一、多次預應力鋼結構建筑橫空出世
1994年，在四川省攀枝花市建成了世界上第一座多次預應力鋼結構網(wǎng)殼的體育館——攀枝花體育館。攀枝花體育館用事實(shí)、時(shí)間驗證了多次預應力鋼結構理論的正確性、經(jīng)濟性和可行性。
1989年，攀枝花市勘察建筑設計院和筆者共同創(chuàng )意完成了攀枝花體育館。雖然工程的立項和審批并不順利，但建設過(guò)程卻一帆風(fēng)順，多次技術(shù)把關(guān)、多次修改完善，一次安裝成功、一次投產(chǎn)，創(chuàng )造了大型創(chuàng )新工程成功建設的奇跡。
1995年攀枝花體育館工程獲得四川省科技進(jìn)步一等獎、全國第一屆優(yōu)秀建筑結構設計二等獎、全國第二屆優(yōu)秀空間結構設計一等獎。在成功經(jīng)驗的基礎上，攀枝花市建筑設計院于1997年又建成了西昌鐵路分局體育中心多次預應力鋼網(wǎng)殼屋蓋工程，成功實(shí)現創(chuàng )新。
二、多次預應力鋼結構的特點(diǎn)及適用范圍
多次預應力鋼結構具有單次鋼結構同樣的優(yōu)點(diǎn)，但對鋼材強度潛力卻具有重復利用、充分利用的更大優(yōu)勢。所以，多次預應力鋼結構必然享有更高的經(jīng)濟性。其具體屬性在材料彈性強度范圍內，可以多次地反復利用強度幅值，充分發(fā)揮強度潛力。這一屬性說(shuō)明可以用有限的資源超額完成其能力以外的任務(wù)。相比單次預應力鋼結構節約鋼材的幅度10% 20%，多次預應力鋼結構可以節約鋼材達到30%、40%。由于結構中加載和卸載的應力差系數Q1和Q2不同，卸載階次越高，強度效益則越小。所以，工程實(shí)踐中結構的加載次數以2、3為宜，不宜超過(guò)4。
適宜采用多次預應力技術(shù)的結構類(lèi)型和條件有以下四點(diǎn)：一是結構跨度較大，外部荷載較重，且荷載可分批施加到結構上去；二是結構承重材料具有相近的抗拉、抗壓彈性強度；三是結構體系具有較小的應力差系數Q，體系適宜采用多次預應力技術(shù)；四是施工條件可以滿(mǎn)足多次預應力技術(shù)的實(shí)施工藝。以上第一、第二、第四的要求都不難實(shí)現，唯獨第三點(diǎn)是需要探索研究的。這也就是同樣的多次預應力鋼結構工程所呈現不同經(jīng)濟效益的原因。
三、西南叢山中的兩顆綠色建筑明珠
攀枝花市體育館坐落在西南崇山峻嶺間的金沙江畔，是一座多功能現代化的綜合體育館。該館屋蓋呈八角花瓣形，結構是由預應力雙層鋼結構網(wǎng)殼構成。周邊用八個(gè)變厚度柱網(wǎng)殼相連。八邊形外尚有不等的懸挑。屋蓋支承于標高16.6米的8根RC圓柱上，相鄰柱距24.85米，球殼曲率半徑R=63.71米，矢高f=8.9米，殼厚h=1.8米，殼體中心標高H=27.90米，最大覆蓋平面尺寸74.8米×74.8米。該工程按7度抗震設防。1類(lèi)場(chǎng)地，基本風(fēng)壓0.5千牛/平方米，屋面荷載4.4千牛/平方米。網(wǎng)殼桿件采用16錳鋼管。屋蓋設計用鋼量為35千克/平方米。同比，非預應力鋼網(wǎng)殼的用鋼量達55.21，多次預應力鋼網(wǎng)殼節約鋼材達37%。與當時(shí)應用廣泛的平板網(wǎng)架同比用鋼量77.57千克/平方米相比，多次預應力鋼網(wǎng)殼節約鋼材超過(guò)了50%。
攀枝花體育館屋蓋設計達到如此驚人的經(jīng)濟效果，歸功于多次預應力技術(shù)的采用。該方案選用了五階段加卸載設計。即：自重-第一批屋面板；第一次張拉卸載；第二批屋面板加載；第二次張拉卸載；屋面裝修-馬道-管線(xiàn)-全部設備。這種多次預應力施工工藝使得結構構件的內力峰值保持低量平穩，結構的變形量從增大到減小，控制在限定的范圍之內，網(wǎng)殼中心節點(diǎn)的豎向位移，隨著(zhù)預應力階段的不同而有增有減，但都限定在設計要求。
西昌鐵路分局體育中心體育館是一座位于震區以球類(lèi)比賽為主兼有其他文化娛樂(lè )的多功能體育館，其屋蓋為一矩形底球殼與外挑1～6米變厚柱殼組合的預應力鋼穹頂網(wǎng)殼結構。覆蓋平面尺寸為42.7米×59.7米。由于屋蓋為大開(kāi)口型，所以沿兩個(gè)長(cháng)向邊緣構件各設7個(gè)點(diǎn)支撐。球殼的曲率半徑為64.77米中心點(diǎn)矢高6.15米。網(wǎng)殼厚度1.25米。基本風(fēng)壓為0.4千牛/平方米。屋面荷載2.96千牛/平方米。抗震烈度按9度設防。主要桿件材質(zhì)為Q235鋼管。預應力鋼索采用高強鋼絞線(xiàn)。網(wǎng)殼設計用鋼量為28.48公斤/平方米。結構選型時(shí)既要滿(mǎn)足建筑功能要求，又要符合安全可靠的設計規定。同時(shí)又制約于工程總投資及當地加工安裝的技術(shù)條件限制。由于屋蓋平面尺寸的長(cháng)寬比較大，支承條件差，結構剛度小，屋蓋荷載重，又地處高烈度地震區，采用常規結構難以滿(mǎn)足設計要求。所以研究中分析三種方案：平板網(wǎng)架；組合雙曲扁網(wǎng)殼；多次預應力鋼網(wǎng)殼。分析表明：多次預應力鋼網(wǎng)殼比組合雙曲扁網(wǎng)殼的用鋼量節省27.99%;而多次預應力鋼網(wǎng)殼比平板網(wǎng)架的用鋼量節約更多，為34.54%。所以多次預應力鋼網(wǎng)殼是不二的選擇。
四、幾點(diǎn)反思
第一，管理部門(mén)和技術(shù)單位要做科技創(chuàng )新的推動(dòng)者及實(shí)踐者。攀枝花體育館在建設項目的審批會(huì )上曾遭到主管部門(mén)的質(zhì)疑、否決。多次預應力技術(shù)創(chuàng )新的實(shí)踐檢驗因此被延遲了5年。筆者認為，領(lǐng)導者對新生事物采取謹慎和嚴格的態(tài)度是應該和必要的，但用拖延與擱置的手段以推卸“風(fēng)險”責任，則是不當的做法。設計部門(mén)對此采取了積極態(tài)度，在大量研究與試驗基礎上，邀請專(zhuān)家們參加審查把關(guān)，化解了矛盾和困難。國際上首例的多次預應力鋼結構工程一次順利完工并投產(chǎn)服役。但是，近20年來(lái)多次預應力鋼結構學(xué)科發(fā)展緩慢，工程實(shí)踐未曾再現，不能不說(shuō)是一個(gè)遺憾。鋼結構的科技創(chuàng )新在哪里？我們明確了方向，落實(shí)了項目后，需要的是真干和實(shí)干。
第二，對綠色建筑的理解和認識要進(jìn)一步全面和深化。要可持續發(fā)展，必須重視節約資源、減免排污、環(huán)境保護、循環(huán)利用，在建筑行業(yè)中倡導綠色建筑工程。我國對綠色建筑的概念是：節能、節水、節地、節材和環(huán)保。在文字和言論表達中，較多論述的是太陽(yáng)能利用、門(mén)窗保暖設計、水的循環(huán)利用等等。一座建筑物全壽命的成本當然初始投資是主要部分，而建筑材料的造價(jià)又是其重要部分。節材不僅僅是采用高強材料，更重要的是要在節約用材、合理用材、高效用材、科學(xué)選材、重復用材和回收舊材等方面多作倡導和要求。所以，設計伊始進(jìn)行科學(xué)、合理、經(jīng)濟的結構選型就會(huì )得到綠色建筑的關(guān)鍵保證。這樣，建筑工程才可能從“淺綠”走向“深綠”。
第三，“適用、經(jīng)濟、美觀(guān)”建設三原則應回歸建筑行業(yè)并成為行規和“家風(fēng)”。從古羅馬開(kāi)始，這三原則就以不同的表述方式，貫徹在古今中外的建設過(guò)程中。攀枝花體育館在投資約束下，技術(shù)人員走出山區，面向全國尋求新體系、新技術(shù)、新方案并獲得成功的做法值得借鑒。近年來(lái)，我國關(guān)于“怪異”、“豪華建筑”的爭論至今沒(méi)有停止，違背“適用、經(jīng)濟、美觀(guān)”的做法值得有關(guān)主管部門(mén)、技術(shù)單位深刻反思并認真糾正。
第四，積極創(chuàng )導行業(yè)健康發(fā)展的紛圍。現代鋼結構產(chǎn)業(yè)的正確發(fā)展方向應當是機械化、自動(dòng)化、工業(yè)化的大規模批量生產(chǎn)模式。所以對手工化、單體化、作坊化的特殊工程，尤其是對“梁柱連接節點(diǎn)無(wú)一雷同”、“構件形狀無(wú)一直線(xiàn)”的工程在行業(yè)內，應當盡量規避和淡化。符合行業(yè)發(fā)展方向與國家經(jīng)濟政策的工程精品，則應大力宣傳與推廣。我們千萬(wàn)不要因為被授予了某個(gè)“獎”項而迷失方向，甚至洋洋得意。我國的專(zhuān)業(yè)媒體和專(zhuān)家、學(xué)者應當根據科技發(fā)展方向和中國國情實(shí)際，把行業(yè)的健康發(fā)展作為自己責無(wú)旁貸的歷史責任。（建筑時(shí)報）
1994年，在四川省攀枝花市建成了世界上第一座多次預應力鋼結構網(wǎng)殼的體育館——攀枝花體育館。攀枝花體育館用事實(shí)、時(shí)間驗證了多次預應力鋼結構理論的正確性、經(jīng)濟性和可行性。
1989年，攀枝花市勘察建筑設計院和筆者共同創(chuàng )意完成了攀枝花體育館。雖然工程的立項和審批并不順利，但建設過(guò)程卻一帆風(fēng)順，多次技術(shù)把關(guān)、多次修改完善，一次安裝成功、一次投產(chǎn)，創(chuàng )造了大型創(chuàng )新工程成功建設的奇跡。
1995年攀枝花體育館工程獲得四川省科技進(jìn)步一等獎、全國第一屆優(yōu)秀建筑結構設計二等獎、全國第二屆優(yōu)秀空間結構設計一等獎。在成功經(jīng)驗的基礎上，攀枝花市建筑設計院于1997年又建成了西昌鐵路分局體育中心多次預應力鋼網(wǎng)殼屋蓋工程，成功實(shí)現創(chuàng )新。
二、多次預應力鋼結構的特點(diǎn)及適用范圍
多次預應力鋼結構具有單次鋼結構同樣的優(yōu)點(diǎn)，但對鋼材強度潛力卻具有重復利用、充分利用的更大優(yōu)勢。所以，多次預應力鋼結構必然享有更高的經(jīng)濟性。其具體屬性在材料彈性強度范圍內，可以多次地反復利用強度幅值，充分發(fā)揮強度潛力。這一屬性說(shuō)明可以用有限的資源超額完成其能力以外的任務(wù)。相比單次預應力鋼結構節約鋼材的幅度10% 20%，多次預應力鋼結構可以節約鋼材達到30%、40%。由于結構中加載和卸載的應力差系數Q1和Q2不同，卸載階次越高，強度效益則越小。所以，工程實(shí)踐中結構的加載次數以2、3為宜，不宜超過(guò)4。
適宜采用多次預應力技術(shù)的結構類(lèi)型和條件有以下四點(diǎn)：一是結構跨度較大，外部荷載較重，且荷載可分批施加到結構上去；二是結構承重材料具有相近的抗拉、抗壓彈性強度；三是結構體系具有較小的應力差系數Q，體系適宜采用多次預應力技術(shù)；四是施工條件可以滿(mǎn)足多次預應力技術(shù)的實(shí)施工藝。以上第一、第二、第四的要求都不難實(shí)現，唯獨第三點(diǎn)是需要探索研究的。這也就是同樣的多次預應力鋼結構工程所呈現不同經(jīng)濟效益的原因。
三、西南叢山中的兩顆綠色建筑明珠
攀枝花市體育館坐落在西南崇山峻嶺間的金沙江畔，是一座多功能現代化的綜合體育館。該館屋蓋呈八角花瓣形，結構是由預應力雙層鋼結構網(wǎng)殼構成。周邊用八個(gè)變厚度柱網(wǎng)殼相連。八邊形外尚有不等的懸挑。屋蓋支承于標高16.6米的8根RC圓柱上，相鄰柱距24.85米，球殼曲率半徑R=63.71米，矢高f=8.9米，殼厚h=1.8米，殼體中心標高H=27.90米，最大覆蓋平面尺寸74.8米×74.8米。該工程按7度抗震設防。1類(lèi)場(chǎng)地，基本風(fēng)壓0.5千牛/平方米，屋面荷載4.4千牛/平方米。網(wǎng)殼桿件采用16錳鋼管。屋蓋設計用鋼量為35千克/平方米。同比，非預應力鋼網(wǎng)殼的用鋼量達55.21，多次預應力鋼網(wǎng)殼節約鋼材達37%。與當時(shí)應用廣泛的平板網(wǎng)架同比用鋼量77.57千克/平方米相比，多次預應力鋼網(wǎng)殼節約鋼材超過(guò)了50%。
攀枝花體育館屋蓋設計達到如此驚人的經(jīng)濟效果，歸功于多次預應力技術(shù)的采用。該方案選用了五階段加卸載設計。即：自重-第一批屋面板；第一次張拉卸載；第二批屋面板加載；第二次張拉卸載；屋面裝修-馬道-管線(xiàn)-全部設備。這種多次預應力施工工藝使得結構構件的內力峰值保持低量平穩，結構的變形量從增大到減小，控制在限定的范圍之內，網(wǎng)殼中心節點(diǎn)的豎向位移，隨著(zhù)預應力階段的不同而有增有減，但都限定在設計要求。
西昌鐵路分局體育中心體育館是一座位于震區以球類(lèi)比賽為主兼有其他文化娛樂(lè )的多功能體育館，其屋蓋為一矩形底球殼與外挑1～6米變厚柱殼組合的預應力鋼穹頂網(wǎng)殼結構。覆蓋平面尺寸為42.7米×59.7米。由于屋蓋為大開(kāi)口型，所以沿兩個(gè)長(cháng)向邊緣構件各設7個(gè)點(diǎn)支撐。球殼的曲率半徑為64.77米中心點(diǎn)矢高6.15米。網(wǎng)殼厚度1.25米。基本風(fēng)壓為0.4千牛/平方米。屋面荷載2.96千牛/平方米。抗震烈度按9度設防。主要桿件材質(zhì)為Q235鋼管。預應力鋼索采用高強鋼絞線(xiàn)。網(wǎng)殼設計用鋼量為28.48公斤/平方米。結構選型時(shí)既要滿(mǎn)足建筑功能要求，又要符合安全可靠的設計規定。同時(shí)又制約于工程總投資及當地加工安裝的技術(shù)條件限制。由于屋蓋平面尺寸的長(cháng)寬比較大，支承條件差，結構剛度小，屋蓋荷載重，又地處高烈度地震區，采用常規結構難以滿(mǎn)足設計要求。所以研究中分析三種方案：平板網(wǎng)架；組合雙曲扁網(wǎng)殼；多次預應力鋼網(wǎng)殼。分析表明：多次預應力鋼網(wǎng)殼比組合雙曲扁網(wǎng)殼的用鋼量節省27.99%;而多次預應力鋼網(wǎng)殼比平板網(wǎng)架的用鋼量節約更多，為34.54%。所以多次預應力鋼網(wǎng)殼是不二的選擇。
四、幾點(diǎn)反思
第一，管理部門(mén)和技術(shù)單位要做科技創(chuàng )新的推動(dòng)者及實(shí)踐者。攀枝花體育館在建設項目的審批會(huì )上曾遭到主管部門(mén)的質(zhì)疑、否決。多次預應力技術(shù)創(chuàng )新的實(shí)踐檢驗因此被延遲了5年。筆者認為，領(lǐng)導者對新生事物采取謹慎和嚴格的態(tài)度是應該和必要的，但用拖延與擱置的手段以推卸“風(fēng)險”責任，則是不當的做法。設計部門(mén)對此采取了積極態(tài)度，在大量研究與試驗基礎上，邀請專(zhuān)家們參加審查把關(guān)，化解了矛盾和困難。國際上首例的多次預應力鋼結構工程一次順利完工并投產(chǎn)服役。但是，近20年來(lái)多次預應力鋼結構學(xué)科發(fā)展緩慢，工程實(shí)踐未曾再現，不能不說(shuō)是一個(gè)遺憾。鋼結構的科技創(chuàng )新在哪里？我們明確了方向，落實(shí)了項目后，需要的是真干和實(shí)干。
第二，對綠色建筑的理解和認識要進(jìn)一步全面和深化。要可持續發(fā)展，必須重視節約資源、減免排污、環(huán)境保護、循環(huán)利用，在建筑行業(yè)中倡導綠色建筑工程。我國對綠色建筑的概念是：節能、節水、節地、節材和環(huán)保。在文字和言論表達中，較多論述的是太陽(yáng)能利用、門(mén)窗保暖設計、水的循環(huán)利用等等。一座建筑物全壽命的成本當然初始投資是主要部分，而建筑材料的造價(jià)又是其重要部分。節材不僅僅是采用高強材料，更重要的是要在節約用材、合理用材、高效用材、科學(xué)選材、重復用材和回收舊材等方面多作倡導和要求。所以，設計伊始進(jìn)行科學(xué)、合理、經(jīng)濟的結構選型就會(huì )得到綠色建筑的關(guān)鍵保證。這樣，建筑工程才可能從“淺綠”走向“深綠”。
第三，“適用、經(jīng)濟、美觀(guān)”建設三原則應回歸建筑行業(yè)并成為行規和“家風(fēng)”。從古羅馬開(kāi)始，這三原則就以不同的表述方式，貫徹在古今中外的建設過(guò)程中。攀枝花體育館在投資約束下，技術(shù)人員走出山區，面向全國尋求新體系、新技術(shù)、新方案并獲得成功的做法值得借鑒。近年來(lái)，我國關(guān)于“怪異”、“豪華建筑”的爭論至今沒(méi)有停止，違背“適用、經(jīng)濟、美觀(guān)”的做法值得有關(guān)主管部門(mén)、技術(shù)單位深刻反思并認真糾正。
第四，積極創(chuàng )導行業(yè)健康發(fā)展的紛圍。現代鋼結構產(chǎn)業(yè)的正確發(fā)展方向應當是機械化、自動(dòng)化、工業(yè)化的大規模批量生產(chǎn)模式。所以對手工化、單體化、作坊化的特殊工程，尤其是對“梁柱連接節點(diǎn)無(wú)一雷同”、“構件形狀無(wú)一直線(xiàn)”的工程在行業(yè)內，應當盡量規避和淡化。符合行業(yè)發(fā)展方向與國家經(jīng)濟政策的工程精品，則應大力宣傳與推廣。我們千萬(wàn)不要因為被授予了某個(gè)“獎”項而迷失方向，甚至洋洋得意。我國的專(zhuān)業(yè)媒體和專(zhuān)家、學(xué)者應當根據科技發(fā)展方向和中國國情實(shí)際，把行業(yè)的健康發(fā)展作為自己責無(wú)旁貸的歷史責任。（建筑時(shí)報）
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