建筑工程新结构体系研究

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一、钢—混凝土混合结构

20世纪80年代，我国引进芝加哥的钢—混凝土混合结构，并将其普遍应用于高层建筑当中。我国建设部和冶金工业局非常重视钢—混凝土混合结构的综合使用效益，从20世纪末到21世纪初便一直将其列为重点结构综合使用，尤其在高层办公大楼、高层住宅建筑、高校建筑以及医院建筑等方面应用的最为普遍。如今，钢—混凝土混合结构形式依然遵循最初的建设及应用标准，较多应用于我国高层建筑领域当中，已经成为了当前超高层建筑的主要结构材料。据相关部门调查分析可知:我国高层建筑采用钢―混凝土混合结构可以大大提高建筑材料的综合利用比率，相比全钢结构的使用周期和施工速度，钢—混凝土混合结构明显优化了许多，是目前高层建筑建设中最为有效的工程结构形式。钢—混凝土混合结构主要由三大部分组合而成，分别是:钢构件、钢、混凝土组合构件，由于各部件各具特点和建筑优势，因此它们可以组成各种不同的混合结构形式。具体而言，钢结构和混凝土结构各自具有建筑优势，钢结构重量轻、强度好、建筑施工较为简便，混凝土结构的刚度大、材料消耗少且防火性能较好，两种建筑材料各具优势，将两者有效结合才能为我国高层建筑建设开辟一条全新的发展道路。简言之，与其他材料结构相比，钢—混凝土混合结构的主要优点是整体性能较好，可以灌筑成为一个有效的整体;可塑造性强，可以灌筑成为各种尺寸和形状的结构;结构强度和防火性能较好，工程造价和维护费用都相对较低。然而，在具体建设过程中，也需要注意混合结构的缺点和不足之处，钢构件、钢与混凝土组合构件之间的协作性能还需进一步加强和提高，相应的控制指标还需进一步改善和优化;由于在室外施工，受天气、气候和季节的影响较大;新旧混凝土融合度较差，加大了后期的修复难度。下面将通过一个典型的钢—混凝土混合结构建筑实例———深圳地王大厦，展示该结构的独特魅力。深圳地王大厦的正式名称是信兴广场，是当时世界超高层建筑“最扁”、“最瘦”的记录保持建筑物，建成时也是亚洲第一高楼，全国第一个钢结构高层建筑，采用钢框架—ＲC核心筒结构，用钢量高达24500吨，位居世界十大建筑之列。该工程的整个主楼钢结构以箱型钢柱以及H型钢梁支撑为主，最大重量为47吨，最厚钢板的厚度约为90毫米，最大箱型梁37.5吨;主楼钢结构约有1.5万件，重量约为2.45万吨，压型钢板14万米，熔焊栓钉50万个，高强螺栓50万颗;另外，主楼的中间部分为核心墙，劲性混凝土筒中筒结构的核心墙内共有钢绪构柱24根，标准层内有钢梁24根，并且外框都是全钢结构，另外有26根箱型钢柱通过钢梁斜撑与核心墙相连，钢结构数量为国内仅有。此外，地王大厦还采用了钢管混凝土叠合柱与组合柱材料，所谓叠合柱与组合柱就是指截面中部的钢管混凝土和钢管外的钢筋混凝土叠合而成的柱，叠合柱需要先浇筑中部的钢管混凝土后再浇筑钢管外的钢筋混凝土，而组合柱需要同时浇筑钢管内外的混凝土而成。采用叠合柱与组合柱不仅可以同时兼备钢管混凝土的许多优点，还具有更好的防火、防风、抗爆以及抗压能力等优点，这也是钢—混凝土混合结构的绝对建筑优势所在，大大减轻了结构自重，并且加快了建筑施工速度。

二、索张拉结构

20世纪40年代末期，美国著名建筑师Fuller利用“拉压共存”原理首次提出了索张拉整体体系，强调不连续的受压构件与连续的受拉构件相互联系，是一种高效率的钢压杆与预应力钢索整合结构体系。该结构体系可以通过减少受压状态而使结构处于连续的张拉状态，从而实现拉杆与压杆相互联系的最佳效应。分析建筑物结构的基本受力情况可知，结构的基本受力构件由受压构件、受弯构件以及受拉构件三个部分组成。具体而言，受压构件需要良好的整体配比，当受压构件整体过长或者是整体过细都不利于有效发挥构件的稳定性，构件失衡便无法发挥自身的使用效益;受弯构件的截面应力不均匀，往往会使得构件无法发挥最大效用;相比而言，只有受拉构件的截面应力相对均匀，不会发生整体失衡的状态。因此，在建筑工程中最大限度地发挥受拉构件的综合作用，不仅可以提高构件的承载力和受压能力，充分发挥各种建筑材料的自身强度，还能切实提高构件的使用效率和经济效能。下面将通过一个典型的索张拉结构建筑实例———上海浦东国际机场，展示该结构的整体特点。20世纪末上海浦东国际机场正式建成，主要建筑航站楼由主楼和候机长廊两大部分组成，由两条信道连接，三层结构建成，总面积高达28万平方米。该工程主要由主楼、高架进厅、登机长廊三大部分组成，主楼和高架进厅为连接3跨，跨度由东向西约为50m和40m，纵向长度约为410m。根据建筑结构和受力特点，航站楼的屋盖斜挑钢结构为国内外罕见的结构体系，主要采用了钢筋混凝土结构和钢结构两大结构体系，标高12米以下的部分主要采用钢筋混凝土结构体系，12米以上的大空间覆盖面积主要采用钢结构体系，两种结构协调搭配，不但保证了航站楼的稳定性，也保证了其较高的经济效益和使用效率。上海浦东机场的登机长廊跨度约为50m，纵向长度约为1400m，钢屋架通过托架梁支撑在两侧不同的倾斜钢柱上，张弦梁的上下弦均为圆弧形结构，其中，下弦为高强钢索的梭子型钢屋架结构体系，高端通过托架梁支撑在倾斜的钢柱上，低端通过硂框架支撑在大梁上，通过纵向稳定以及横向坚固措施加强整体结构建设，以此确保该工程成为了索张拉结构的经典之作。

三、索穹顶结构

索穹顶结构来源于美国著名设计师Fuller的“张拉结构”思想，经过美国工程师Geiger和Levy的相继改造，索穹顶结构在不断发展中愈加完善，在美国、韩国等国家的体育馆建设中得到了具体的实践应用。20世纪80年代，我国从国外引进索穹顶结构，自从索穹顶结构引入中国，便以合理的受力、经济的造价和简便的施工等显著优点赢得了广大工程师的厚爱，发展至今，国内已经建成了三个索穹顶标志性工程，索穹顶结构无疑成为了近年来炙手可热的建筑工程研究热点之一。具体而言，索穹顶结构是效率极高的张力集成体系，主要的构件是钢索，因其利用膜材作为屋面，始终处于张力状态的索段构成穹顶而得名为索穹顶。索穹顶建筑结构体系将钢索的强度特性发挥的淋漓尽致，不但有效避免了柔性结构的松弛状况，而且整体材料较为轻薄，便于正常建设与施工，堪称建筑界的“经济造价之王”，普遍适用于跨度较大的结构之中。值得一提的是，索穹顶结构中的预应力钢索压杆少而短，极大提高了建筑钢材的拉力和预应力。然而，索穹顶结构普遍存在索网平面外刚度不足、容易失稳等固有缺点，在建筑过程中，需要提出进一步的完善举措。下面将通过一个典型的索穹顶结构建筑实例———天津理工大学体育馆，展示该结构的别样之处。天津理工大学体育馆是第13届全国运动会的竞赛场馆之一，是国内第一个跨度超过100米的长短轴马鞍形索穹顶结构，也是目前天津市在施场馆中难度最大的一项工程。天津理工大学体育馆是一座综合性很高的体育场馆，该项目用地面积43045m2，项目总建筑面积17100m2，主要由中心场地、训练馆及配套用房组成。该场馆采用钢筋混凝土框架结构，外墙采用蒸压加气混凝土砌块，屋面采用铝镁锰合金板防水屋面、双层膜结构及花岗石屋面，建筑物的使用年限以及安全系数都达到了同类建筑物之首。该场馆不仅造型独特，还兼顾了采光、牢固、实用等多重功效，体育馆的屋盖采用了膜结构和金属结构相结合的建造方式，采用质量极佳的上好材料膜，实现了大跨度建筑材料的完美应用，充分保证了场馆白天的采光性能。然而，由于屋盖罩面采用的是异形结构，两个坡坡面能够在一点实现交汇，在交角处实现平滑过渡，才能保证索穹顶结构的良好使用功效，这一建设特点也加大了施工难度。

四、高效预应力结构体系

随着我国建筑技术的不断发展，高效预应力结构以其高强度的材料优势、现代化的设计方法以及先进的施工工艺逐渐发展成为了当今世界上技术最高、应用最广的一种优质建筑结构形式。目前，世界上大部分高端的土木建筑结构都采用了该建筑结构体系，与传统的预应力建筑结构体系相比，该建筑结构充分使用高强度优质建筑材料，混凝土强度较高，抗压、抗拉能力强，利用预应力混凝土板、预应力框架梁、预应力墙体、预应力钢屋架、预应力钢梁、预应力柱、预应力钢网架等结构实现建筑工程的整体建设。另外，通过抗震设计理论和延性设计理论来确定结构的预应力度和截面的配筋指数，大大提高了该建筑结构的抗震性能和正常使用能力等。近年来，该建筑结构体系被广泛应用于高层以及结构转换层、钢结构、基础、路面等结构领域。在我国建筑实例中，首都国际机场新航站楼工程、深圳车港工程、广东国际大厦主楼工程以及青岛中银大厦工程等都是典型的高效预应力结构应用案例。由此可以看出，随着高性能预应力材料的进一步发展以及先进建筑理论的合理应用，新型、实用、高效的预应力结构体系将会在我国建筑行业发挥越来越重要的建设作用，应该加强对高性能预应力建筑结构体系的综合应用，从而实现建筑工程的快速发展和进步。