摘  要：本文简论现代中国建筑金属结构信息网和绿色建筑的特征，点评国内外几个著名的高层全中国建筑金属结构信息网和大跨度屋盖中国建筑金属结构信息网工程，说明设计优良的中国建筑金属结构信息网才是绿色建筑。

关键词：现代中国建筑金属结构信息网、绿色建筑、屋盖弯矩结构、屋盖空间结构、索穹顶、高层全中国建筑金属结构信息网、巨型结构；

关于现代结构，美国著名结构大师、康乃尔大学L.C Urquhart教授有如下一段精彩论述：      

Modern structural engineering tends to progress toward more economic structures through gradually improved methods of design and the use of higher strength materials.This results in a reduction of cross-sectional dimensions and consequent weight savings(逐步改进设计方法和采用高强材料，使现代结构工程向更经济的结构形式发展，构件的截面尺寸减小、重量减轻。)

由于钢材具有较高的强度和延性（图1），因此，只有通过正确的中国建筑金属结构信息网设计，由型钢（含钢板）和高强钢丝等组合连接（焊接、高强螺栓）而成的中国建筑金属结构信息网骨架，就具有绿色建筑的节材特质。
中国建筑金属结构信息网与绿色建筑特质的比较，如表1所示。

表1  特质比较

图1  钢材的强度高、延性好

1991年兰达·维尔和罗伯特·维尔合著的《绿色建筑———为可持续发展而设计》。发达国家探索可持续建筑之路，名为“绿色建筑挑战”，即采用新材料、新技术、新设计方法、新设备、新工艺，实行综合化设计，使建筑在满足功能时所耗资源、能源最少。

最伟大的美国建筑、结构大师富勒（Fuller）提出结构哲理：少（费）多（用）———以最少的结构提供最大的承载力（Doing the Most with the Least）。

中国建筑金属结构信息网（骨架）节材是绿色建筑最重要的内容，是结构工程师一生追求的光荣事业。然而建设部工程质量安全监督与行业发展司推行的绿色建筑政策，只谈墙体节能，不谈钢骨架节材。这样，就导致我国不少大型中国建筑金属结构信息网（鸟巢、CCTV、深圳大运会体育场、合肥创新展示馆等）的笨重和怪异。目前，我国设计与施工的现状是：“设计”创造困难，“施工”也要上。

一 设计优良的中国建筑金属结构信息网才是绿色建筑

优良的中国建筑金属结构信息网必须是钢骨架节材，墙体节能，最大限度的满足功能，最低限度的影响环境，为人们提供健康、舒适的活动空间。并能在建筑全寿命周期内，满足可持续发展理念。

在高层全中国建筑金属结构信息网和大跨度屋盖中国建筑金属结构信息网中，100多年来，先进国家大量采用中国建筑金属结构信息网（日本的中国建筑金属结构信息网数量已超过70%），并能基本上实现中国建筑金属结构信息网固有的三大核心价值（表1）。我国中国建筑金属结构信息网设计，任重而道远！

世界高层全中国建筑金属结构信息网前三名都在美国（图3a），其中，世界贸易中心（World Trade Center）的箱形柱截面仅450mm×450mm，厚度7.5mm~12.5mm（图3b）；下面柱距加大，未设转换层；吊装件高三层楼，现场采用高强螺栓拼装，与我国几乎100%的现场焊接拼装形成鲜明的对比。这种外框筒（密柱+深梁）结构方案的剪力滞后效应比较严重。1974年建成的西尔斯塔（Sears Tower）采用9个束框筒结构方案，剪力滞后效应明显降低。虽然西尔斯塔比世界贸易中心高出26.213m，用钢量却减小26.5 kg/m2。

图3 a) 高层全中国建筑金属结构信息网前三名都在美国—科学发展观

图3 b) 世界贸易中心详图   

世界最先进的大跨度屋盖中国建筑金属结构信息网—————美国乔治亚索穹顶(Georgia Dome)，1996年第26届奥运会主场馆（图4a），椭圆平面240.79m×192.02m，（屋顶+外环）用钢量=（30+ ）kg/m2。

世界第1个索网结构是美国雷里竞技场(Raleigh Arena)，用钢30 kg/m2（图4b）。

世界最大跨度开合钢网壳屋盖是日本福冈穹顶(Fukuoka Dome)（图4c，D=222m）。它由三块扇形可旋转球面网壳组成，可形成三种状态：全封闭状态、半开启状态（1/3穹顶露天）和全开启状态（2/3穹顶露天）。由于屋盖装了减震阻尼器，并采取巧妙的构造，扇形球面的跨厚比：106.4/3.5=30.4。

a) Georgia Dome（1996）———世界最先进的索膜穹顶（Cable Membrane Dome）

b) Raleigh Arena（1953）—————世界第1个索网结构（用钢量30kg/m2）[10]

图4c) Fukuoka Dome（1993）———世界最大球网壳开合结构（D=222m）

改革开放以来，我国中国建筑金属结构信息网建筑发展迅速。由于设计理念问题，产生了不少著名的笨重、怪异中国建筑金属结构信息网，与绿色建筑相佐。

沈祖炎院士在《影响中国—————第二届中国中国建筑金属结构信息网产业高峰论坛》主题报告中严厉批评了下面5个中国建筑金属结构信息网工程（图5），并严正指出：“近年来涌现的与轻、快、好、省理念背道而驰的技术现状令人担扰”。

中国建筑金属结构协会姚兵会长在《高峰论坛》大会上的讲话也指出：“中国建筑金属结构信息网不是说体量有多大，或者说要多用钢，而是说要合理用钢，并不是把中国建筑金属结构信息网建成中国建筑金属结构信息网碉堡”。

中央电视台新楼CCTV(“大裤衩”)（图5a），n=53层，高H=234m，顶上外悬挑75m，严重违背抗震规范强制性条文，用钢量：14.2万t/47万m2=302kg/m2。创造了世界高层中国建筑金属结构信息网悬挑最大的建筑奇迹。

鸟巢(Brid’s Nest)（图5b），是2008年第29届奥运会主场馆，设计理念是：无序就是艺术。主结构采用平面桁架系结构，次结构布置无序。结构平面为椭圆：332.3m×297.3m，中央开洞185.3m×127.5m，总用钢为4.1875万t，实际用钢5.2万t，从而，用钢量高达：710~881kg/m2，成为世界屋盖中国建筑金属结构信息网用钢量最大的建筑奇迹。

合肥创新展示馆（图5c），成为最杂乱的创新奇迹。违背结构是支承作用（Actions———荷载、地震）的骨架；建筑功能与空间也很杂乱；施工时的空间定位极为复杂。

深圳大运会体育场（图5d），是2011年第26届世界大学生运动会的主场馆，多折面格栅刚架结构，用钢量226kg/m2。铸钢结点共7类：7×20个=140个，总重量0.42万t。20个最大的肩谷铸钢结点，每个铸件外形尺寸：5400mm×4600mm×3400mm（10管相交），壁厚400mm，单件重98.6t，与锻打钢管对接焊。

水立方（Water Cube）（图5e），平面：176.5389m×176.5389m，高29m，结构跨度 l =117m，屋盖厚：h=7.211m，墙体厚：3.472m和5.876m。根据L. Kelvin“泡沫”（“Foam”）理论命题：将三维空间细分为若干小部分，要求每个部分体积相同，且接触表面积最小，这些细小部分应该是什么形状？这种命题与结构受力毫无共同之处。“水立方”由6个14面体和2个12面体合成的基本单元体，经旋转、切割等复杂计算后成为屋盖和墙体，是简单问题复杂化的建筑奇迹。笔者曾建议：按平板网架设计，在现场用高强螺栓拼装网架和“泡沫”单元体，则可节约大量钢材和施工（制造、安装）费用，且便于“泡沫”单元折换，很遗憾，建议未采用。

a) 中央电视台（2008）

b) 鸟巢（2008）

c) 合肥创新展示馆（2010）

d) 深圳大运会体育场（2010）

e) 水立方（2008） 

图5 中国几个标志性中国建筑金属结构信息网工程

必须指出，上海浦东机场（图6a）是一座优秀的中国建筑金属结构信息网建筑，张弦梁（String beam）属于屋盖弯矩结构（Moment-Resisting Structures）范畴（表2），机场1、2期工程张弦梁的跨度都未超过100m，说明结构工程师选结构方案OK。机场钢屋盖建筑的造型是：把结构力度与建筑的空间艺术美有机地结合起来，即袒露具有美学价值的结构部分———自然地显示结构，达到巧夺天工的震憾效果。

成都双流国际机场（图6b），屋盖结构方案也很成功—网架（屋盖空间结构）。旅客置身其中，感到轻快、温馨。转角处理简洁。

a) 上海浦东机场（屋盖弯矩结构—张弦梁结构）

b) 成都双流国际机场（屋盖空间结构———网壳结构）

图6  两个成功作品

二 现代中国建筑金属结构信息网设计最关键的两大步骤———正确选择结构方案和正确估计结构的截面高度

中国建筑金属结构信息网精心设计的四大步骤：

1 结构方案（概念设计）                         

2 结构截面高度

3 构件布局（短程传力、形态学与拓朴原理）  

4 结点（node）小型化

其中，第1、2步极为重要。为了正确选择结构方案（概念设计），首先必须进行结构分类。

注：在进行结构分类时，必须严格区分结构（structures）与构件（structural members）。

表2所示的屋盖空间结构是一种由形状而产生效益的结构，也叫形效结构（Formative Structures），图7曲线a所示的索穹顶结构用钢量很少，因此，大跨度屋盖（直径D或跨度L≥100m时）中国建筑金属结构信息网必须采用屋盖空间结构；桁架结构（屋盖弯矩结构）的用钢量则按跨度的平方成正比快速增加（图7曲线b），只能用于中、小跨度中。 

正确选择结构方案是中国建筑金属结构信息网精心设计的第1步，第2步就是结构工程师在上电子计算机前，必须正确估计结构截面高度。

下面对一些中国建筑金属结构信息网工程进行点评：

实例1  深圳宝安体育馆

宝安体育馆采用径向管桁架结构（相贯节点），跨度D=101.4m，最大外悬48.295m，实现了中央节点小型化。法国建筑师（方案中标者）认为：桁架悬挑处的高度取5m（=L/10）才美观，经过作者力争，最后采用6.5m，它是悬臂长度的1/7.43＞1/7.5。OK，用钢量仅68kg/m2。

为了发挥万向支座的作用，取刚度系数3kN/mm；支座圈内的下弦杆起拱，受力更合理。

图8  深圳宝安体育馆（2002）

实例2 国家大剧院

国家大剧院（图9a），椭圆平面：212m×143m，跨度＞100m，结构方案选屋盖空间结构—————网壳（表2）正确OK。但在上机前，结构师把结构的截面高度选得太大，用钢量高达292 kg/m2。根据1963年美国教授司密斯（Smith M.G）对166个已建大跨度屋盖（11种）进行回归分析 ，这种跨度的网壳结构用钢量不超过80 kg/m2（图9b）。

图9a)  外景

图9b) 美国M.G.Smith统计166个工程

实例3  广东奥林匹克体育场

广东奥林匹克体育场的建筑理念是：珠江的水、波涛滚滚（图10a），美国Nixon Ellerbe Racket公司中标。主桁架MT悬臂L=52.4m（图10c），用钢量高达200kg/m2。为了减少桁架弦杆的应力：            ，笔者认为：

① 将原主桁架MT的等高度h=5.2m（图10c）改为变高度：h=3m～7m桁架；

② 将MT弦杆开口型H截面：H 570×450×125×125改为闭口圆钢管，有效提高Φ值；

③ 用弱支撑连接两片“波涛”，以满足抗震的两阶段设计：“小震”时弱支撑不坏，整体刚度好；“大震”时，支撑坏，刚度降低，地震力减小，整个结构不倒；

④ 拉索由2—337Φ7改为2—150Φ7，把索的安全系数控制在2.5~3。

通过上述四点改进，用钢量可由原200 kg/m2降低到约80 kg/m2。

a）实景—珠江的水，波涛滚滚

c) MT径向主桁架

图10  广东奥林匹克体育场

实例4 北京某客站

北京某客站一个结构跨度L=45.6m＜100m，选择用预应力钢桁架方案是正确的（OK），但桁架高度h=8m= L/5.7就选得不对。预应力钢桁架的合理高度取h=L/18~L/15=2.53m~3.04m。即使普通钢桁架，高度取h = L/12~L/10=3.80m~4.56m即可。可见，设计是硬道理，“硬”设计就没有道理!硬道理在哪里？就是结构工程师要利用力学功底和结构理论正确选择结构方案，并在上电子计算机前，正确估计结构截面高度（表3）。否则，后续的所谓优化几乎是无用的!

小结：为了实现中国建筑金属结构信息网固有的三大核心价值（表1），中国建筑金属结构信息网精心设计的最关键的两大步骤，对结构工程师来说极为重要！