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【钢结构·探讨】剖解钢结构设计为何坠入怪圈

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(来源:厦门市建设与管理局副局长、总工程师林树枝博士专访(原载《钢构之窗》2011年第12期)

2011年10月12日,《钢构之窗》记者应邀参加“厦门市第二届钢结构应用研讨会”,建设部建筑金属结构协会会长姚兵和国内几位钢结构行业的顶尖专家出席会议并作了精彩的学术报告。会上,厦门市建设与管理局副局长、总工程师林树枝以一种健康的心态、一种饱满的精神状态做了《钢结构、钢-混凝土组合结构在厦门市应用进展》的专题演讲。他是一位热情、执着而又坦诚、健谈的钢结构专家,其独到的分析,精辟的见解博得与会者的强烈共鸣。

中国钢结构建筑作品在展示辉煌的同时,类似“视觉垃圾”、“城市败笔”的批评也不绝于耳,欠佳的钢结构建筑占了相当的比例,钢结构设计似乎坠入了新、大、奇、特的怪圈。有位专家调侃地说,目前重钢越来越重(按总吨位核算),轻钢越来越轻(按平方米计算)……前不久,我们带着几多困惑几多疑虑,专程赴厦门,对厦门市建设与管理局副局长、总工程师林树枝作了一次独家专访,剖解中国钢结构设计为何坠入怪圈,其睿智、诙谐的谈吐令人回味无穷,现整理成文以飨读者。

记 者:请问林博士有没有主持过设计项目?建筑钢结构的制作与安装,要按图纸进行,是否可以认为设计是龙头?而先进的理念、实用的方案则应该是龙头中的龙头?

林树枝:我1988年博士毕业,1988~1997年的9年时间在中国建筑东北设计研究院工作,主持和参加过一些设计项目,所以对设计比较有感情。1997年厦门市建委需要一名总工,我才调到这边来。

如果把建筑艺术比作一棵树,那么,设计理念就是这棵树的根,设计作品就是这棵树的花,设计师则是这棵树的叶。花和叶是树生命力的昭示。只有根扎得牢固,树才会茁壮成长。建筑艺术亦是如此,只有在设计理念科学合理的基础上,才能设计出经得起时间考验的优秀作品。在当代中国,随着城市化进程的加快,建筑作为城市最基本的表现形态,其设计基调应该是低碳环保、绿色生态的。因此,设计绿色低碳建筑,推广应用钢结构就成为一种趋势。钢结构重在设计,先进的理念则是设计的关键。

记 者:钢结构产业作为中国的新兴产业,改革开放30年取得了人家上百年所获得的成就,然而,许多钢结构企业的产品长期处于国际产业链的低端,大多数仍然处于卖产品的阶段,还有一部分主要靠出卖劳动力,赢利能力很低。这是否与设计水平有关?

林树枝:钢结构产业的发展是一个国家经济实力和科技水平快速发展的具体体现。1949年新中国刚刚成立,百废待兴,钢产量很低,一年仅135万吨(现已达6亿多吨以上),钢结构工程的建设需要依托苏联的经济和技术支援。虽然,各地对钢材的需求量不断增大,但钢结构的产量依然不高,后来国家提倡节约钢材,钢结构工程进一步减少。再后来,国家又提出取缔肥梁、胖柱、深基础,这时才涌现出了一批冷弯薄壁型钢的工程。但文革期间几乎所有工程都停了,只建设了少量的建筑,体量又比较小,结构也不是太复杂,一般用砖混或钢筋混凝土就行了。文革结束后不久,虽然也建造了一些重型的钢结构工程,但大批的建筑工程还是采用砖混或钢筋混凝土结构。那个年代除了工业厂房、桥梁等大项目之外,民用建筑都不需要用钢结构,所以当时大多数设计师都缺乏钢结构的设计经验。1974年我国才出版《钢结构标准》。钢结构工程有了较快的发展,也是改革开放后近30年的事。钢结构产业作为中国的新兴产业,钢结构产品处于国际产业链的低端,赢利能力也较低,这种情况应该是暂时的。以前,钢结构设计水平不高,影响了钢结构产品的提升。近20年来,随着国内钢结构设计水平的提高,钢结构产业已进入良性的发展阶段。国内高层钢结构、大跨度空间钢结构、轻钢结构、钢-混凝土组合结构、钢结构住宅等钢结构项目越来越多,这些钢结构项目的建设,将进一步促进钢结构产业的繁荣。

记 者:早些年,我国钢结构工程的建筑方案为何多由国外的设计师主持设计?

林树枝:中国在建筑钢结构设计方面是走了一些弯路的。国外设计师做的设计采用的是国外规范,我们就需要去研究国外规范,让它适应本土,否则水土不服。按国外规范设计的构件要在国内制作,还必须将国外设计图纸转换成国内钢结构厂能加工、制作的图纸。

这里有两个问题,业主一般都喜欢用有经验的设计单位,找有经验的设计师,在早期,国内设计院缺乏经验,眼光只能向外。另一方面,国内设计院越是没经验,钢结构设计就越不敢做。做砖混或钢筋混凝土结构的设计,得心应手、轻车熟路,且效益来的快,所以许多可以做成钢结构的,设计院却不愿意采用钢结构,而是根据老经验、采用老办法,仍然设计成砖混、钢筋混凝土结构。就是这两个问题:业主要找有经验的,国内的大部分设计师却没经验、没底气;让有经验的老外来做设计,又水土不服,影响钢结构产品的提升,这也就阻碍了我国钢结构产业的发展。

我国第一栋由国内自主设计的高层钢结构是厦门的立信广场(原九州大厦),位于湖滨南路,130米高,颇受业内关注。这是1992年由中南建筑设计研究院(简称:中南院)设计的。在这之前的高层钢结构建筑都是国外设计,国内配合。我国高层钢结构自主设计从立信广场起步,立信广场是一座钢结构设计的里程碑。深圳发展中心,是国外设计的,之后深圳帝王大厦也是由国外设计。立信广场的设计,还是比较成功的。表现在几个方面:一是设计图纸更适合我国国情;二是与国内施工单位配合更默契;三是具有标志性的意义,增强了我国设计师的信心。以前提到高层钢结构,很多设计师比较发怵,中南院是第一个吃螃蟹的人,之后,其它设计院也就敢于接高层钢结构项目,接更复杂的工程;四是帮不少老专家圆一个梦。许多老专家以前虽然学过钢结构,但多年来都没有机会实践,很想了却这个心愿。这些老专家在推动高层钢结构自主设计方面是出了很大力气的。

记 者:建筑方案如何得到社会认可?建筑设计和结构设计有什么的区别?建筑设计和结构设计如何相互协调,让设计师都能获得共同享有的成就感?

林树枝:现在国内对建筑设计师的争议很大,有一些年轻的建筑设计师存在懈怠和懒惰心理,源于骨子里的自卑情结,不够自信,一味复制与抄袭从而模糊了一个城市的可识别性,最终导致城市特色的丧失。“抄”在某种意义上是一种学习方式,但如果抄过了,抄滥了,就会使高雅变为庸俗、优美变为厌腻。只有从“抄”到“超”,才能充分发挥创造性,这是设计师破茧成蝶的必经之路。

以前,老建筑师没有做太多复杂设计的机会,而培养的年轻一代,又普遍缺乏实战经验,没有人引导,出现了青黄不接。致使国内建筑千篇一律,没有个性。部分年轻的建筑设计师又比较盲目、浮躁。我认为,站在城市整体发展的高度对城市的历史和人文进行彻底的研究,是设计师着手设计前的必备功课。城市建筑是有形的城市文化。为了凸显一个城市的特色,城市建筑应具备两个特点:一是可识别性,二是意象性。行走在我国很多城市,如果不特别标注与留意,很难清楚辨别身在何处。千城一面已是普遍存在的现象,反映出有些设计师的懈怠和懒惰心理。设计师在设计过程中还应该注意一个问题:不要被“上帝的旨意”所左右。从某方面来说,开发商是设计师的上帝,开发商的意愿也是设计师设计的依据。但建立在开发商意愿之上的建筑设计思想,很容易偏离低碳环保、绿色生态的理念。如果设计师的设计思想很容易受到商业利益的摆布,在某种程度上就会限制设计理念的健康发展。一个优秀的建筑设计师,应该有其内在的坚持和笃定,决不会弃生态环境于不顾而为利益所驱使。

建筑设计侧重于外观、造型和功能。比如这间是办公室、那间是洗手间,功能划分都是建筑设计要做的。建筑方案出来后,需要采用与之相协调的结构体系来实现。比如建筑方案出来后是采用钢结构,还是钢筋混凝土或者砖混?功能确定后,柱子要采用混凝土柱,或者钢柱?这都是结构设计的事。

再如鸟巢,建筑设计就是画了一个外观形状,结构设计就要考虑结构受力安不安全。结构设计师是比较老实的,他就是替建筑师实现梦想,处于辅助地位。建筑师可以抄袭个外观,结构师没地方抄袭,每个构件都需要真刀真枪自己计算。由于担心出现结构安全问题,结构师有一种倾向就是保守。要么把保险系数打大一点,或者把结构做复杂一点,从而造成浪费。其实结构师更应该追求结构方案合理、结构造型美观。应尽量使结构重量减轻、构件传力合理、结构布置简洁、后期施工方便。结构工程师还要加强美学修养,多与建筑师商榷,审视结构是否美观。

记 者:有专家提出,鸟巢是仿自然作品,为什么不用钢管而要用方管呢?这样最终造成用钢量很大。

林树枝:这个项目的建筑设计是国外设计的,结构只能按建筑方案的要求来做。现在国内钢结构设计水平已经赶上来了,无论设计什么样的造型,国内的钢结构设计师都能实现,这就比较好。可以说目前已经到了国内发展钢结构比较好的时期。

记 者:上海通用钢构做北京奥运会的五环,设计师画不出三维图,最后没有图纸,就按结构师的灵感来实现,这是什么设计?

林树枝:有些方案是结构主导的。建筑师做造型时不能确定是否能实现,就需要结构师来配合,由结构师做一个结构合理的方案出来。桥梁设计经常出现这种情况。

记 者:如果你在设计院当总工,设计师在钢结构设计中出现了这样或那样的问题,你是否会替他把关?

林树枝:这就取决于总工的责任感和水平。总工自己本身对钢结构研究得不够,设计师怎么做,他都看不出问题来。另外总工没有责任感,只关心有没有安全问题,有没有安全隐患,其他就不去深究了。所以设计院层层把关,但几关都没把好,败笔就出笼了。总结下来,建筑的问题是抄袭,结构的问题是保守。保守有两个含义:抵触新技术;设计保守。我国目前钢结构设计的问题主要在这两个方面:一是没经验;二是保守、抵触。

记 者:钢结构精心设计最重要,发达国家强调简约、细微,注重实现节点化、模块化、高效化,这与国际上倡导的可持续发展理念、与国家基本建设原则是完全吻合的。国内焊接量很大,栓接和铆接量很小,是否可以认为,施工难度的复杂性通常是设计造成的?

林树枝:也不能这么说。设计复杂不是结构造成的,而是建筑造成的。如果建筑方案选错了,优化就回天乏力。建筑外观线条很复杂,结构设计只能服从,这就增加施工难度。所以源头在于建筑方案设计。此外,还有钢结构规范上的问题,规范里鼓励什么,限制什么,支持什么,反对什么,提倡什么,都应该在规范中更明确、更细化。现在有普通钢结构规范和高层钢结构规范,以后在修订时都应该注意到这些问题。如果不希望焊接量太大,就要在规范中把焊接范围缩小。所以这不是结构设计师的责任。此外,若建筑师缺乏美学修养和情趣,单纯靠电脑设计,导致结构形式难于实现,或在方案竞选中惨遭淘汰,让结构师来负这个责任,这也是很冤枉的。

记 者:建筑设计不科学,会导致结构设计不合理,进而造成设计浪费、加大施工难度等等。目前,国内某些钢结构获奖项目强调用钢量的吨位,使人误认为用钢量越多的钢结构建筑越好……

林树枝:这是评奖标准的片面性。尽管钢结构拥有节能、节材、节地、节水和环保等众多优点,但与混凝土结构相比,钢结构的单根构件造价略高,容易把人引入一个误区。要评价一幢建筑是否即安全可靠,又经济合理,不能从单根构件来考虑,要从整体来考量,要综合考虑地基基础、施工工期、抗震性能、建筑物的有效使用面积等等。

记 者:请问,厦门是如何推进钢结构产业的?

林树枝:厦门是全国低碳城市建设试点,我们将率先探索低碳绿色发展模式。在城市建设低碳化方面,我们制定了低碳城市建设规划,着力推进包括钢结构在内的绿色建材的规模化应用。

在厦门,钢结构应用具有很多优势,一是抗震的需要,厦门市的地震基本烈度为VII度强,属地震烈度较高的地区。必须大力倡导结构抗震的性能化设计,推进基于性能的抗震设计方法,推广钢结构和组合结构等抗震性能优良的结构体系。尤其是提高两类建筑的抗震设防目标:第一类是灾害发生时逃生能力差的人员的建筑,包括如幼儿园、中小学、老人院等。这类建筑应达到大震可修的抗震设防目标。第二类是抗震救灾建筑,如医院、通讯枢纽、消防站、救灾指挥中心、地震观测站等。这类建筑应达到大震时室内的主要设备和系统不受损坏且能保持正常运行、建筑保持正常使用功能的抗震设防目标;二是抗台风的需要,厦门风荷载比较大,用钢结构有利于增强建筑的延性;三是造价方面,钢结构要从综合造价来对比成本。厦门在这一方面已经做了很多研究。比如,钢结构与混凝土结构的对比。若从上部、地基基础、工期等来综合考虑,钢结构综合成本要低,表现在几个方面:钢结构重量轻,地基基础成本低;有效使用面积大;节省工期,大楼可以提前投入使用,能体现其经济效益。另外,目前施工人工费很高,钢结构不用钉模板,不用绑扎钢筋,能够节省人工成本。以前同样做一根混凝土梁和一根钢梁的造价差距很大,现在正在缩小,因为人工费高了。以后靠人海战术的做法会逐渐被淘汰。总之厦门在推动钢结构应用方面,可以用数据说话,比较有说服力,有理由说服开发商。

记 者:如何理解钢结构住宅有效使用面积增大?

林树枝:对于普通市民来说,钢结构最大的好处莫过于能够提供更多的使用面积。普通住宅(如:砖混结构等)的外墙厚度大约30厘米,内墙厚度约25厘米;而钢结构住宅的墙体因不参与承重,可采用高强度的轻质墙板,这种新型高强度外墙板的厚度仅为13厘米左右,内墙的厚度约在8厘米左右;再加上钢柱的截面小,可使钢结构住宅户内有效使用面积比普通住宅增加6%左右。

混凝土住宅要用很粗的柱子,但钢结构只要细柱子,构件尺寸减少了,有效使用面积就增大了。厦门民宅将推广钢结构,墙体可变薄1/3,可用面积增大。购买相同建筑面积的房子,钢结构住宅能够提供更多的使用面积,给购房者带来更大实惠。

目前,厦门的钢结构主要应用在大型公共建筑、跨海大桥、立交桥、人行桥、高架桥、超高层建筑等,比如嘉庚体育馆、国际会议中心、气象雷达科普观景台、海沧大桥、仙岳路高架桥、财富中心等,但钢结构住宅还比较少。纯钢结构建筑也相对少一些,不过,钢结构和钢筋混凝土组合的建筑这几年逐渐多起来。建筑高度超过100米的高层建筑,特别是高度超过150米的建筑,大都采用钢-混凝土组合结构、或钢结构,有40多栋。钢结构用于工业建筑也很多,如厦门机械工业集中区,许多大跨度厂房都用钢结构。

记 者:请问,中国钢结构与国外的差距主要体现在哪里?

林树枝:钢结构工程在发达国家备受推崇,因为钢结构可回收、再利用,是绿色环保型建筑材料。一些国家还从战略储备的角度,出台产业扶持政策,大力推广钢结构建筑。国外是从战略角度来发展钢结构的,这是我们所欠缺的。钢材是可再生资源,可以重复使用,减少建筑垃圾的产生,有利于可持续发展。在国外,钢结构作为一种战略储备,平时是钢结构,在战时可以把钢梁钢柱等拆下来做成战场用的坦克、军舰等,这对增强国力军力尤为重要。

我国是产钢大国,却还不是钢结构强国。建筑钢结构在公共设施、体育场馆、交通基础设施工程等方面发展迅速,但在住宅建设领域却一直处于较低水平。与发达国家相比,我国钢结构、钢-混凝土组合结构在建筑中的应用比例偏低。国外很多普通的低层住宅都采用钢结构。

现在,各种类型的钢结构或组合结构,国内的结构设计师都有能力设计。在一些项目国外的设计师仅完成建筑方案设计,比如水立方,建筑方案国外做,但是结构设计是我们自己做的。结构设计是赶上来了,但建筑方案设计有一些项目还是请国外做,在方案设计的理念上,国外还是比较超前的。

期盼中国设计师能追求卓越,设计出经得起时间考验的优秀作品,充分展示其实用价值、美学价值和历史价值。

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作者: ganggouren

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