1994年,在四川省攀枝花市建成了世界上第一座多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)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(yàn)證了多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)理論的正確性、經(jīng)濟(jì)性和可行性。
1989年,攀枝花市勘察建筑設(shè)計(jì)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(xiàng)和審批并不順利,但建設(shè)過程卻一帆風(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(shè)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(jiǎng)、全國(guó)第一屆優(yōu)秀建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二等獎(jiǎng)、全國(guó)第二屆優(yōu)秀空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)。在成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,攀枝花市建筑設(shè)計(jì)院于1997年又建成了西昌鐵路分局體育中心多次預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)殼屋蓋工程,成功實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。
二、多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及適用范圍
多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)具有單次鋼結(jié)構(gòu)同樣的優(yōu)點(diǎn),但對(duì)鋼材強(qiáng)度潛力卻具有重復(fù)利用、充分利用的更大優(yōu)勢(shì)。所以,多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)必然享有更高的經(jīng)濟(jì)性。其具體屬性在材料彈性強(qiáng)度范圍內(nèi),可以多次地反復(fù)利用強(qiáng)度幅值,充分發(fā)揮強(qiáng)度潛力。這一屬性說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(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材的幅度10% 20%,多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)可以節(jié)約鋼材達(dá)到30%、40%。由于結(jié)構(gòu)中加載和卸載的應(yīng)力差系數(shù)Q1和Q2不同,卸載階次越高,強(qiáng)度效益則越小。所以,工程實(shí)踐中結(jié)構(gòu)的加載次數(shù)以2、3為宜,不宜超過4。
適宜采用多次預(yù)應(yīng)力技術(shù)的結(jié)構(gòu)類型和條件有以下四點(diǎn):一是結(jié)構(gòu)跨度較大,外部荷載較重,且荷載可分批施加到結(jié)構(gòu)上去;二是結(jié)構(gòu)承重材料具有相近的抗拉、抗壓彈性強(qiáng)度;三是結(jié)構(gòu)體系具有較小的應(yīng)力差系數(shù)Q,體系適宜采用多次預(yù)應(yīng)力技術(shù);四是施工條件可以滿足多次預(yù)應(yīng)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(xiàn),唯獨(dú)第三點(diǎn)是需要探索研究的。這也就是同樣的多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程所呈現(xiàn)不同經(jīng)濟(jì)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(xiàn)代化的綜合體育館。該館屋蓋呈八角花瓣形,結(jié)構(gòu)是由預(yù)應(yīng)力雙層鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼構(gòu)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(biāo)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(biāo)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(shè)防。1類場(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(shè)計(jì)用鋼量為35千克/平方米。同比,非預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)殼的用鋼量達(dá)55.21,多次預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)殼節(jié)約鋼材達(dá)37%。與當(dāng)時(shí)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)殼節(jié)約鋼材超過了50%。
攀枝花體育館屋蓋設(shè)計(jì)達(dá)到如此驚人的經(jīng)濟(jì)效果,歸功于多次預(yù)應(yīng)力技術(shù)的采用。該方案選用了五階段加卸載設(shè)計(jì)。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-全部設(shè)備。這種多次預(yù)應(yīng)力施工工藝使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力峰值保持低量平穩(wěn),結(jié)構(gòu)的變形量從增大到減小,控制在限定的范圍之內(nèi),網(wǎng)殼中心節(jié)點(diǎn)的豎向位移,隨著預(yù)應(yīng)力階段的不同而有增有減,但都限定在設(shè)計(jì)要求。
西昌鐵路分局體育中心體育館是一座位于震區(qū)以球類比賽為主兼有其他文化娛樂的多功能體育館,其屋蓋為一矩形底球殼與外挑1~6米變厚柱殼組合的預(yù)應(yīng)力鋼穹頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。覆蓋平面尺寸為42.7米×59.7米。由于屋蓋為大開口型,所以沿兩個(gè)長(zhǎng)向邊緣構(gòu)件各設(shè)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?;撅L(fēng)壓為0.4千牛/平方米。屋面荷載2.96千牛/平方米??拐鹆叶劝?度設(shè)防。主要桿件材質(zhì)為Q235鋼管。預(yù)應(yīng)力鋼索采用高強(qiáng)鋼絞線。網(wǎng)殼設(shè)計(jì)用鋼量為28.48公斤/平方米。結(jié)構(gòu)選型時(shí)既要滿足建筑功能要求,又要符合安全可靠的設(shè)計(jì)規(guī)定。同時(shí)又制約于工程總投資及當(dāng)?shù)丶庸ぐ惭b的技術(shù)條件限制。由于屋蓋平面尺寸的長(zhǎng)寬比較大,支承條件差,結(jié)構(gòu)剛度小,屋蓋荷載重,又地處高烈度地震區(qū),采用常規(guī)結(jié)構(gòu)難以滿足設(shè)計(jì)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(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)殼。分析表明:多次預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)殼比組合雙曲扁網(wǎng)殼的用鋼量節(jié)省27.99%;而多次預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)殼比平板網(wǎng)架的用鋼量節(jié)約更多,為34.54%。所以多次預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)殼是不二的選擇。
四、幾點(diǎn)反思
第一,管理部門和技術(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(shè)項(xiàng)目的審批會(huì)上曾遭到主管部門的質(zhì)疑、否決。多次預(yù)應(yīng)力技術(shù)創(chuàng)新的實(shí)踐檢驗(yàn)因此被延遲了5年。筆者認(rèn)為,領(lǐng)導(dǎo)者對(duì)新生事物采取謹(jǐn)慎和嚴(yán)格的態(tài)度是應(yīng)該和必要的,但用拖延與擱置的手段以推卸“風(fēng)險(xiǎn)”責(zé)任,則是不當(dāng)?shù)淖龇?。設(shè)計(jì)部門對(duì)此采取了積極態(tài)度,在大量研究與試驗(yàn)基礎(chǔ)上,邀請(qǐng)專家們參加審查把關(guān),化解了矛盾和困難。國(guó)際上首例的多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程一次順利完工并投產(chǎn)服役。但是,近20年來多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科發(fā)展緩慢,工程實(shí)踐未曾再現(xiàn),不能不說是一個(gè)遺憾。鋼結(jié)構(gòu)的科技創(chuàng)新在哪里?我們明確了方向,落實(shí)了項(xiàng)目后,需要的是真干和實(shí)干。
第二,對(duì)綠色建筑的理解和認(rèn)識(shí)要進(jìn)一步全面和深化。要可持續(xù)發(fā)展,必須重視節(jié)約資源、減免排污、環(huán)境保護(hù)、循環(huán)利用,在建筑行業(yè)中倡導(dǎo)綠色建筑工程。我國(guó)對(duì)綠色建筑的概念是:節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)材和環(huán)保。在文字和言論表達(dá)中,較多論述的是太陽能利用、門窗保暖設(shè)計(jì)、水的循環(huán)利用等等。一座建筑物全壽命的成本當(dāng)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(jié)材不僅僅是采用高強(qiáng)材料,更重要的是要在節(jié)約用材、合理用材、高效用材、科學(xué)選材、重復(fù)用材和回收舊材等方面多作倡導(dǎo)和要求。所以,設(shè)計(jì)伊始進(jìn)行科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)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(jì)、美觀”建設(shè)三原則應(yīng)回歸建筑行業(yè)并成為行規(guī)和“家風(fēng)”。從古羅馬開始,這三原則就以不同的表述方式,貫徹在古今中外的建設(shè)過程中。攀枝花體育館在投資約束下,技術(shù)人員走出山區(qū),面向全國(guó)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,我國(guó)關(guān)于“怪異”、“豪華建筑”的爭(zhēng)論至今沒有停止,違背“適用、經(jīng)濟(jì)、美觀”的做法值得有關(guān)主管部門、技術(shù)單位深刻反思并認(rèn)真糾正。
第四,積極創(chuàng)導(dǎo)行業(yè)健康發(fā)展的紛圍。現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的正確發(fā)展方向應(yīng)當(dāng)是機(jī)械化、自動(dòng)化、工業(yè)化的大規(guī)模批量生產(chǎn)模式。所以對(duì)手工化、單體化、作坊化的特殊工程,尤其是對(duì)“梁柱連接節(jié)點(diǎn)無一雷同”、“構(gòu)件形狀無一直線”的工程在行業(yè)內(nèi),應(yīng)當(dāng)盡量規(guī)避和淡化。符合行業(yè)發(fā)展方向與國(guó)家經(jīng)濟(jì)政策的工程精品,則應(yīng)大力宣傳與推廣。我們千萬不要因?yàn)楸皇谟枇四硞€(gè)“獎(jiǎng)”項(xiàng)而迷失方向,甚至洋洋得意。我國(guó)的專業(yè)媒體和專家、學(xué)者應(yīng)當(dāng)根據(jù)科技發(fā)展方向和中國(guó)國(guó)情實(shí)際,把行業(yè)的健康發(fā)展作為自己責(zé)無旁貸的歷史責(zé)任。(建筑時(shí)報(bào))