创新结构与概念处置

2017-04-11
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在国家大力倡导“提高自主创新能力”的指导下,伴随当前高性能,通用与专用设计软件的加速发展,更结合我国力昌盛承办奥运的大好时机,近年来在国内建筑领域涌现出了一大批国际驰名的高水平建筑结构工程,如国家体育场(鸟巢)、国家体育馆、国家游泳中心(水立方)等。

按所有事物发展的必然规律:成功就伴随着进入历史,后人将在前者的基础之上去学习采纳、借鉴改进、发展前进。

单就借鉴而言笔者认为今后对以下几点有必要进行深入的概念思考。

1、在国家体育馆114m×145m的大跨屋盖中设计采用了创新的张弦钢架结构,其上部的刚性子结构为平面桁架,下部柔性拉索采用了外周挤包PE双护层,大节距扭绞高强度低松弛热镀锌钢丝缆索,最小截面为φ5×109(钢丝截面积A=2140mm2,外包PE厚7.25 mm),最大截面为φ5×367(A=7206mm2,外包PE厚10.5 mm),钢丝强度等级为1670Mpa。中部撑杆用φ219×12钢管。由于撑杆一律为垂直地面设置,这样撑杆就与弧曲缆索的相交为斜交而非垂直交。从力学角度看:斜交必然在相交节点处存在沿缆索轴向的剪力(下滑力),该力最大处可达35KN。这样看来:缆索节点处外包10.5~7.25厚的PE层,须将其承受的来自于撑杆底球夹板的数百KN压力及35KN剪力传递给钢丝。此二力由高强固体的钢丝承受来说是简便的;但对于塑料PE层来讲,由于PE属高分子聚合物,具有粘弹性,受力过程中会产生蠕变,这就需要深加斟酌,摸清底细。在本工程中如若PE层出现蠕变,则长年累月、日久之后,随着时间的推移是会对结构出现不利影响的。

2、在国家体育场工程中成功实现了外围333m长轴、296m短轴,顶开长轴190m,短轴124m洞口的巨型大空间结构。此结构规模可称是空前的。其主结构为与顶开椭圆洞口近似相切的24榀门式桁架。屋顶部桁架上弦截面基本为1000×1000焊接方管,下弦为800×800管,腹杆600×600。除主结构之外,兼顾造型还设有次结构,其中位于周边墙面者用1200×1000管,用于屋顶者为1000×1000管。单就主结构的设置来看,其布局严谨规则、结构的受力还是比较简捷明确的。而在基于形成鸟巢造型——次结构介入的条件下(应当承认:主、次结构是人为命名,而结构的实际工作特别是地震作用时是按其所处部位、具备的刚度大小、不分主次、平等参与的),由于次结构截面硕大,刚性显赫,这就引发了结构受力的复杂,地震时出现短柱、应力干扰情况明显。此外,无规则配置的构件、施工中易于出现多方面的误差,过多焊连及强拉硬撬的拼装也极易引起内力的混乱。这从设计应追求结构受力简捷明确(这对有利于工程师对结构内力值的分析判断是十分有利的)的角度来看,以次结构的手法替代装饰工作的效果,结合增大施工难度,造价提高方面来讲,似嫌有其欠妥之处。此外,鸟巢顶角的特殊造型要求次结构歪扭弯转地承担受力工作,其内应力计算的难度是空前的,设计过程中特为此开展了设计院与清华大学合作的“次结构扭曲构件设计研究”,通过试验分析,设计采用了加厚四周板件,增设加劲隔板的办法解决了设计计算中的此项难题,但其中遗憾不足的是,由于在分析中未能区别认清矩形管四壁中直板与曲板受剪与受轴力的不同,以及管体受弯时,曲弧翼缘板面存在随板厚t及纵向应力σZ,成正比,与该点曲率半径R成反比的一项垂直于板面,作用走向按对曲率中心“压离——板面受压时离心而去”,“拉来——板面受拉时向心而来”的暗载QA,即QAZt/R一事,未能区别处置相关板件,以及加劲肋不是按受力,主要对翼缘设纵向加劲肋,而是设了横向开孔的加劲隔板,致使用钢多消耗了一些。

3、在国家游泳中心(水立方)工程中,结构采用了基于气泡理论的多面体空间钢架结构。外墙钢架厚3.472m。该工程的结构件、杆件布局不是出发于常规设计力学原则,而是由多面体构成的三维空间切割生成的未经任何修改的“纯净”结构构成,设计中只是由工程师、科研、教学部门全力硬性装备、构筑其作为受力的,位于屋盖及墙体上的面弦杆及内腹杆所需相关的构造措施。整个设计过程是艰难的。该工程结构及设计手法应属空前的全面创新。

深入思考结构内部杆件的构造与受力:节点皆由四杆交汇,取其中任一节点来看,交汇处四个杆共同对节点的作用是使节点在四杆力的作用下平衡,在四弯矩的合作用下平衡。如单独考虑力的平衡:当四杆中的任一个力为零时,其它三个力亦应是零,这样节点才会平衡;如此扩展相传将会是全部杆的轴力为零;当然,由于刚接点对弯矩自行调整,此连锁反应并不存在,但与此同时,杆的弯矩值会显著增大。此推论反映了该结构是一较为敏感的结构。它对于未来需要增设入口、变动空间布局时,对其改造是存在一定的难度,不便简单处置。此外,在目前工程结构设计中普遍重视“防倒塌、防连续倒塌”的情况下,针对本工程特有采用的:普遍相对纤细的墙架杆、柔弱牵强的刚构节点、敏感遍连整体的杆布局结构来说,是嫌有其不足的一面。

应当承认以上三工程都属较为全面的创新,其在工程界的功绩是显赫的。但也反映出在创新工作中务需对各个方面,边边角角都要工作到位。诚如老话说“结构设计对所有的影响因素都需考虑,但好多的可以忽略”。能否做到这一点,关键在于工程师所具备概念的广度与深度。在电算技术迅猛发展的一段时间以来,不少人把“手算——概念——概念设计”视为一体,在这种形势下将“概念”的珍贵高深一面被淡化贬黜,这是很遗憾的。工作中常见有的同行自认为只要熟练掌握高性能软件,则对“概念”的思考、积累、提高皆可弃之一旁,这是有嫌偏颇的。实际上,“清晰、全面坚实的概念”对于工程师来说是极为重要的,这可以从国家标准《建筑抗震设计规范GB50011-2001》第3.6.6条文中下列的字句间看出它的一个侧面:

“……内力和变形的计算应采用不少于两个不同的力学模型……”

“所有计算机计算结果,应经分析判断确认其合理……”

国家规范在这里提出的力学模型,其建立应根据什么?要求进行分析判断确认合理的依据又是什么?答案只有一个,就是工程师“清晰、全面坚实的概念”,别无其它!

正象数码相机拍照——输入电脑——喷绘显像成为画面,这与画家创作的画,二者相比存在原则差别。只有后者可称其为创作,这是因为只有后者在画家投入感情意识条件下才能显现出画面人物的精神、气质、思想。

同理,工程结构设计中只有有限元的计算运作,没有强有力的结构的力学概念思维在各阶段多方参予投入,其结果是难以构成完美的创新作品。

应当承认:高性能软件的功能确实是工程师工作中必须依靠的有力工具,它在既定正确的条件下可将结构内力计算的完美无缺,它可以说是工程师计算所需的“法宝”,但它只能是属于手段,工具的层面。在设计创新工作中,必须是在各阶段(确定方案、选型、计算建模、构造处置、确认核实……)全方位投入概念思考、分析、推理、比对、判断、决策。这样创新的成果才能经得起推敲,能承受长久时间的考验。就以本文的举例来看,当初如若具备“高分子材料在受力后具有蠕变特征”、“曲弧板不能承受弧向拉(压)力,否则须有另外的辅助力作用才行”、“结构受力以简洁、明确为佳”、“长链静定结构的合理运用与特征”等深一层的概念,使工程在初始阶段得以妥善处置的话,则这些工程将会是更完美的作品