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大型全钢结构设计的四、五、六观点
 
钢结构行业包括设计与施工(制造、安装),本人提出的结构设计论点,试图遵循美国结构大师巴克明斯特·富勒(R.B.Fuller)提出的结构哲理:少费多用(MorewithLess)——用最少的结构提供最大的结构承载力(DoingtheMostwiththeLeast)。最终实现钢结构固有的三大核心价值——最轻的结构、最短的工期和最好的延性。达到钢结构设计与施工的和谐发展。


这些核心价值导致最优的结构抗震性能,2011年3月11日,日本9级大地震就说明了这一点。因此,在大跨度钢屋盖和高层全钢结构中,100多年来,先进国家大量采用钢结构,并能基本上实现以上三个优点。


我国的钢结构设计,任重而道远,必须全面考虑钢结构精心设计的四大步骤,衡量屋盖结构优劣的五个指标,正确处理结构设计的六大关系。


钢结构精心设计的四大步骤——结构方案(概念设计)、结构截面高度、构件布局(短程传力、形态学与拓朴原理)、结点(node)小型化。结构的艺术作用:把结构力度与建筑的空间艺术美有机结合起来,即袒露具有美学价值的结构部分——自然地显示结构,达到巧夺天工的震撼效果。


衡量大跨度屋盖结构优劣的五个指标——材料强度充分发挥、支座推(拉)力H的合理处理、制造安装费用少、跨度大、结构的艺术作用。


正确处理结构设计中的六大关系——学术魅力(力学功底、结构理论和工程实践)与人格魅力(独立性、进取性、开放性)、弯矩结构与轴力结构、结构功能与建筑装修、国际中标方案与国内设计院作施工图、强度(钢筋混凝土结构)与稳定(钢结构)、结构优化与经济。


结构哲理从物质的总量来讲,建筑是人类最大的一类制造物,它对自然资源的消耗或者说是破坏也是最大的,人类要对有限的物质资源进行充分合理的设计和利用。20世纪最伟大的美国发明家、建筑大师和结构工程师富勒从宇宙各个孤立的星球处于万有引力的一个平衡张力网中得到启发(科技战略思考),推断出自然界中存在着一种所谓张拉整体体系——TensileIntegritySystem,简称:“Tensegrity”,——“自然界以连续张拉来固定互相独立的受压体(连续拉、间断压)。”


富勒等人主要从形态学(morphology)的角度出发,利用拓朴原理(TopologyPrinciple)、非线性特性和自应力平衡准则,完成了与张拉整体有关的几何学上最基础的工作。


结构设计的关键两步:就是正确选择结构方案,正确估计截面尺寸和形状,否则,优化无大用。设计优良的钢结构才是绿色建筑——节材、低碳、环保,才能体现钢结构固有的三大核心价值——最轻的结构、最短的工期和最好的延性。从而,产生最好的抗震性能。100多年来,先进国家大量采用钢结构,并基本上实现了以上三大优点。



  建筑物的优劣关键是建筑空间(功能和美学)的好坏,盲目追求高、大、怪的建筑设计不符合绿色理念。应坚决贯彻落实中共十七届五中全会精神:“以科学发展为主题,以加快转变经济发展方式为主线,坚持把建设资源节约型、环境友好型社会作为加快转变经济发展方式的重要作力点”。实行“绿色GDP”的快速增长,从根本上改变高投入、高消耗、高排放的粗放型经济增长方式;实现最短的工期:工厂焊接、工地高强螺栓拼装;遵循“少费多用”(节材)的结构哲理(绿色理念)——最少的结构提供最大的结构承载力。以及设计理念:“最简洁的结构往往就是最好的结构”。结构设计若能体现钢结构固有的三大核心价值,我国已建的某些大型钢结构,结构重量或费用可降低5~10倍。



  目前,我国钢结构一级施工资质企业约450家,能参与北京奥运会(2008)、上海世博会(2010)、广州亚运会(2010)、深圳大运会(2011)等大型钢结构工程施工的企业不到5%。一方面说明复杂、笨重、怪异的钢结构设计,施工难度特大;另一方面也表明我国钢结构施工科技和技能的整体水平与先进国家比较还有较大差距。为了实现我国钢结构设计与施工的和谐,今后钢结构施工的关键是拼焊接质量、施工精度和工法,而不是拼特厚钢板现场焊接、特重件吊装。



  制造业发展重点是优化结构:企业兼并重组,提高产业集中度,发展拥有国际知名品牌和核心竞争力的大、中型企业,提升小企业专业化分工协作水平。企业模式应逐步从橄榄型向哑铃型转化——强化研发和营销,弱化钢结构制造基地,避免基地重复建设。设计收费引入功能、科技创新和省材机制;施工收费引入施工难度和精度系数;改变招投标、评奖机制;设立钢结构企业总承包资质;钢结构住宅设计、施工一体化资质等。



  钢结构施工定额应考虑钢结构施工的难度、工期和付款条件等。当前恶性竞争环境,钢结构设计又不断“创新”,商务标参照的定额永远跟不上复杂、笨重、怪异的钢结构设计,钢结构企业生存艰难,迫使钢结构企业的资金投向利润大得多的房地产和医疗等行业,不利于我国钢结构产业的发展,国外先进国家的钢结构建筑物已超过50%,而我国不到10%左右,90%以上仍是RC建筑结构。



  1996年,我国钢产量超过1亿吨,居世界各国第一。1997年建设部发布《中国建筑技术政策(1998-2010)》提出大力推广应用五大钢结构:高层钢结构、大跨屋盖空间钢结构、轻型钢结构、房屋住宅钢结构和钢-砼混合结构。2001年建设部发布《钢结构产业化技术导则》。10年来,住建部推广钢结构住宅科研课题已多达40多批,试点工程不计其数,目前为止,还不能有效推广,值得反思!
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