一、多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)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(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、時間驗證了多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)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(shè)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(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步一等獎、全國第一屆優(yōu)秀建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計二等獎、全國第二屆優(yōu)秀空間結(jié)構(gòu)設(shè)計一等獎。在成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，攀枝花市建筑設(shè)計院于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，成功實現(xiàn)創(chuàng)新。
二、多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的特點及適用范圍
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，但對鋼材強度潛力卻具有重復(fù)利用、充分利用的更大優(yōu)勢。所以，多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)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(nèi)，可以多次地反復(fù)利用強度幅值，充分發(fā)揮強度潛力。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，強度效益則越小。所以，工程實踐中結(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：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)的實施工藝。以上第一、第二、第四的要求都不難實現(xiàn)，唯獨第三點是需要探索研究的。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(shè)防。1類場地，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55.21，多次預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)殼節(jié)約鋼材達37%。與當(dāng)時應(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)計達到如此驚人的經(jīng)濟效果，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。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，所以沿兩個長向邊緣構(gòu)件各設(shè)7個點支撐。球殼的曲率半徑為64.77米中心點矢高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。抗震烈度按9度設(shè)防。主要桿件材質(zhì)為Q235鋼管。預(yù)應(yīng)力鋼索采用高強鋼絞線。網(wǎng)殼設(shè)計用鋼量為28.48公斤/平方米。結(jié)構(gòu)選型時既要滿足建筑功能要求，又要符合安全可靠的設(shè)計規(guī)定。同時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、幾點反思
第一，管理部門和技術(shù)單位要做科技創(chuàng)新的推動者及實踐者。攀枝花體育館在建設(shè)項目的審批會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)新的實踐檢驗因此被延遲了5年。筆者認為，領(lǐng)導(dǎo)者對新生事物采取謹慎和嚴格的態(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”責(zé)任，則是不當(dāng)?shù)淖龇?。設(shè)計部門對此采取了積極態(tài)度，在大量研究與試驗基礎(chǔ)上，邀請專家們參加審查把關(guān)，化解了矛盾和困難。國際上首例的多次預(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，工程實踐未曾再現(xiàn)，不能不說是一個遺憾。鋼結(jié)構(gòu)的科技創(chuàng)新在哪里？我們明確了方向，落實了項目后，需要的是真干和實干。
第二，對綠色建筑的理解和認識要進一步全面和深化。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、循環(huán)利用，在建筑行業(yè)中倡導(dǎo)綠色建筑工程。我國對綠色建筑的概念是：節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)材和環(huán)保。在文字和言論表達中，較多論述的是太陽能利用、門窗保暖設(shè)計、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，而建筑材料的造價又是其重要部分。節(jié)材不僅僅是采用高強材料，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)計伊始進行科學(xué)、合理、經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)選型就會得到綠色建筑的關(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”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，我國關(guān)于“怪異”、“豪華建筑”的爭論至今沒有停止，違背“適用、經(jīng)濟、美觀”的做法值得有關(guān)主管部門、技術(shù)單位深刻反思并認真糾正。
第四，積極創(chuàng)導(dǎo)行業(yè)健康發(fā)展的紛圍?，F(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的正確發(fā)展方向應(yīng)當(dāng)是機械化、自動化、工業(yè)化的大規(guī)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(jié)點無一雷同”、“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)展方向與國家經(jīng)濟政策的工程精品，則應(yīng)大力宣傳與推廣。我們千萬不要因為被授予了某個“獎”項而迷失方向，甚至洋洋得意。我國的專業(yè)媒體和專家、學(xué)者應(yīng)當(dāng)根據(jù)科技發(fā)展方向和中國國情實際，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。（建筑時報）
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、時間驗證了多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)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(shè)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(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步一等獎、全國第一屆優(yōu)秀建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計二等獎、全國第二屆優(yōu)秀空間結(jié)構(gòu)設(shè)計一等獎。在成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，攀枝花市建筑設(shè)計院于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，成功實現(xiàn)創(chuàng)新。
二、多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的特點及適用范圍
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，但對鋼材強度潛力卻具有重復(fù)利用、充分利用的更大優(yōu)勢。所以，多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)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(nèi)，可以多次地反復(fù)利用強度幅值，充分發(fā)揮強度潛力。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，強度效益則越小。所以，工程實踐中結(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：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)的實施工藝。以上第一、第二、第四的要求都不難實現(xiàn)，唯獨第三點是需要探索研究的。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(shè)防。1類場地，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55.21，多次預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)殼節(jié)約鋼材達37%。與當(dāng)時應(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)計達到如此驚人的經(jīng)濟效果，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。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，所以沿兩個長向邊緣構(gòu)件各設(shè)7個點支撐。球殼的曲率半徑為64.77米中心點矢高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。抗震烈度按9度設(shè)防。主要桿件材質(zhì)為Q235鋼管。預(yù)應(yīng)力鋼索采用高強鋼絞線。網(wǎng)殼設(shè)計用鋼量為28.48公斤/平方米。結(jié)構(gòu)選型時既要滿足建筑功能要求，又要符合安全可靠的設(shè)計規(guī)定。同時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、幾點反思
第一，管理部門和技術(shù)單位要做科技創(chuàng)新的推動者及實踐者。攀枝花體育館在建設(shè)項目的審批會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)新的實踐檢驗因此被延遲了5年。筆者認為，領(lǐng)導(dǎo)者對新生事物采取謹慎和嚴格的態(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”責(zé)任，則是不當(dāng)?shù)淖龇?。設(shè)計部門對此采取了積極態(tài)度，在大量研究與試驗基礎(chǔ)上，邀請專家們參加審查把關(guān)，化解了矛盾和困難。國際上首例的多次預(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，工程實踐未曾再現(xiàn)，不能不說是一個遺憾。鋼結(jié)構(gòu)的科技創(chuàng)新在哪里？我們明確了方向，落實了項目后，需要的是真干和實干。
第二，對綠色建筑的理解和認識要進一步全面和深化。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、循環(huán)利用，在建筑行業(yè)中倡導(dǎo)綠色建筑工程。我國對綠色建筑的概念是：節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)材和環(huán)保。在文字和言論表達中，較多論述的是太陽能利用、門窗保暖設(shè)計、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，而建筑材料的造價又是其重要部分。節(jié)材不僅僅是采用高強材料，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)計伊始進行科學(xué)、合理、經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)選型就會得到綠色建筑的關(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”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，我國關(guān)于“怪異”、“豪華建筑”的爭論至今沒有停止，違背“適用、經(jīng)濟、美觀”的做法值得有關(guān)主管部門、技術(shù)單位深刻反思并認真糾正。
第四，積極創(chuàng)導(dǎo)行業(yè)健康發(fā)展的紛圍?，F(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的正確發(fā)展方向應(yīng)當(dāng)是機械化、自動化、工業(yè)化的大規(guī)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(jié)點無一雷同”、“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)展方向與國家經(jīng)濟政策的工程精品，則應(yīng)大力宣傳與推廣。我們千萬不要因為被授予了某個“獎”項而迷失方向，甚至洋洋得意。我國的專業(yè)媒體和專家、學(xué)者應(yīng)當(dāng)根據(jù)科技發(fā)展方向和中國國情實際，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。（建筑時報）