专家视点
关于建筑结构发展的几点认识
2013-12-04

 

李国强
(同济大学, 上海 200092)

 

      随着我国经济的增长,建筑高度越来越高,各地竞相设计和建造全国第一、亚洲第一,乃至世界第一的高楼,因而建筑体型和结构形式日趋复杂。同时也带来了很多高层建筑的问题,如防火问题,结构抗震、抗风问题,外围护问题,垂直交通问题,结构新材料和新形式问题,舒适度问题,节能问题等等。


      目前99%的既有建筑和95%以上的新建建筑都是高能耗建筑。建筑能耗、建材生产和运输能耗约占社会总能耗的46.7%。另一方面,工程质量严重参差不齐、建造效率低,受人为因素影响较大的传统现场施工建造方式是造成这些问题的主要原因。预制装配式建造方式可以改善这种现状,是实现国家建筑节能减排目标,实现建筑产业技术创新和提高建筑工业化水平的一个有效途径。


      此外,当今进入了地震高发期,特别我国又为多地震国家,随着城市规模越来越大,人口越来越集中,因此我国面临的地震风险与威胁也越来越严峻,迫切需要抗震理论的新发展与抗震减震新技术的应用。

      本文将重点围绕以上三个方面,对高层建筑所面临的问题、装配式钢结构民用建筑产业的发展以及结构抗震、减震理论和技术的发展谈几点看法和认识。
 
1 高层建筑发展所面临的问题
      高层建筑具有体量巨大,视觉冲击力强,标志性强等特点,充分体现了现代建筑技术、美学、文化魅力。但也是因为高层建筑内部面积大、功能复杂、线路过多等特点,导致火灾源非常多,火灾危险性较大。且高层建筑的高度往往都是上百米,一旦发生火灾很难扑救。所以高层建筑一旦发生火灾,财产损失不可估量,人员疏散问题也很难解决;而消防仅仅是高层建筑安全问题的一个方面。从技术角度而言,决定高层建筑安全性还有一些重要因素:如结构抗震、抗风、重力引起的二阶效应等问题。这些问题累计起来,结构上造价必然会比较高;再者,高层的垂直交通——电梯轿厢闭塞,各种管道,线路的位置会占用过多建筑内部空间,公摊面积较大,而人的生活空间变小,还有通风采光不理想,建设成本高,物业维护费用高等。诸多问题集中在一起,就是大家所说的,造价过高导致高层建筑性价比不高。

1.1 高层建筑的追高趋势
      目前,全国各地都在竞相设计和建造全国第一、亚洲第一,乃至世界第一的高楼,虽然不能说这完全是刻意在比高,但多少也有点诸侯逐鹿的味道,有一定的营销宣传目的。在亚洲地区,尤其是中国,对这方面的追求是比较突出的,我们国家有这个文化——当“第一”,这种传统的崇拜情节与隐含的物质利益结合在一起,让地标获得耀眼的光环。但是,如果说城市的凝聚力来自地标,地标能够产生强大的向心力,则难以让人认同。盲目以追求高度第一为目的是没有意义的。


      从建筑造型来说,建筑师有一个特点,就是希望自己的作品独特,从而追求创新,追求标新立异,而设计了体型很复杂的建筑。独特不是坏事,但是我们不能仅仅以追求独特为目的,这样的建筑我们称之为奇异的建筑。这里面有两个很重要的目标是需要注意的:人类建房子是有一定目的和使用要求的,这就是建筑的功能。所需空间功能的不同,使建筑空间的形式千差万别,形式是多样的,功能却是相对稳定的。这是建筑的第一目的。第二,从建筑的造价考虑,在实现同样功能的条件下,我们花的钱越少越好。为了追求独特而设计复杂而不实用的建筑结构形式,更没有重视结构设计在控制项目成本造价中的重要地位。导致了直接或间接的浪费了大量的资金,与我国可持续发展观相背离。因此,改变这种思想,提高建筑使用功能,控制成本尤其重要。从结构的观点,建筑造型还是要简洁,简单最好,复杂了一定会面临这样或那样的问题。简单,规整应是结构所追求的,结构简单规整并不意味着就不能创新。在遵循简单、规整的原则下,再追求创新,把握满足建筑基本功能,注重结构安全性,控制建筑的造价的设计就是一个好的设计,这也是对我们追求创新的挑战。


      我国现在很多项目和地方确实为了迎合目前一些流行趋势和宣传目的,请很多国外的设计事务所或者设计师参与投标,选用他们的设计方案。弄了一些很复杂的标志性建筑。设计师如果是来自非地震地区,比如说欧洲大部分地区,比如美国除加里福利亚地区,是绝少发生地震的。这些地区的设计师们缺乏抗震经验,那设计一般就不会考虑到抗震,这是他们在本土做设计不需要考虑的主要问题。如果不明白项目当地的基本情况,盲目地设计一些复杂的结构,增加了施工难度,加大了成本,却忽略了一些重要的基本问题,那么就是危险的,也是没有必要的。只要可以达到同样的建筑效果,建筑结构并非要搞得很复杂。

1.2 高层建筑与城市发展的关系
      高层建筑的兴建与一个地区经济增长有关。我们可以回溯历史看一下:上世纪二、三十的年代纽约、芝加哥地区高层建筑的兴建,便是美国经济开始发展的时候,接着六七十年代的日本,八九十年代年代的东南亚,以及我国近三十年高层建筑高潮。所以说,高层建筑的兴建应该是和经济是有关系的,高层建筑是适应社会需求、经济发展和用地紧张的产物。相比下来,高层建筑投资巨大,建设周期长,技术复杂,造价高,这些问题在经济不好的时候是无法支撑的。


      高层建筑由于其所占空间能够向上延伸,有着较大体量、具备多样化、综合性的功能等特点,能容纳较多人员在其中生活和工作,使其在城市规划中能够更紧凑,能够更有效地利用土地资源,提高土地利用率。由于我国土地资源较紧缺,高层建筑也是我国城市化进程中的产物。


      当然,高层建筑肯定不是解决人口密集的唯一模式。实际上高层建筑容易造成人口密度过高从而更易引发交通拥堵问题。解决我国城镇化进程中的人口饱和和交通拥堵问题,也可以通过其他办法解决,例如多搞一些中小城市,多搞一些卫星城市,从根本上优化大城市的居住结构。把人口密度分散,没有必要所有人都挤在所谓的大都市。


      一个城市的发展是扎根于历史的,如果改变了历史原貌,那就是对历史文化的破坏,比如说我们的北京,昔日的四合院变成铺天盖地的现代建筑,那么我们北京的历史原貌就逐渐消失不在了。因为历史是无法恢复的,破坏了就失去了。历史文化应该保护起来,而我们国家的现状是:一座座失去独特历史文化的城镇被大量雷同的、所谓的现代建筑充斥。


      而欧洲城市历史建筑就保护得非常好,除了战争带来的破坏。欧洲城市建筑大多是上个世纪、甚至数百年的老建筑,保护得非常好,也没有破落的样子。他们怎么做的呢,如果他们需要现代建筑,他们会在其他区域开发新区,专门划出的新区就可以建造高层建筑、超高层建筑,老城区则很少造高层建筑。即便这样,凡有摩天大楼项目要立项的时候,仍需作为特殊建筑召开市民论证会议。我们的历史城市为什么不可以这样做?


      随着中国城市人口增多,当前超大城市化可能也是一个必然趋势。由于我国社会发展尚不均衡,大城市能提供更好的工作机会、更好的福利待遇,还有更好的教育、医疗条件,便利的生活环境等,这些因素必将吸引更多人口涌入大城市。这是发展不平衡引发的结果,希望我们以后能探讨出更好的解决方法。

1.3 结构体系和材料
      结构是高层建筑的骨架,是建筑形成的根本。我们人类利用天然土、木、石和烧砖瓦建房延续了数千年。真正意义上的现代建筑结构体系是随着十九世纪钢铁工业和水泥工业的发展而出现的,利用钢材形成排架、框架、桁架、网架结构体系,利用混凝土和钢筋形成了钢筋混凝土框架、剪力墙等结构体系。进入二十世纪以后,随着建筑造型、建筑设计和跨度的要求越来越高,对建筑结构的要求也更高,从而提出了一些新的结构体系。从上世纪二十年代的西方开始渐渐形成了建高层建筑的相关技术,高层建筑出现后,传统结构技术就不能满足需要了,因为传统结构随建筑高度对材料的需求率不仅仅是线性增长,而是多次方增长的。所以在高层建筑发展过程中,更适应高层建筑的现代结构体系应运而生,核心筒、巨柱、巨型支撑、伸臂桁架等构成的结构体系,逐渐解决了高层建筑需要的结构造价更低,性能更好而面临的挑战。


      如今,随着建筑高度的不断攀升,技术水平也在随之不断提升。从结构上来说,目前超高层建筑大多采用钢结构或钢-混凝土组合结构,材料强度也在提高。但混凝土强度越大就越脆,不利于抗震。所以我们还可以在混凝土内部加钢板或型钢,在外面用加密箍筋,或是在钢管中注入混凝土。


      现在我们完成的最高建筑平均高度大概就是五六百米,如果需要达到更高的高度,比如说要建1000米的大楼呢?其实从技术来说,也是完全没有问题的,但需要造价和材料的更多投入。我们怎么才能又高又省?那我们需要结构新材料和结构新形式,需要材料更轻、强度更高,结构更有效。

1.4 高层建筑的可持续发展
      高层建筑造价高,使用维护费用也高,将来拆除改造的成本也会高。高层建筑的可持续发展应在其规划、设计阶段就要考虑,并从建造、使用、维护、改造、拆除的全过程来考虑。节材、节能、环保、循环利用是高层建筑可持续发展的根本,选择有利于“节材、节能、环保及能循环利用”的建筑材料、结构形式和建造、维护、使用、改造、拆除方式,必定是高层建筑可持续发展的方向。


      还有一个不得不提的重要问题:怎样使在高层建筑里面生活的人更舒适,建筑更节能?我们怎样利用太阳能、风能等新能源,来解决这些问题?

2 装配式钢结构民用建筑产业的发展
      随着城市化进程的加速,中国已成为世界上最大的建筑市场,每年新建建筑竣工面积已超过发达国家的总和。但是,目前99%的既有建筑和95%以上的新建建筑都是高能耗建筑。建筑能耗、建材生产和运输能耗约占社会总能耗的46.7%。另一方面,工程质量严重参差不齐、建造效率低,受人为因素影响较大的传统现场施工建造方式是造成这些问题的主要原因。预制装配式建造方式的先进性表现在构配件生产工厂化、现场施工机械化、组织管理科学化,体现了工业化社会的建造方式和技术手段,可以减少建筑垃圾、减少建筑施工对环境的不良影响、提高资源的利用效率、提高建筑质量、提高节能产品在建筑中的集成程度、节约劳动力、缩短建造周期。是实现国家既定的建筑节能减排的目标,实现全寿命过程的低碳排放指标、实现建筑产业技术创新和提高建筑工业化水平的一个有效途径。

2.1 如何发展装配式钢结构的市场


 (1)就结构体系而言,和钢结构相比,混凝土结构最大的缺点有两个,一是重量重,所以运输吊装的成本一定比钢结构高;二是连接一定比钢结构难。所以这两种结构体系各有优点,都可以发展,就看哪种体系的技术更先进更能让市场接受。


 (2)政府的政策导向很重要。一是在税收方面是否有优惠;二是容积率方面,有的地方已经有政策导向;三是资质方面的导向。现在做钢结构的企业一般都是拥有钢结构制作的资质。事实上对建筑项目,目前涉及的资质主要有设计、施工、总包等资质。作为产品,需要有一种专门的资质,涵盖设计和施工资质。


 (3)培育市场。市场上,老百姓不关心房子是钢结构的还是混凝土的,只关心房子的适用性和经济性。所以要培育市场,我们一定要以这两点为导向。另外,为了做到适应市场的需求,可以从相对简单的工业建筑或通用建筑开始,例如工厂、学校、医院、办公楼、公租房、宿舍等。相对来说,这类建筑的使用要求比较低,对它的适用性和舒适性要求也低一些。而商业化住宅是老百姓最大的投资,每个人对它的要求就都很高,做起来也就最难。


 (4)市场模式。 要做到工业化建造,市场模式就不能是业主去委托设计,然后业主拿着设计方案再找施工单位加工、建造。目前宝钢的模式是正确的,一定要有建筑集成供应商。真正把建筑当做一个产品,像造汽车一样造房子。有了这样的集成商,才能把建筑这个产品研究好,管理好。但是光有宝钢还不够,需要有更多这样的企业。集成供应商不需要每个部件都自己做,关键是把系统设计好,部品设计好,安装规划好,然后分解给各个部品供应商。集成供应商最重要的工作是集成,这样的模式更利于推广,因为开发商只需要和一家集成商打交道即可。


 (5)要做些示范工程。以前我们技术不成熟的时候,有点想超前,用钢结构造住宅,效果不好,反而给社会留下了钢结构隔音不好、漏雨等负面印象。现在我们必须要造一些效果好的示范工程,向社会展示钢结构可以做得既好而且便宜。

2.2 需要解决的关键技术问题
 (1)标准化的建筑体系,即适应标准化建造的体系:要把整个体系设计好、部品设计好、连接设计好。建筑体系可以分解为四大部分:筋、骨、皮、胆。“筋”即各类管线;“骨”即骨架,结构部分;“皮”是维护系统;“胆”是内部的装修,包括整体式卫浴等。要把这四部分标准化,组成标准化的体系。目前标准化的建筑有以下几类:第一类是模块式标准化建筑。最大的模块就是把几个房间做成一个标准模块,如集装箱式房屋,所以有模块式的建筑。第二类是板式标准化建筑,其中屋面板、楼板、墙板等是标准件。第三类是构件式标准化建筑,对建筑来说包括楼梯踏板等构件,对结构来说包括梁、柱等构件。如果标准化模块越大,越容易实现标准化的制作和建造,但不能适应建筑多样化的要求。模块越小,越容易实现多样化的要求, 但不容易实现标准化建造,连接就是其中一个难点。 


 (2)要把标准化系列变成部品。比如墙,特别是外墙、隔墙和楼板。其它如厨房、卫生间等等。


 (3)技术标准。钢结构建筑产品需要的新的标准,包括把整个建筑当成一个产品的性能标准,或者是各个部品的性能标准;还有产品(包括部品及整个建筑)的认证标准,这个方面目前是缺失的。


 (4)钢结构特有的防火防腐的问题。从把建筑当成产品的角度来讲,钢结构需要围护,把结构当成整体考虑时,防火防腐问题比较好解决。

2.3如何发挥联盟的作用


      2011年7月28日,由宝钢集团有限公司牵头发起的国内装配式钢结构民用建筑产业技术创新战略联盟正式在上海成立。联盟汇聚了宝钢集团有限公司、同济大学、中国建筑股份有限公司、中国建筑标准设计研究院等23家行业内知名的企业、院校和科研机构,涵盖技术研发、设计、工程施工、部品部件生产、房产开发等建筑产业链环节。其技术创新的目标为:突破装配式钢结构民用建筑产业的共性和关键性技术瓶颈,形成具有较高市场竞争力的装配式钢结构民用建筑产品,实现钢结构民用建筑的设计标准化、制造工厂化、施工装配化。


 (1)如何让联盟对大家都有所帮助?可从以下几个方面入手:一是通过联盟争取各方的支持,包括政府在政策、资金上的支持;二是以联盟作为一个整体争取社会的支持,这比单个企业做推广更容易为社会所接受。


 (2)要实现全方位的合作与交流。通过联盟可以实现产学合作以及产业链上中下游的合作,促进产品开发。联盟在技术交流上需增加力度。不局限于一年一次,可以有些专题的会议,另外还可以借助网络这个平台增强大家的联系。


 (3)实现创新和成果共享。技术的目标是提高钢结构建筑的适用性、舒适性,降低造价。技术可分成两类,一类是共用技术,即大家可以共享;一类是特有技术,由某个企业独享。这个牵涉到联盟创新的经费来源。经费可以来自政府的支持,做一些共性的研究,大家可以共享。我们也希望联盟单位的特有技术,可以通过合作,产权的约定来实现共享。原则上政府支持的项目,产权可以共享,取得的成果属于联盟,联盟成员单位自由享用;非联盟单位可以授权享用。

3 关于结构减震


3.1结构抗震设计的发展方向
      地震是一种随机性和破坏性很强且不可避免的自然灾害,会给人类的生命和财产安全带来巨大威胁与损失。结构抗震设计理论经过约一个世纪的发展,从最初的静力设计阶段和反应谱设计阶段,逐步发展到基于性能的抗震设计理论阶段。当前,世界各国抗震设计规范基本遵循的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计原则,是处理地震作用高度不确定性的较为科学合理的对策,其实质上也是一种基于性能的设计要求,即结构在遭遇不同水准地震作用时,应具有不同的性能。但是,目前该方法仍存在如下问题:1)只能保证确定的小震烈度水准下结构不破坏的可靠度,而结构设计基准期内的可靠度并不明确;2)由于大震烈度水准下结构不倒塌的设计是按照少数几条地震记录进行时程分析来保证的,也没有明确的概率可靠度意义。


      1994年的美国Northridge地震、1995年的日本阪神地震与1999年我国台湾的集集地震表明,按照现有规范设计的房屋,能基本避免由于房屋倒塌造成的人员伤亡,但是难以有效控制结构在地震作用下破坏程度,可能导致结构使用功能的丧失,从而引起巨大经济损失。特别是随着社会经济的发展,建筑内部设施、技术装备等的损失往往大大超过结构损坏的维修费用。基于对这个问题的反思,美国地震工程界首先提出了基于性能的抗震设计(Performance based seismic design)的思想,发布了SEAOC Vision 2000、FEMA273/2与ATC-40等相关研究报告,并引起了世界各国的广泛重视。基于性能的设计是指结构在不同的地震风险水平下具有不同的性能,而性能要求(不仅限于确保生命安全)可根据建筑的设计目标和功能要求确定。该理念使结构抗震设计更为灵活,可将结构地震预期损失与初始投资等经济指标相联系,可根据结构在整个生命周期内总费用最小的原则确定初始投资,从而达到最经济合理的设计。当然,要实践这种设计理念还有很长的路要走。


      目前,基于性能的抗震设计方法主要是指基于位移的性能化设计方法(Displacement based seismic design)。虽然变形破坏准则较强度破坏准则更能反映结构的实际抗震性能,但该准则不能很好地体现不同强震持时对结构累积损伤性能的影响。但由于结构变形的直观性,基于结构位移的设计更加利于工程师接受和工程实际应用,其是实现结构抗震性能化设计的重要途径。其大致可以分为三种:1) 基于延性的设计方法;2)能力谱法;3)直接基于位移的抗震设计方法。它们都是以控制结构位移为目标的设计方法。

3.2结构减震原理与技术产品


3.2.1减震原理


      上面提到结构抗震设计的发展方向是控制结构的位移,也即结构减震,那么如何减小结构的位移呢?若保证结构在地震中处于完全弹性状态,震后结构位移自然可以恢复,但造价太高,人们难以接受这种设计。如何采用经济高效的方法达到结构减震的目的呢?结构在地震中的能量平衡方程为我们提供了一个思路。
 
      其中,Ein—地震输入能量;Ek—结构动能;Ec—结构粘滞阻尼耗能;Ee—结构弹性应变能;Eh—结构滞回耗能;Ed—耗能减震装置消耗的耗能。


      结构在地震前后动能和弹性应变能都为0(是指由地震作用引起的),所以地震输入能量是通过粘滞阻尼、结构滞回和耗能减震装置所消耗的。一般情况下,结构外部阻尼耗能所占地震输入能量比例较小,若通过合理设计增大耗能减震装置消耗的能量,自然可以降低结构滞回耗能。我们知道结构滞回耗能是和结构位移直接相关的,减小了主体结构的滞回耗能也就相应地减小了结构的侧向位移,从而达到了结构减震的目的。在耗能减震结构体系中,耗能减震装置通常先于结构进入耗能工作状态,首先消耗输入结构体系的大量地震能量,不但减小了结构的位移也有效保护了主体结构,使其不受或少受损伤或破坏。消能减震结构具有减震机理明确、减震效果显著、安全可靠、经济合理、适用范围广泛等优点,应在我国加以宣传,推广应用。

3.2.2耗能减震技术产品
      耗能减震技术产品大体上可以分为三类:(1)速度相关性,如线性粘滞或粘弹性阻尼器、(2)位移相关性,如金属屈服型或摩擦型阻尼器、(3)调谐吸震型,如调谐质量阻尼器或调谐液体阻尼器。其中,以金属屈服型最为经济可靠,其发挥作用仅与结构位移相关性,而速度相关型阻尼器需要结构振动达到一定速率才能提供阻尼力和刚度。另外,金属屈服型耗能减震产品成本较低,在结构服役周期内基本不需要维护,震后可根据损伤情况进行更换,而粘滞阻尼器需要定期维护更换,耐久性较差,成本也相对较高。


      金属屈服型耗能减震产品主要有:屈曲约束支撑、屈曲约束钢板剪力墙、剪切型阻尼器、弯曲型阻尼器、铅挤压阻尼器等。在汶川地震后,金属型阻尼器在我国的应用日趋增多,尤其是屈曲约束支撑,采用该项新技术的新建与加固建筑总数达到150多个,已经超过了美国(约50个)。近几年来,国家对建筑抗震安全性高度重视,而耗能减震技术产品具有优良的抗震性能与较高的经济性,可以预见其必将成为一种符合未来抗震设计发展方向的重要技术方案,并有着广阔的发展应用空间。

 

参考文献:
[1] ABBS建筑论坛:对话建筑界——专访同济大学钢结构以及钢结构防火研究专家李国强教授(记者Tina).
[2] 刘玉姝,装配式钢结构民用建筑技术发展研讨会在沪举行——李国强教授的讲话摘录,钢结构进展与市场,2012,10(2):51-53.
[3] 李国强.基于概率可靠度进行结构抗震设计的若干理论问题,建筑结构学报,2000, 21(1):12-20.
[4] Li Guoqiang, Guo Xiaokang, Sun Feifei. Development and Application of Two Types of Buckling Restrained Braces in China. Proceedings of Ninth Pacific Structural Steel Conference, 1088-1098, Beijing, China, 2010.