陈志华:钢结构体系的追梦人——将钢结构建筑产品体系进行到底

发布时间:2019年08月30日 17:43 来源:新建筑100人

摘要:陈志华:钢结构体系的追梦人——将钢结构建筑产品体系进行到底!

陈志华

天津大学 教授 博导 建工学院钢结构研究所所长

兰州理工大学挂职党委常委 副校长

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   陈志华老师身份很“特殊”,他是天津大学的教授、博导、钢结构研究所所长,现在还是兰州理工大学挂职党委常委、副校长。他是中国钢结构领域的权威专家之一,主要研究领域为空间结构、钢结构、组合结构和模块建筑结构。入选新世纪百千万人才工程国家级人选,获教育部新世纪优秀人才支持计划,享受国务院政府特殊津贴专家,获全国优秀博士学位论文指导教师荣誉称号,兼任兼任中国钢结构协会常务理事、房屋建筑钢结构分会副理事长、质量安全检测鉴定委员会副理事长,中国建筑金属结构协会常务理事、集成房屋分会专家委员会常务副主任,中国钢结构协会专家委员会委员及副秘书长、天津市钢结构学会理事长及SCI期刊《The International Journal of Advanced Steel Construction》编委等职务。他的求学之路也很有趣味,从小学、初中到高中,他和他的父亲一路相伴,一个是学生,一个校长。他是我国著名钢结构专家、有网架先驱鼻祖美誉的刘锡良先生的高徒。他当年高考的分数在学校名列前茅,填报志愿时也在几所名校之间进行了对比,最终选择了天津大学,而当时对土木工程并不了解。入行钢结构,他一路理论加实践,做过的项目、拿过的奖项、得过的专利,满满一屋子,有一张国家科技进步二等奖的证书印象特别深,上面有一个大国徽。临别之际,我们看到进门墙上挂着一张天津文化中心项目的实景图,上面用透明胶带粘着一张获奖证书,看起来很简陋。走近一瞧:一等奖,天津市人民政府颁发!

  原本我们设计了很多问题,可当陈老师开口之后,我们发现之前的问题设计太过小儿科,他的大脑几乎就是钢结构的百科全书,准备了各种钢结构频道,想听啥随便点。与其说是我们采访他,不如说是他给我们上了一节钢结构领域的普及课。

  淡泊名利,一心科研与实践,这样的人当老师真好,回来路上我和另一位记者由衷感慨。

记 者:“钢结构”对普通人来说是一个专业名词,稍微了解的人可能都知道在一些高层建筑、公共建筑中钢结构用的多,依托天津大学建工学院成立的“天津市钢结构学会”作为天津市“钢结构”行业的领军组织,在钢结构的研究和项目实践中取得了众多成果,有力推动了我们国家的钢结构技术赶超世界一流水平,您能浅析一下钢结构的主要特点吗?


陈志华:

  钢结构是用钢材做成结构的一种形式。因为钢材具有很多的优良特性,比传统的建筑材料,不管是砖石、混凝土还是其他建筑材料,它有着重量轻、强度高、延性好等特点。钢结构材料质量均匀、分析计算比较准确、连接方便,既可以焊接也可以栓接;用钢结构做成的建筑,高层也好,大跨也好,具有抗震性能好、延性好的特性。在地震作用下,传统结构容易开裂,容易发生脆性破坏,钢结构依靠本身材料到结构体系的这种优良特性就能避免脆性破坏,这种延性、韧性体现出来的就是抗震性能、抗侧力性能就比较好,能够给人们提供一个比较理想、比较好的房屋结构,更好的保护人类。


记 者:目前中国的钢结构发展正处于高速发展时期,钢结构建筑对城市面貌的改变作用非常大,您能谈一下钢结构在中国的发展历史吗?


陈志华

  我们国家钢结构的发展应用应该说经历了很长的时间,大致可以分为三个阶段,分别是限制用钢阶段、合理用钢阶段、鼓励用钢(即大力推广钢结构)阶段。

  限制用钢:建国初期,包括1958年大跃进期间,那时候砸锅卖铁要炼钢,钢材非常短缺,当时是有钢用在刀刃上,钢在那个年代是奢侈品。那时候只有在国防、重型工业或者国民经济重要支柱产业等重点领域的生产建设中,才可以用钢来做结构或者说钢结构才能得到应用。

  合理用钢:到七八十年代的时候,我们国家钢产量逐渐增加,在钢的使用上,也从原来的限制用钢到了合理用钢,只要觉得合理就可以使用。

  鼓励用钢(即大力推广钢结构):到了90年代中后期,以1996年我们国家钢产量突破1亿吨为标志,大量的钢铁进入到市场,出现了钢材生产供过于求的情况,国家就逐步开始鼓励用钢。 

  所以我们国家钢结构的发展或者快速发展,可以说是从1996年开始的,之后我们国家的钢产量一直位于世界第一,现在粗钢产量突破九亿吨。1999年以来国家陆续出台了鼓励用钢的政策,并成立了联合推广小组,当时建设部和冶金工业局(原冶金部)开始共同努力推广。 

  我九八年从国外留学回来正好赶上这个时间点,正是咱们国家大力倡导鼓励用钢的时候。到目前为止,我们的钢结构得到了广泛的应用,比如说高层和大跨建筑等,特别是交通枢纽、体育场馆和会展设施是大跨度空间结构的主要应用领域。基于突出的优势有些厂房必须用钢结构,几乎没有其他可选的。可以说在民用的公共建筑和工业厂房设施中钢结构占了很大的比重,但是在住宅领域里边,目前钢结构的应用确实还不多,还有很大的发展提升空间。


记 者:随着钢结构行业的发展,目前有一个比较火的概念:装配式钢结构建筑。尤其是这两年,装配式建筑的发展上升到了国家层面。包括各个地方都纷纷出台专门的大力推广装配式钢结构的政策文件,你认为装配式钢结构当下被大力推动的背景是什么,意义在哪里?


陈志华:

  提到装配式建筑,我想你们也比较了解,从我个人角度,之前也是对装配式建筑的背景意义没有太深的体会。自去年以来,随着国家一带一路战略的发力,还有国家供给侧改革的实施,我作为一名党员经常跟着一起学习国家的一些政策文件,也就是在自己学习和别人的交流中,我突然深刻认识到了国家如此下力气发展装配式建筑的战略意图。我从两个方面说:

  第一个就是我们通常讲的一带一路。我原来作为天津大学国际教育学院院长,站在国际合作的前沿。有一次开国际大会的时候,现场摆放了一张一带一路的大图,我观察后发现我们中国出海以后,海上的丝绸之路第一站是吉隆坡,所以我们在出海的情况下先把吉隆坡、马来西亚 “搞好”了,下一步这条路就走得顺了。从我的角度理解,一带一路就是要走出去,至于走出去干什么,因为我当时管的是国际教育合作,考虑更多的是关于人才交流培养这方面的工作。现在我感觉从钢结构领域、建筑领域角度讲,那么我们的建筑产业、建筑产品,也可以通过一带一路,实现对外输出。

  第二个就是供给侧改革。供给侧改革是这几年很时髦的一个词。对于我来讲,一开始听到这个词,也觉得比较枯燥,什么叫供给侧改革,改革干什么,怎么改革,我都不清楚。突然有一天,我们在做高端装配式建筑研究钢结构模块建筑时,我们的合作方给我讲了一个实例,我一下就较深理解供给侧改革的含义了。 

  当时我们的合作方天津汇京空间模块科技有限公司在伦敦奥运会的时候,中标了一栋运动员的公寓,要求采用模块化的建筑,类似集装箱式的房子,能够实现真正的在工厂里制造,然后在工地现场像搭积木一样把房子盖好。这个项目中标之后,甲方很认真的去考察,表示只要做好了,价钱不是问题。 

  在谈合同细节的时候,我们的合作方跟对方业主说,模块建筑都制作好了,在中国装箱上船运输之前,大到家具、家电,小到灯具、洁具、毛巾、牙刷等日常用品,统统给你配齐,实现真正意义上的拎包入住。对方业主连连说好,否则还得一样样自己去买、自己去安装。而且安装的这些东西,价钱都是伦敦市场上的零售价,也就是说你自己去买也得花这些钱,还得自己安装。所以等到这个房子制作好了,运到英国后,买主毫不犹豫就支付了货款,还都是相对的高价。

  听完这个故事之后,我就琢磨这个事,突然一下子明白了建筑领域供给侧改革的内涵。建筑业供给市场的产品是建筑物、房子,原来的供给模式是什么呢,开发商拿地,设计院画图纸,然后几家投标竞争,压低造价,导致个别工程偷工减料,最后还会弄个粗制滥造的房子出来。现在盖房子,是完全标准化、模块化、工厂化,不但把房子给你组装起来,而且还把里面的生活设置给你配置齐全,最后供给的是真正让你拎包入住的房子,这就是建筑业的供给侧改革。

  我们把一代一路与供给侧结合起来看,然后再把装配式建筑、钢结构放在这样两个大的背景下去看,一个是向外走向全世界,产能输出;一个是向内,建筑产品生产建造方式、形态、交付成果和标准都发生极大颠覆。所以说,未来不仅仅是亚洲、非洲,全世界各地都需要这样拎包入住的好房子,我们通过一带一路,不但可以向全世界供给我们的各类建材、钢材,现在还可以供给我们模块化的建筑单元、模块化的房子。对国内的建筑业供给侧改革来讲,更是可以利用装配式建筑将我们的生产建造方式进行重大变革和调整,大力加强工业化生产,消化我们的钢材,藏钢于民,同时也可以有效克服建筑耗能、污染的问题。

  所以,在一带一路战略和供给侧改革引领下,我们的很多产品都可以实现走出去,我觉得供给侧改革加上一带一路,正是我们建筑产业腾飞的机遇,也是中华民族腾飞的机遇。


记 者:在工业互联网时代背景下,新型建筑结构面临哪些机遇和挑战,您能发表一下您的观点吗?它在公共建筑中应用广泛,接受度高,目前正在往居住建筑中推广应用,但市场反馈普遍不积极,您能就这一现状提几点建议吗?


陈志华:

  从目前国内钢结构发展来看,我们的传统优势是大跨空间这个领域,经过这么多年的发展,不管技术、人才培养方面,还是生产制造和加工安装方面,已经非常成熟了,我还获得过一个张弦结构在大跨空间结构领域的国家科技进步奖。 

  你们来的时候,一定看到了门口有个钢结构模型,那是我们在做山东茌平体育馆的时候,108米跨度的结构,我们按1:10做了一个缩尺模型。上边是刚性的网壳,下部是柔性拉索,网壳结构体系首先要保证稳定,但下边推力不好抵抗。我们把柔性的拉索一加,再加一些撑杆,既把稳定问题解决了,又把外边推力给拉回来了,刚柔并济,形成你们看到的这样一个非常合理的复合结构体系。

  这种结构体系在中国普及推广的非常多,奥运会、全运会的设施,包括天津、北京、山东等地的很多工程都采用这个体系。现在可以毫不不客气的说,原来我们是跟跑、并跑,现在我们可以说是领跑,这个体系在全世界的建筑工程应用当中也是研究成果和工程应用最多的。但是即便这样,在所有的空间结构体系中,我们却不能说中国都领先,我们是局部领先领跑。你们在外面看到的除了这个弦支穹顶模型,那边还有个索穹顶模型,我们现在刚做到百米跨度,国外早就做到200米跨度了。所以我们还需要继续努力,大跨空间结构体系也需要不断的更新迭代,目的就是要实现更便捷的建造、更高的效能,我们国家有着全世界无法比拟的大量建筑,加之我们的后发优势,全面赶超世界水平指日可待,下一步要从技术研发、工程实践上继续努力。

  提到装配式钢结构建筑,其实准确说应该叫钢结构装配式建筑,因为钢结构本身就是装配式。在住宅领域,目前钢结构确实还没有大面积的应用,刚才你们也提到,开发商不积极。我认为这里边核心问题有两个:

  一个就是大家经常提的成本问题,目前来看,钢材的造价相对还是比较高的,而且钢材的价格会有市场波动,有时候波动还比较厉害。造价一高,房地产商开发商最敏感,所以他们自然不积极。

  另一个就是从我们结构本身技术角度分析的话,也有外墙板不太成熟的问题。钢结构通常讲三板体系:楼板、内墙、外墙。屋面板原来也算三板体系里面的,但毕竟就一层,比较好做。外墙板是目前三板体系中技术问题比较多的。装配式建筑对外墙的要求很高,比如隔音、防腐、隔热、保温、防雨等,外墙需要承担的使命很多。但我们现在没有特别好、特别成熟的外墙体系板材,所以这一块还是受限制的。现在外墙体系相对成熟的就是我们通常所说的砂加气(蒸压加气混凝土),砂加气条板目前应用的还是比较广泛的。另外,楼板也是存在一些问题的,目前的楼板体系是钢筋桁架楼承板和叠合板两大类,都是需要现场浇筑一层的,造价都相对比较贵。我们在工程实践中,做过一个十多万平米的钢结构住宅工程被评为了住建部的示范项目。开始采用了钢筋桁架楼承板和叠合板,都不理想。最后想办法利用钢梁下翼缘,采用快速支模体系,再用上现浇,既便宜又效果好。内墙板的问题最少,内墙板我们现在有轻钢龙骨石膏板等好多种材料,一般用上就可以了,唯独有个问题就是隔音,所以在施工的时候房间之间内隔墙或分户墙要处理好。

  所以,成本问题加上以外墙板为主的三板体系不太成熟,就影响到钢结构装配式的发展。未来我们要在外墙体系这块继续加大研究实践,争取研发出更多具备多种性能的外墙产品和体系。


记 者:我们了解到您目前负责“绿色建筑及建筑工业化重点工作项:钢结构建筑产业关键技术及示范”的研究任务,您能简单说一下这个课题的背景及内容吗?


陈志华:
  关于钢结构建筑产业关键技术及示范这个课题,是国家重点研发计划里边下的两个任务,其中一个任务就是我们现在正在大力推行的装配式钢结构这个领域。我们在20多年实践中,形成了独特的、具有自主知识产权的创新结构体系-钢管混凝土组合异形柱结构体系,这也是天大特色的独有技术体系。我们这个结构体系就是把传统的柱子用小断面的构件组合起来,放到墙里边去,让它不露在室内,解决了一般的包括混凝土建筑里边的这个露梁露柱的问题。 

  露梁露柱问题,对于一个居住建筑住宅来讲,是很难受的。尤其是对建筑使用及布置家具都有影响,装修也很麻烦。所以我们这个结构体系一经推出,受到建筑师的大力欢迎。即便钢结构稍微贵一点,这么多年以来,不管是汶川地震抗震救灾安置房的建设,还是后来我们与河北大元集团的合作,都取得了很好的效果。这个体系的推广应用还是得到了很好的实践及项目验证。它既满足了装配化的要求,又体现了这样一个结构体系的特色,同时还解决了建筑上的一些使用功能的问题,所以陆续用了不少。当前发展装配式建筑是国家的大任务、大战略,恒大地产、荣盛地产、中建钢构和大元集团等开发商和总包单位,都在积极和我们合作,陆续在住宅中推广钢结构装配式建筑体系,同时借助这些大量的项目实践,我们的产品体系也在进一步的研发,也就是我现在正在负责的这个国家级的重点课题计划。

  我负责的另外一个国家级的课题任务,就是模块建筑的研发。模块建筑被称为装配式建筑的顶级产品或者说是终极产品,因为它的作业量有80%-90%以上都可以在工厂完成,到现场就是四个角一固定,快速组装即可,完全是搭积木式盖房子。我做这方面的研究好多年了,当初美国人来中国找我要盖这样的建筑,我当时还将信将疑。他们找到我的过程也很有趣,他们找到了天津市的建委领导,说天津做这方面研究的有两个姓陈的,说你找到这两个姓陈任何一个都行。两个姓陈的,一个是天大的我,另外一个是天津市院的总工程师。领导说模块建筑要是能说服这两位姓陈的就可以发展了。天津市院的陈总跟我类似,也喜欢研究新鲜事物。搞不准的,先学习、沟通,先配合人家做事情。人家提要求帮忙,主动提出能不能一起合作研究,而且还说有经费、有需求,模块建筑也是未来发展的方向。就这样一来二去,他们就开始投资了,我们就给他们设计了办公楼和公寓楼模块建筑等。可惜后来因为水土不服等原因,他们的工厂没建起来。但是那个时候我们早已经打下了很扎实的基础了,所以前面提到的那个汇京模块示范工程,我们接触后很快就上手了。在示范推进的过程中,我们的力度很大,我们制订了中国第一个钢结构模块建筑的标准,天津市也建了一批模块化建筑。 


记 者:随着装配式建筑这种新型的建造方式的出现,建筑行业从供给侧来讲,产品供给方式发生了很大变化,作为政府的监管部门,是不是得需要重新制定新的监管流程,包括优化监管职能?


陈志华:
  你说的对,建委相关部门传统的监管模式,还是主要围绕现场、工地这个领域。主要是管工地、管盖房子。现在这个模块化建筑,是工厂加工好了,拉到现场直接组装。一开始大家都不知道如何监管,觉得设计我们也不懂、工厂我们也弄不明白,如何监管呢。然后我们找技术监督局,技术监督局说了,我们确实是管产品、管标准,但是你们盖房子的事,涉及到构件、结构、力学,还有什么钢结构、焊接、栓接等等,构件怎么管理,质量怎么控制,我们都不懂。最后还是回到建委,使得建委派人过来。必须要适应这种装配式建筑,重新认知这里面的体系,需要重新制定适应这种新型建造方式和产品的监管流程与职能。

  后来建委也理解、接受了我们的诉求,从编制天津市企业标准、地方标准,到编制中国工程建设标准化协会标准及其他模块标准,天津市的相关领导在这方面还是给了很大的支持的。我们培养了很多的研究生,从第一个硕士生到后来的博士生。培养的博士生到最后有的当了老师,继续培养学生。好多标准化的研究工作我们正在紧锣密鼓的进行,基本都是围绕大跨空间结构体系、钢结构装配式建筑、模块化建筑,开展进一步的系统化、标准化、产品化研究,这也是我正在牵头做的重点研发计划的任务。


记 者:新型建筑结构体系如何能够更好的适应时代发展,您能给我们建筑行业提一些宝贵意见么?


陈志华:
  新型结构体系刚开始我也没讲,实际上代表一个国家建筑技术的水平标志是两个,一个是你能盖多高的房子,另外一个能盖多大跨度的空间结构。这个里边关于跨度这块,我补充一个信息,我们国家的空间跨度结构划分,一直是30米以下小跨度,30米-60米属于中等跨度,大于60米属于大跨度,120米以上属于超大跨度,就得超限审查了。天津是空间结构的发源地,后来我主编天津的空间结构规程的时候,我讲我们的弦支结构技术已经非常成熟了,原来的120米跨度太小了。我们定到了150米,150米以上再超限审查。当时这个数字别人都没在意,等到规程颁布了。他们才看到,纷纷议论说天津把全国规程都改了,全国120米,天津的竟然搞到了150米。我们大跨技术的发展还需要新的结构体系,更轻、更合理、更安全,这方面我们还得继续研发。

  其他材料结构也应大力发展,比如铝、镁、锰等材料。现在我们在中国建筑金属结构协会下牵头申请成立了铝结构专业委员会,专门研究铝产品在建筑结构中的应用。这就是我刚才说的新体系,未来在住宅中我们会继续完善相应的结构体系、产品体系、材料体系等,要把装配式内功练好,把造价降下来,实现规模化发展。借助国家的一带一路战略和供给侧改革,把装配式建筑搞好,再把顶端的模块化建筑搞好,并不断探索、研发,始终占据领先地位。


采访后记对陈老师的采访时间并不长,都是听他在给我们讲述他和钢结构体系的故事。本来我们想从百度上搜一搜关于他的一些资料,遗憾的是比较少。在这个网红辈出的年代,各种传播的渠道手段应有尽有,只要陈老师愿意,我想他分分钟就会变成一个网红,网络上瞬间就会有他铺天盖地的信息。但实际上关于他的报道真的很少,如果你想了解他,第一去看看他参编的各种规程、撰写出版的各种书籍,发表的文章,另外就是一定要去那个有些简陋的会议室,去好好看看四面墙上挂满的荣誉成果。





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