中国钢结构协会2021年度科学技术奖成果展示（1~5期）

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2021年中国钢结构大会

荣誉表彰

第一期：科学技术奖特等奖项目（一）

本期项目简介

获奖项目名称

北京大兴国际机场航站楼结构设计与指廊施工关键技术

主要完成单位

北京市建筑设计研究院有限公司，中国建筑科学研究院有限公司，北京新机场建设指挥部，北京市机械施工集团有限公司，震安科技股份有限公司，北京建工集团有限责任公司

主要完成人

朱忠义，束伟农，刘枫，姚亚波，李涛，周忠发，胡鸿志，郭雁池，付鹏，秦凯，张高明，张琳，何连华，管庆松，邹建磊，王毅，赵建明，张翀，岳煜斐，邓旭洋

成果简介

图1

北京大兴国际机场航站楼外景

项目背景

北京大兴国际机场航站楼位于北京市大兴区，被英国卫报评为新世界七大奇迹之首，是全球已建成的最大航站楼。航站楼独特的建筑造型、巨大的建筑规模、高铁穿越航站楼、高烈度区抗震等给结构设计带来了巨大挑战。自2014年开始，课题组通过长达7年的探索和实践，解决了诸多关键技术问题，完美实现了建筑设计理念，形成了系列具有自主知识产权的成套技术。

成果简介

建立了航站楼曲面大跨钢结构的参数化曲面成型系统；提出了C形柱与支承筒组合支承结构及设计方法，大幅提升了结构承载力和跨越能力。

提出了基础隔震与层间隔震相结合的隔震新形式，研发了大直径隔震支座、全球最大的弹性滑板支座、大行程粘滞阻尼器及适用于大变形的新型隔震构造，建成了由1152个不同类型大型隔震支座和112套大型阻尼器组成的全球最大组合隔震系统。

建立了考虑轮轨激励与列车风共同激励作用的车致振动影响分析方法及振动控制的解决方案，攻克了基于多场景转换的列车风压时程分析及车体气动噪声模拟的难题，显著提升了航站楼在高铁高速通过时的结构安全及乘客舒适。

针对航站楼指廊C形柱结构、大型自由曲面复杂钢结构、以及高铁地铁穿越航站楼引起的超长混凝土、超大规模深基坑群等难题，研发了C形柱支承结构安装技术、不规则自由曲面屋盖钢结构施工关键技术、双向角位移累计提升技术、基坑群和基础桩群综合施工技术等空地一体化航站楼复杂结构施工关键技术，保证了航站楼的顺利施工。

图2

北京大兴国际机场航站楼中央大厅内景一

图3

北京大兴国际机场航站楼中央大厅内景二

图4

C形柱照片一

图5

C形柱照片二

荣誉奖励

项目荣获国际桥梁与结构工程协会（IABSE）杰出结构奖、中国公路学会世界人行桥奖金奖、北京市优秀工程勘察设计奖一等奖、中国钢结构金奖杰出工程大奖、鲁班奖等奖励20项。中央电视台《新闻联播》报道称：“北京新机场主航站楼为解决工程技术领域的世界性难题提供了‘中国方案’”。本课题的创新成果应用于海口美兰机场T2航站楼等三十余大型工程的设计与施工，取得了显著的社会经济效益，促进了行业技术进步，提升了我国复杂建筑工程的建造水平！

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2021年中国钢结构大会

荣誉表彰

第二期：科学技术奖特等奖项目（二）

本期项目简介

获奖项目名称

复杂高层建筑结构高效建造关键技术

主要完成单位

重庆大学、中建科工集团有限公司、华东建筑设计研究院有限公司、奥雅纳工程咨询（上海）有限公司、中国地震局工程力学研究所、深圳大学

主要完成人

刘界鹏、周绪红、冯亮、包联进、朱立刚、徐坤、杨远龙、程国忠、朱邵辉、王宣鼎、曹亮、伍洲、李东声、林旭川、余冠民

成果简介

项目背景

随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对高层建筑的独特外观和多元化功能等方面的要求日渐提高。但复杂高层建筑结构的建造存在挑战，导致其建造难度大，效率低，周期长，工程质量也很难控制，技术推广受到很大限制。复杂高层结构的技术挑战主要包括：（1）抗侧力体系不明确，设计与优化难度大、效率低，大震安全统一评价方法缺失；（2）节点复杂，分析与自动化优化设计技术缺失，分析与设计工作量大；（3）大型复杂钢构件与节点多，大型伸臂桁架及高位大跨度连体钢结构多，制造、检测与施工难度大

创新成果

针对上述亟待解决的问题，本项目依托国家重点研发计划和国家自然科学基金等科研项目开展了系列研究成果，研究成果达国际先进水平，具体创新成果如下：

研发复杂高层结构体系的自动优化技术，提出大震高效分析与安全评价方法

建立了基于遗传算法、双向渐进优化、构件自适应可行域等方法的复杂高层结构体系自动优化方法；研发了复杂高层结构基于施工过程的结构受力模拟与控制方法，提出了针对大震的高效分析、安全评价与消能减震方法；提出了复杂形状大跨度楼盖考虑人-结构耦合的振动舒适度高效计算方法。

图1 结构体系自动优化

（2）研发复杂高层结构的系列关键节点，提出复杂节点的高效设计技术

提出复杂高层结构的系列新型节点及其设计方法；提出大直径钢管混凝土柱框架节点的分析方法与设计理论；研发了高层结构大型复杂钢结构和钢管混凝土结构节点的自动设计技术。

图2 复杂高层结构体系分析与设计技术

（3）研发复杂钢结构的精确制造与施工技术，提出智能数字化检测及预拼装方法

研发了钢结构大型复杂截面巨柱和节点的精确制造技术，并开发了基于激光三维扫描点云数据和智能算法的复杂钢结构尺寸质量智能检测技术；开发了大型复杂钢结构的智能数字化预拼装技术；研发了大跨重型高空连体钢结构的高效整体提升技术。

图3 复杂钢结构高效制造、检测与施工技术

成果推广

项目研究成果已在100余项工程中应用，包括重庆来福士广场、西安迈科中心、苏州东方之门、北京中国尊、杭州来福士广场、上海国际世贸中心等。项目研究成果在复杂高层建筑结构的咨询、设计、生产与施工等各环节均取得了16.3亿元的直接经济效益。

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荣誉表彰

第三期：科学技术奖特等奖项目（三）

本期项目简介

获奖项目名称

国家速滑馆超大跨度（198m×124m)索网高效高精度建造关键技术研究

主要完成单位

北京国家速滑馆经营有限责任公司、北京市建筑设计研究院有限公司、北京城建集团有限责任公司、江苏沪宁钢机股份有限公司、巨力索具股份有限公司、北京市建筑工程研究院有限责任公司、浙江大学

主要完成人

李久林、陈彬磊、罗岗、朱忠义、高继领、杨超、王泽强、王哲、张绍辉、邓华、张怡、邵宝健、刘伟、司波、罗尧治、王建林、白光波、李少华、陈利敏、杨国松

项目简介

国家速滑馆是北京2022年冬季奥运会的标志性场馆，总建筑面积约12.6万平米，属国家重点工程。独特的设计方案、奥运竞赛的建筑要求、节俭的建设成本和极度紧张的工期给建造团队带来了巨大的挑战，在国家重点研发计划“科技冬奥”专项的支持下，由建设单位牵头，组织设计单位、施工单位和相关科研院所开展研究，一大批高科技成果交付应用。

图1 国家速滑馆外景图

创新成果

Part01

首创单层椭圆马鞍形索网+环桁架+幕墙斜拉索结构体系。成功应用于国家速滑馆，多重弹性边界找形方法实现了结构的精准优化分析，使全体系力学性能最优；创造性提出支座后锁定、短拉索后张拉等措施，大大降低了结构及基础负担，节约综合造价；发明滑移-锁定支座、梭形调节器、索力保持器、自适应索夹、预负载水箱等关键技术，使工程高效、高精度实现；通过模型试验，研发了主动索优选定量分析和评价技术，实现建造关键环节验证，提出了影响张拉成形的敏感性因素，为质量标准制定和健康监测提供依据。

图2 单层椭圆马鞍形索网+环桁架+幕墙斜拉索结构体系

图3 缩尺模型（1:12）试验

Part02

自主研制建筑用国产大直径高钒密闭索。提出了索体、Z形钢丝、受力锚具等技术方案，建立了完整的构件加工制作工艺流程和生产与质量保证体系，实现国产高钒密闭索量产，并首次应用于国家重大建筑工程；产品性能达到欧洲标准，打破了国外技术垄断，使密闭索价格显著降低，供货期明显缩短，促进了相关产业发展。

Part03

研发了基于平行施工的高精度技术体系，满足了安全、质量、工期、场地、投资的要求，实现了高效施工；首创了基于计算机控制的异位与原位混合安装、高低位二次变轨滑移的环桁架施工方法，拉索耳板偏差<10mm，节约滑移胎架2800吨；研究形成了超大跨度单层正交索网主被动、大吨位同步张拉技术，控制智能张拉力最大偏差为9.45%，高于验收标准的15%；建立了工程全生命周期健康监测系统。

图4 平行施工现场

成果应用

项目研究成果先后应用于浦东足球场、张家口崇礼冬奥会滑雪场大跳台、三亚体育中心、成都凤凰山体育中心、乐山奥体中心、上海体育场改造，上海浦东足球场，厦门步栈道桥、大疆无人机深圳总部大厦以及2022 年卡塔尔世界杯开闭幕式体育场、柬埔寨国家体育场和印尼雅加达国际体育场等大型项目，累计合同额达到2.5亿元，应用国产高钒密闭索4500多吨，取得了良好的经济和社会效益。

2021年中国钢结构大会

荣誉表彰

第四期：科学技术奖特等奖项目（四）

本期项目简介

获奖项目名称

空间弯扭组合结构体系钢桥关键技术研究与应用

主要完成单位

中国铁道科学研究院集团有限公司、北京市市政工程设计研究总院有限公司、北京城建集团有限责任公司、北京城建道桥建设集团有限公司、中铁宝桥集团有限公司、北京市公联公路联络线有限责任公司、铁科检测有限公司

主要完成人

刘晓光、王石磊、杨冰、张勇、王晓辉、秦大航、李永生、何辉斌、高岩、刘伯奇、刘建磊、王凯、郭辉、巴力、李健刚、王勋文、姚京川、苏力、李林杰、严国兵

项目简介

图1 | 新首钢大桥外观

贯彻绿色、可持续发展理念，城市道路交通基础设施需要结构简洁、造型优美、环境协调的桥梁，以满足人民对美好生活的向往。项目在多项国家、省部级课题支持下，针对空间弯扭组合结构体系钢桥设计、制造、安装、精度控制等系列技术难题进行了深入研究，取得多项创新成果。

创新成果

针对多约束环境高景观需求城市桥梁建造需求，创新设计了与自然环境融合的空间弯扭组合结构体系钢桥；研发了钢桥三维数字化协同设计技术；提出了带肋变曲率板稳定承载能力、非对称斜拉桥通用索力及索点配重优化计算方法。

开发了带肋变曲率曲板自适应成型加工和空间曲线钢塔节段制造工艺；应用三维扫描，基于弯扭节段空间轴线拟合的制造精度控制技术，实现了非一致倾斜扭转钢塔及变截面高腹板主梁数字化制造。

创建了多点多类型边界条件下支撑体系刚度识别技术和方法；基于原位场监测与多场耦合分析及数字化技术，实现了变截面扭曲超高拱形钢塔高精度架设安装和精确合龙，超高拱形分节段焊接钢塔架设精度达H/6000(H为塔高)。

研发了成套的空间弯扭结构几何姿态精密测控技术，实现了弯扭变截面节段三维数字化虚拟预拼装及姿态调整精度精度管控；提出了空间异形桥梁索力施调及控制方法，实现了复杂空间造型钢结构桥梁几何形态、塔梁受力和索力施调的协同控制。

图2 | 复杂曲面造型钢塔

图3 | 曲面钢板稳定性能试验研究

图4 | 数字技术参数化结构设计

图5 | 扭曲曲面钢塔焊接

图6 | 复杂曲面造型钢塔

成果应用

项目授权国家发明专利8项，实用新型专利4项，发表学术论文20余篇。研究成果应用于长安街西延跨越永定河新首钢大桥、京杭运河淮海路大桥、京雄高速永定河特大桥等新建桥梁，其中新首钢大桥荣获国际桥梁大会（IBC）尤金·菲戈奖、美国工程新闻纪录（ENR）杰出桥隧项目奖。项目系统解决了曲面钢板和复杂空间扭曲钢结构工程设计、建造技术难题，实现中国复杂空间造型钢结构桥梁建造技术领跑世界，具有重要理论意义和实用价值，成果经鉴定达到国际领先水平。

2021年中国钢结构大会

荣誉表彰

第五期：科学技术奖特等奖项目（五）

本期项目简介

获奖项目名称

预应力钢结构体系和关键技术创新及工程应用

主要完成单位

北京工业大学、中国航空规划设计研究总院有限公司、北京市建筑工程研究院有限责任公司、广东坚宜佳五金制品有限公司、北京建筑大学

主要完成人

张爱林、葛家琪、王泽强、刘学春、张国军、任俊超，张艳霞、王明珠、司波、王树、张曼生、胡洋、杜彦凯、陈荣华、姜子钦、刘鑫刚、支超、陈学森、谢志强、陶永莉

项目简介

在国家科技专项、自然科学基金等资助下，项目聚焦预应力钢结构体系和关键技术创新基础研究，产学研用紧密结合，创新服务国家发展战略任务对预应力钢结构的重大需求，解决了国家大气污染治理需求的超大跨度封闭工业料场、绿色新能源发展需求的超高预应力装配式风电组合塔架、建筑工业化需求的多高层预应力装配式钢结构防震性能提升等关键科学问题，取得了突出创新成果。

创新成果