化的指導思想。但是，上海世博會的規劃設計思想及我國新建和改建項目，卻贏得業內人士的好評。舊工業設施的改造利用，新建項目的多姿創新，以及精心規劃，精心設計，精心施工，產學研緊密結合等措施，成功地舉辦了上海世博會，在世界面前為我國爭得了榮譽。
錯誤的設計思想不僅敗壞了工程本身，還對其他工程設計及行業發展產生惡劣影響。最近，國內新建了幾座大型鋼結構工程，它們體系奇特，構造復雜，濫用鑄鋼節點，無益地,增大結構自重與造價。例如，深圳大運會體育中心的鋼結構采用了140個鑄鋼節點，其中20個節點，單重98T, 僅鑄鋼節點一項就耗鋼4200T。而鑄鋼價格又比型鋼價格高幾倍，大量的國家財富就這樣地被不合理的設計吞噬了。近年也興建了不少新火車站房，雖然結構的跨度都不大，但用鋼量都在200~360公斤/平米之間。當然與鳥巢相比，或有小巫見大巫之感，不顯浪費，但對國家物力與財力的無效消耗也是可觀的。下面列舉幾個受到鳥巢影響的工程，如鳳凰衛視中心（圖7），合肥創新展館（圖8），廣州歌劇院（圖9），甚至山西蒲城縣文化館的混凝土工程（圖10）都在努力“精心”仿效。這些問題工程不僅揮霍了社會財富，浪費了自然資源，還誤導了鋼結構行業的健康發展方向。值得我們行業的領導層和同行們深刻反省與思考。

3.2 提高設計水平
“ 學無止境“、“學海無涯”應是我們大家的共識，專業知識的不斷更新與補充應是我們共同的追求。但是，有些已建和再建的工程項目，因為專業人員不熟悉、不掌握先進技術而采用老舊的傳統做法。以鋼結構設計中的預應力技術為例，有些設計中不是對它敬而遠之，就是錯用預應力鋼筋混凝土中的概念，使預應力鋼結構的效益大打折扣或適得其反。眾所周知，預應力鋼結構不僅節約鋼材，提高剛度，減輕自重，降低成本，還能夠擴大、反復利用鋼材強度，重復、循環使用鋼材，完全符合綠色建筑和可持續發展原則，也是大跨度鋼結構發展的方向。因此，鋼結構行業的同行們應該急起直追，盡快熟悉它，掌握它并廣泛應用它。20世紀80年代興建的北京西客站中央門樓鋼桁架（圖11），采用了不當的預應力方案。桁架跨度45。6米，高度8米，高跨比達到1/5.6，是普通桁架的兩倍。而桁架構件中的應力卻只達到設計值的1/3~1/2,。這與采用預應力技術的目的與效果背道而馳，適得其反。結構設計者對新技術陌生或不熟悉，在所難免，問題在于工作是否科學嚴謹，虛心學習，認真設計。而首次在我國采用多次預應力鋼網殼的攀枝花市體育館（圖12），其設計、制作、安裝都一次成功順利完成。設計團隊的認真負責與專家學者的協助把關是科學采用新技術的關鍵。多次預應力鋼網殼的省鋼率達38%，用鋼量僅49公斤/平米，成為現代鋼結構工程中的佼佼者。對結構工程師來說，其實也不難判斷結構體系的合理性。從宏觀上來看，一個鋼結構建筑物的鋼耗量與荷載總量之比控制在0.2~0.3之間，可謂優秀。在0.4~0.5之間，可謂平庸。如果這個比值在0.6~0.7之間或更高，那就屬于拙劣而不合理的設計，可以考慮優化或更改設計了。再以輕型房屋鋼結構為例，它符合環保和綠色建筑的要求，又是國家大力發展推廣的項目。可就是舉步維艱，推廣困難。百姓看重的是它居高不下的成本問題，但有些人就是不會采用新構件、新體系、新材料、新技術把用鋼量和成本降下來。所以設計人員學習、更新專業知識，不斷提高技術水平，是設計出高水平鋼結構工程的保證。

3.3改善人文素質
鋼結構行業的積極發展不僅是專業人員的事，有關的高官、高管、老總、老董等決策人士的思想、認識和態度也影響、左右著行業的發展。20世紀80年代攀枝花體育館因為領導人的不當決策，而將多次預應力技術的工程實踐推遲了5年。2010年全運會體育館中采用索穹頂新技術的事，又因領導的“謹慎”而否定。目前，還不知這一決策要延誤學科發展多少年。我曾寫過一篇科普文章“預應力鋼結構十問”，想對決策層宣傳一下高新技術的知識。現在看來，這種努力對某些忙忙碌碌的群體是效果甚微的。對專業人員進行科學人生觀和科學發展觀的教育也很必要。他們不僅參加設計、畫圖，還要擔負著指導、優化、變更、審批新技術工程項目的任務。在各種環境和條件下，都應根據自己掌握的專業知識去審評、詮釋和分析各類結構。用自己的良知去說真話，說實話，不追風，不唯上，實事求是地向領導，向社會、向公眾點評與詮釋工程的優劣得失，促使鋼結構行業的健康發展。
4．健康發展
4.1 回歸建設“適用、經濟、美觀”三原則
這是古今中外一直遵守的建設原則。也曾指導過我國建設健康、快速發展。近年來，一些
工程追求新、奇、特，攀比高、大、錢。在各地出現過一些超豪華、超怪異，但造型并不美
觀，結構并不安全的工程。希望我們在設計中對”經濟“原則常有迷失的傾向，迅速得到糾
正。并將設計中的科技含量納入取費標準，籍“低碳經濟”的號召，把經濟指標重新列入設
計審評的重要內容。
4.2 工程建設法制化
國家級大型建筑是國家和社會的財富，時代和文化的象征。它不屬于那一屆政府，更不屬
于那一個人。因此，這種工程的立項、籌備、招投標、設計、施工、運營以及短期服役后的
拆除等，都應在一定的法規或法律下進行，避免任意性及人為影響。應盡早著手建立適應我
國國情的大型工程決策與審批新機制及建設法規，讓國家級工程在法制軌道上運轉。
4.3 審評制度陽光化
對立項、方案、招投標等環節的評估審核制度應規范化、陽光化。評審組的組成人員應在
專業、資歷、比例等方面合理匹配。專家應具有代表性、權威性。評審過程要接受主管部門
及社會輿論的監督。當意見分歧嚴重時，應提交我國的最高科技部門——中國科學院和中國
工程院，進行評定，杜絕個人或少數人的權勢裁定。以體現社會運轉中的公正、公平、公開
的原則。

發日期： 2011-8-24

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