精心设计

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　　摘 要：近年钢结构行业快速发展中，一些工程出现选型不当、结构不合理、构造繁杂，制造、安装困难，材料浪费、造价高昂等问题。究其原因，问题出自怪异的设计构思和奇特的设计方案。所以，端正设计思想，掌握先进技术，精心设计创作，成为我国钢结构行业健康、积极发展的关键。
　　 关键词：建筑；结构；设计；钢结构行业
　　
　　
　　 设计好坏，影响工程的成败，这一浅显的道理，往往不被人们所重视。工程立项之始，人们常被浮躁的激情、虚荣的妄想、奇异的构思和不小的财力所左右。形式上通过专家评审，草率地敲定设计方案、建设运行过程中，又屡屡修改方案，频频“优化”设计，增设“攻关”课题，甚至被迫停工整顿。工程投产服役后，又遇产能不匹配，功能常调整，运营成本高，维修保养难等一系列困惑。这就是我国目前某些钢结构工程中出现过或存在的问题。
　　1 工程回顾
　　 国内外的建筑史中都有过失败的建筑、成功的结构案例，如悉尼歌剧院（图1），由于建筑设计理念的过于超前，竣工时间延后了17年，投资提高了6倍。再如蒙特利尔奥运会体育建筑群（图2），由于设计、规划及结构不合理，使工程造价增大3倍～4倍，30年后才偿清债务，主体工程15年后才完工。我国的国家体育场（图3）和中央电视台新址的央视总部大楼（图4）等建筑物，其不合理的结构体系，高昂的建设成本等，自建设之始就是非缠身，批评不断。而成功的建筑和成功的结构实例，当属慕尼黑奥运会体育建筑群（图5）。由11根高70～80m的钢柱撑起74800m2的索网，覆盖了体育馆、游泳馆、体育场看台等多座建筑。山峦起伏的造型，新颖透明的屋面，与城郊的远山交相辉映。这个成功的设计是建筑和结构两个专业，自规划之始就密切配合协作的结果。我国在20世纪80年代兴建的吉林冰球馆（图6），采用了双层错位悬索结构屋盖，锯齿形断面的屋面具有良好的采光功能，优秀的承重体系（L=67.4m），其用钢量仅37kg/ m2。这一精品工程是由哈工大两位建筑和结构的专家成功合作完成。所以说，现代优秀的建筑设计必然是建筑师和结构师密切合作的结晶。
　　
　　
　　
　　 图1悉尼歌剧院
　　
　　
　　
　　 图2蒙特利尔奥运会主赛场
　　
　　
　　
　　 图3中国国家体育场
　　
　　
　　
　　 图4中央电视台主楼
　　
　　
　　
　　 图5慕尼黑奥运会比赛场馆
　　
　　
　　
　　 图6吉林冰球馆
　　2 社会责任
　　 我国目前钢结构的设计概况是：工程项目众多，设计良莠不齐，创新工程不少，水平有待提高。好的设计方案是诞生优秀建筑物的保证，而优秀建筑物必然是采用先进合理的钢结构体系。所以，精心设计是促使钢结构行业健康发展的关键。设计方案的优劣与设计思想、设计技术和设计文化息息相关。下面结合工程实例探讨设计方面的经验教训，以科学的是非观为武器，努力承担起专业工作者应尽的社会责任。
　　2.1 端正设计思想
　　 适用、经济、美观是建筑工程设计的三项原则。时代前进、文化不同、环境各异、财力厚薄、地域差别等个性因素只能对三项原则进行补充或修正，而不能忽视或抛弃其一。一个优秀的建筑工程应具有漂亮美观的外观造型，科学先进的承重体系，舒适完美的建筑功能，经济合理的投资与运营成本。对宏大工程的向往追求，应控制在理性范围之内。象鸟巢立项之初盲目追求“前所未有”、“回归自然”等口号，必然使招投标、设计、决策及舆论走向非理性。运作中的优化、修改、变更、甚至“叫停”，只不过是失败方案的修补，难动大局。不合理的结构方案确实付出了巨大的投资和用钢量，也带来了“前所未有”的维护、制作、安装、维修、排水、使用及运营中的困难，其根源都始自于非理性化的指导思想。而上海世博会的规划设计思想及我国新建和改建项目，赢得业内人士的一致好评。旧工业设施的改造利用，新建项目的多姿创新以及精心规划、精心设计、精心施工，产学研紧密结合等措施，成功的举办了上海世博会，在世界面前为我国争得了荣誉。
　　 错误的设计思想不仅破坏了工程本身，还对其他工程设计及行业发展产生负面影响。最近，国内新建了几座钢结构工程，它们体系奇特，构造复杂，滥用铸钢节点，无益的增大了结构自重与造价。例如，深圳大运会体育中心钢结构采用了140个铸钢节点，其中20个节点单重980kN，仅铸钢节点一项就用钢4200t，而铸钢价格又比较高，工程造价也就因这种不合理的设计而提高。近年也兴建了不少新火车站房，虽然结构的跨度都不大，但用钢量都在200～360kg/ m2。凤凰卫视中心（图7），合肥创新展馆（图8），广州歌剧院（图9），甚至山西蒲城县文化馆的混凝土工程都在仿效鸟巢的建筑理念。这些工程不仅挥霍了社会财富，浪费了自然资源，还误导了钢结构行业的发展方向，值得设计者深刻反省与思考。
　　2.2 提高设计水平
　　 “学无止境”、“学海无涯”应是每个设计者的共识，专业知识的不断更新和补充应是共同的追求。但是，有些已建和在建的工程项目，因为专业人员不熟悉、不掌握先进技术而采用老旧的传统作法。以钢结构设计中的预应力技术为例，有些设计中不是对它敬而远之，就是错用预应力钢筋混凝土中的概念，使预应力钢结构的效益大打折扣或适得其反。众所周知，预应力钢结构不仅节约钢材，提高刚度，减轻自重，降低成本，还能够扩大、反复利用钢材强度，重复、循环使用钢材，符合绿色建筑和可持续发展原则，也是大跨度钢结构发展的方向。因此，钢结构行业的同行们应该尽快熟悉它、掌握它并广泛应用它。20世纪80年代兴建的北京西客站中央门楼钢桁架，采用了不当的预应力方案，桁架跨度45.6m，高度8m，高跨比达到1/5.6，是普通桁架的2倍。而桁架构件中的应力却只达到设计值的1/3～1/2，这与采用预应力技术的目的与效果背道而驰，适得其反。结构设计者对新技术陌生或不熟悉，在所难免，问题在于工作是否科学严谨，虚心学习，认真设计。而首次在我国采用多次预应力钢网壳的攀枝花市体育馆（图10），其设计、制作、安装都一次成功顺利完成。设计团队的认真负责与专家学者的协助把关是科学采用新技术的关键。多次预应力钢网壳的钢材节省率达38%，用钢量仅49 kg/ m2 ，成为现代钢结构工程中的佼佼者。对结构工程师来说，其实也不难判断结构体系的合理性。从宏观上来看，一个钢结构建筑物的钢耗量与荷载总量之比控制在0.2～0.3之间，可谓优秀。在0.4～0.5之间，谓之平庸。如果这个比值在0.6～0.7之间或更高，那就是一个不合理的结构设计，应当优化或更改设计了。再以轻型房屋钢结构为例，它符合环保和绿色建筑的要求，又是国家大力发展推广的项目，可就是举步维艰，推广困难。百姓看重的是高成本问题，但设计者不会采用新构件、新体系、新材料、新技术把用钢量和成本降下来，也是一个影响因素。所以设计人员学习、更新专业知识，不断提高技术水平，是设计出高水平钢结构的保证。
　　2.3 改善人文素质
　　 钢结构行业的发展不仅是专业人员的事，有关决策人士的思想、认识和态度也影响、左右着行业的发展。20世纪80年代攀枝花体育馆就因决策人士对预应力钢结构的不了解而将多次预应力技术的工程实践推迟了5年。2010年全运会体育馆中采用索穹顶新技术又因“谨慎”而被否定。对专业人员进行科学人生观和科学发展观的教育也很必要，他们不仅参加设计、画图，还要担负着指导、优化、变更、审批新技术工程项目的任务。在各种环境和条件下，都应根据自己掌握的专业知识去评审、诠释和分析各类结构。用自己的良知去说真话、说实话、不追风、不唯上，实事求是地向领导、向社会、向公众点评与诠释工程的优劣得失。
　　
　　
　　
　　 图7 凤凰传媒中心
　　
　　
　　
　　 图8合肥创新展馆
　　
　　
　　
　　 图9 广州歌剧院
　　
　　
　　
　　 图10攀枝花市体育馆
　　3 健康发展
　　3.1 回归建设“适用、经济、美观”三原则
　　 这是古今中外一直遵守的建设原则。也曾指导过我国建设健康、快速发展。近年来，一些工程追求新、奇、特，攀比高、大、全。在各地出现过一些超豪华、超怪异，但造型并不美观，结构并不安全的工程。希望在设计中对“经济”原则常有迷失的倾向，迅速得到纠正。并将设计中的科技含量纳入取费标准，籍“低碳经济”的号召，把经济指标重新列入设计审评的重要内容。
　　3.2 工程建设法制化
　　 国家级大型建筑是国家和社会的财富，时代和文化的象征，它不属于哪一届政府，更不属于某一个人。因此，这种工程的立项、筹备、招投标、设计、施工、运营以及短期服役后的拆除等，都应在一定的法规或法律下进行，避免任意性及人为影响。应尽早着手建立适应我国国情的大型工程决策和审批新机制及建设法规，让国家级工程在法制轨道上运转。
　　3.3 审批制度阳光化
　　 对立项、方案、招投标等环节的评估审核制度应规范化、阳光化。评审组的组成人员应在专业、资历、比例等方面合理匹配。专家应具有代表性、权威性。评审过程要接受主管部门及社会舆论的监督。当意见分歧严重时，应提交我国的最高科技部门----中国科学院和中国工程院，进行评定，杜绝个人或少数人的权势裁定，以体现社会运转中的公正、公平、公开原则。
　　
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