試論建筑工程結(jié)構(gòu)的體系

　　鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)各有所長(zhǎng)，前者具有重量輕、強(qiáng)度高、延性好、施工速度快、建筑物內(nèi)部?jī)艨諝獯蟮葍?yōu)點(diǎn)，而后者剛度大、耗鋼量少、材料費(fèi)省、防火性能好。綜合利用這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為高層以建筑的發(fā)展開(kāi)辟了一條新途徑。統(tǒng)計(jì)分析表明，高層建筑采用鋼——混凝土混合結(jié)構(gòu)和用鋼量約為鋼結(jié)構(gòu)的70%，而施工速度與全鋼結(jié)構(gòu)相當(dāng)于，在綜合考慮施工周期、結(jié)構(gòu)占用使用面積等因素后，混合結(jié)構(gòu)的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于全鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
　　最近建設(shè)部和國(guó)家冶金工業(yè)局在頒布的《建筑用鋼技術(shù)政策》中，將鋼——混凝土混合結(jié)構(gòu)列為要大力推廣的建筑新技術(shù)，可以預(yù)見(jiàn)，混合結(jié)構(gòu)在高層辦公樓、學(xué)校、醫(yī)院及住宅等建筑中將有較廣泛的應(yīng)用。
　　
　　一、索張拉結(jié)構(gòu)
　　
　　索張拉結(jié)構(gòu)基本受力構(gòu)件有三類(lèi)：受壓構(gòu)件、受彎構(gòu)件和受拉構(gòu)件。
　　對(duì)于受壓構(gòu)件，當(dāng)構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比較大時(shí)，由于構(gòu)件會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)，構(gòu)件的作用不能充分發(fā)揮。對(duì)于受彎構(gòu)件，由于構(gòu)件截面應(yīng)力不均勻，截面邊緣的最大應(yīng)力往往控制構(gòu)件的設(shè)計(jì)，使得構(gòu)件材料不能充分發(fā)揮作用。只有受拉構(gòu)件，截面的應(yīng)力均勻，不會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)，如利用高強(qiáng)鋼索做成受拉構(gòu)件，能最大限度地發(fā)揮受拉構(gòu)件的作用，提高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。
　　在結(jié)構(gòu)體系中巧妙利用張拉構(gòu)件，結(jié)合少數(shù)剛性受壓構(gòu)件，可構(gòu)成受力合理的高效張拉結(jié)構(gòu)體系，不僅承載力高、剛度大，且能使各種材料的強(qiáng)度均得到很好的發(fā)揮。
　　
　　二、索穹頂結(jié)構(gòu)
　　
　　索穹頂結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一處特殊的索－膜結(jié)構(gòu)，是近幾年才發(fā)展起來(lái)的一種結(jié)構(gòu)效率極高的張力集成體系。其外形類(lèi)似于穹頂，而主要的構(gòu)件是鋼索，由始終處于張力狀態(tài)的索段構(gòu)成穹頂，利用膜材作為屋面，因此被命名為索穹頂。由于整個(gè)結(jié)構(gòu)除少數(shù)幾根壓桿外都處于張力狀態(tài)，所以充分發(fā)揮了鋼索的強(qiáng)度，只要能避免柔性結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)松弛，索穹頂結(jié)構(gòu)便無(wú)彈性失穩(wěn)之虞，所以，這種結(jié)構(gòu)重量極輕，安裝方便，可具有新穎的造型，經(jīng)濟(jì)合理，被成功地應(yīng)用于一些大跨度和超大跨度的結(jié)構(gòu)。
　　
　　三、膜結(jié)構(gòu)
　　
　　膜結(jié)構(gòu)是張力結(jié)構(gòu)體系的一種，它以具有優(yōu)良性能的柔軟織物為膜材，由膜內(nèi)的空氣壓力支承膜面（充氣式膜結(jié)構(gòu)或所承式膜結(jié)構(gòu)），或利用鋼索或風(fēng)性支承結(jié)構(gòu)向膜內(nèi)預(yù)施加張力（張力膜結(jié)構(gòu)），從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大空間的結(jié)構(gòu)體系。膜結(jié)構(gòu)采用的薄膜的材料，大多采用涂層織物薄膜，分為兩部分，內(nèi)部為基材織物，主要決定膜材的力學(xué)性質(zhì)，提供材料的抗拉強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度等；外層為涂層，主要解決膜材的物理性質(zhì)，提供材料的耐火、耐久性及防水、自潔性等，常用膜材一般為聚酯織物涂敷氯乙烯涂層膜材、玻璃纖維織物涂敷聚四氟乙烯涂層或有機(jī)硅樹(shù)酯涂層膜材。膜材并接的結(jié)構(gòu)接縫多采用熱焊，非結(jié)構(gòu)接縫采用縫合。
　　膜結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：造型活潑優(yōu)美，富有時(shí)代氣息；自重輕，適合大跨度的建筑，充分利用自然光，減少能源消耗；價(jià)格相對(duì)低廉，施工速度快；結(jié)構(gòu)抗震性能好。
　　充氣膜結(jié)構(gòu)有單層、雙層、氣肋式三種形式，充氣膜結(jié)構(gòu)一般需要長(zhǎng)期不間斷地能源供應(yīng)，在低拱度大跨度建筑中的單層膜結(jié)構(gòu)必須是封閉的空間，以保持一定氣壓差。在氣候惡劣的地方，空氣膜結(jié)構(gòu)的維護(hù)有一定的困難，不少建筑曾遭意外的漏氣而下癟。
　　
　　四、高效預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系
　　
　　高效預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)是指用高強(qiáng)度材料、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)的施工工藝建筑起來(lái)的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，是當(dāng)今技術(shù)最先進(jìn)、用途最廣、最有發(fā)展前途的一種建筑結(jié)構(gòu)型式之一。目前，世界上幾乎所有的高大精尖的土木建筑結(jié)構(gòu)都采用了高效預(yù)應(yīng)力技術(shù)，如，大型公共建筑、大跨重載工業(yè)建筑、高層建筑、大中跨度橋梁、大型特種結(jié)構(gòu)、電視塔、核電站安全殼、海洋平臺(tái)等幾乎全部采用了這一技術(shù)。
　　近年來(lái)，高效預(yù)應(yīng)力技術(shù)在我國(guó)發(fā)展迅速，已制定專(zhuān)門(mén)的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工規(guī)程、工程中應(yīng)用的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系也很豐富。典型工程實(shí)例有：面積最大的單體預(yù)應(yīng)力工程是首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)新航站樓工程，每層建筑面積約8.8萬(wàn)平方米，總建筑面積約35平方米，在混凝土板、墻、框架、柱以及鋼屋架、鋼梁和鋼管網(wǎng)架中大量采用了預(yù)應(yīng)力技術(shù)；柱網(wǎng)最大的預(yù)應(yīng)力工程是深圳車(chē)港工程，標(biāo)準(zhǔn)層平面尺寸 159×103.5米，標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)16×25米，總建筑面積9.5萬(wàn)平方米；最在的預(yù)應(yīng)力鋼桁架工程是北京西站主站房工程，該預(yù)應(yīng)力鋼桁架跨度45米，桁架上承40米高的中式門(mén)樓，門(mén)樓總重5400余噸；層數(shù)最多的預(yù)應(yīng)力工程是廣東國(guó)際大夏主樓，總計(jì)63層；高度最高的預(yù)應(yīng)力工程是青島中銀大廈，總高度241米，58層，等等因篇幅所限，本文重點(diǎn)介紹首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)新航站樓工程和北京西客站主站房工程。
　　首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)新航站樓工程全面采用了高效預(yù)應(yīng)力技術(shù)，僅無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋量就達(dá)4000余噸堪稱(chēng)本世紀(jì)國(guó)內(nèi)最大的預(yù)應(yīng)力工程之一。新航站樓的基礎(chǔ)為整體預(yù)應(yīng)力平板片筏基礎(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)采用了預(yù)應(yīng)力框架、剪力墻體系和預(yù)應(yīng)力板柱、剪力墻體系，部分屋面采用了預(yù)應(yīng)力空間焊接鋼管屋架。
　　可以預(yù)計(jì)，隨著高性能預(yù)應(yīng)力材料（高強(qiáng)混凝土、高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋、新型纖維塑料筋等）的推廣應(yīng)用以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，新型、高效應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系將在我國(guó)二十一世紀(jì)大規(guī)模基本建設(shè)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。
　　
　　（作者單位：大慶高薪技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院）