上海世博會(huì)的世博軸、杭州奧體中心的大蓮花、中國(guó)天眼FAST的反射面背架……這些氣勢(shì)恢宏的地標(biāo)性建筑與工程，無不讓世人感嘆！它們有一個(gè)共性特點(diǎn)，就是都屬于大跨度、大空間、大面積為主要特征的現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)由索、桿、梁、膜等單元組成，展現(xiàn)出形式多樣、輕質(zhì)高效、造型美觀、工業(yè)化程度高的特性，已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家建筑科技水平的重要標(biāo)志。我國(guó)目前已經(jīng)建成的1200座大型體育場(chǎng)館、240座民用機(jī)場(chǎng)和530座高鐵站房等幾乎所有的大型公共建筑都離不開空間結(jié)構(gòu)技術(shù)。

“經(jīng)濟(jì)發(fā)展呼喚技術(shù)，技術(shù)發(fā)展促進(jìn)產(chǎn)業(yè)?！闭憬髮W(xué)建筑工程學(xué)院羅堯治教授團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)30年產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，通過結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、理論和設(shè)計(jì)方法研究、大量模型試驗(yàn)驗(yàn)證和工程實(shí)踐，研發(fā)了剛性、柔性與剛?cè)嵝韵盗锌臻g結(jié)構(gòu)新形式，建立了張力結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與可展結(jié)構(gòu)分析理論，研發(fā)了先進(jìn)試驗(yàn)裝備、制造工藝與施工工法，取得了系統(tǒng)性、引領(lǐng)性成果，廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、高鐵、會(huì)展、能源等領(lǐng)域及國(guó)家科學(xué)工程，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益巨大，極大地推動(dòng)了我國(guó)從空間結(jié)構(gòu)大國(guó)向強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。

在日前召開的國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，這項(xiàng)成果獲得2020年度國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

三十年，三代人

引領(lǐng)體系創(chuàng)新

要建造屋蓋，大家首先想到的就是梁，我們平常造房子，一般都是用鋼筋混凝土的梁來?yè)纹鹫麄€(gè)屋蓋。但在大型建筑中，隨著跨度的增大，梁本身重量的增加幅度超過了承載力的增加幅度。這樣一來，用鋼筋混凝土的梁來?yè)纹鹫麄€(gè)屋蓋就比較“吃力”了。

怎么樣才能夠既減輕梁的重量又能保持足夠的承載力？人們想到的辦法是將梁鏤空或是改變其材料，減輕其自重。這就是桁架，可以用在跨度幾十米的工程項(xiàng)目中。但是當(dāng)跨度在百米以上時(shí)，就需要用到網(wǎng)架網(wǎng)殼、張弦和弦支、索桁和索穹頂?shù)瓤臻g結(jié)構(gòu)了。

結(jié)構(gòu)好比是大建筑物的骨架，建筑最終能不能“立”得起來，骨架很重要。然而，原有的結(jié)構(gòu)體系不能適應(yīng)大跨度、超大跨度建筑要求，超高、超大、超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的建造難題一直困擾著空間結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展。

上個(gè)世紀(jì)90年代初，深圳要新建機(jī)場(chǎng)，浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)這一當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)首個(gè)使用空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的航站樓的屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。深圳國(guó)際機(jī)場(chǎng)T1航站樓有4000平方米，這么大的空間，中間只有少量柱子支撐，能不能安全使用？每個(gè)人都有一個(gè)問號(hào)。接到這一任務(wù)后，羅堯治跑得最多的就是深圳，不僅要與建設(shè)方反復(fù)溝通，做成什么樣子，用什么樣的結(jié)構(gòu)，在建設(shè)過程中還要時(shí)時(shí)關(guān)注加工和施工效果是否與設(shè)計(jì)一致。

像這樣的跑工地，對(duì)羅堯治來說并不陌生。上個(gè)世紀(jì)八十年代末，從他跟隨董石麟院士做本科畢業(yè)論文開始，跑建筑工地就已經(jīng)成為了家常便飯。“本領(lǐng)不是天生長(zhǎng)出來的，很多都是靠前輩的傳承。董老師是國(guó)內(nèi)第一代做空間結(jié)構(gòu)的，跟著董老師學(xué)習(xí)，我很快有機(jī)會(huì)接觸到大工程?！?/p>

在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，團(tuán)隊(duì)碰到的一個(gè)最大的難題就是在有限的時(shí)間內(nèi)需要完成大量的計(jì)算工作?！皼]有數(shù)據(jù)可以借鑒，必須靠我們自己，但這樣大體量的工程，人工手算是難以想象的。”為此羅堯治當(dāng)起了“程序員”，通宵達(dá)旦地寫代碼，最終研發(fā)出了一套空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件（MST），順利完成了項(xiàng)目的計(jì)算工作。后來，隨著建筑物體量不斷增大，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，上萬個(gè)構(gòu)件粗細(xì)不同、長(zhǎng)短不一，而且每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的方位、角度都不盡相同，MST軟件不斷地迭代更新，只要輸入一串參數(shù)，就能自動(dòng)建模，形成結(jié)構(gòu)樣式?！霸谶^去，一個(gè)1000平方米的小工程，需要專門雇人畫圖紙，沒有一兩個(gè)星期做不出來，而現(xiàn)在用了軟件，只需要幾個(gè)小時(shí)，便能立等可取?！?

直到現(xiàn)在，這套“30多歲”的軟件仍然是應(yīng)用最廣的空間結(jié)構(gòu)專業(yè)軟件，這在日新月異的軟件領(lǐng)域非常難得。一位業(yè)內(nèi)人士評(píng)價(jià)，這個(gè)軟件非常專業(yè)和面向工程實(shí)際，不僅解放了勞動(dòng)力，而且更可靠安全。

計(jì)算的真正目的在于服務(wù)工程需求。

過去我國(guó)的很多煤場(chǎng)都是露天堆放，風(fēng)一刮，粉塵漫天，環(huán)境污染嚴(yán)重。能否做一個(gè)大蓋子，把煤場(chǎng)“蓋”在下面？要想蓋住整個(gè)煤場(chǎng)，大蓋子面積太大，如何確保在風(fēng)、雪、地震等復(fù)雜環(huán)境中，這個(gè)大蓋子安全可靠，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)化地開展了三心圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了創(chuàng)新。

團(tuán)隊(duì)還科學(xué)地提出了基于基本組成單元的空間結(jié)構(gòu)分類方法，研發(fā)了剛性、柔性、剛?cè)嵝韵盗锌臻g結(jié)構(gòu)新形式，多種新型結(jié)構(gòu)形式首次應(yīng)用在北京北站、濟(jì)南奧體、深圳北站等大型建筑，填補(bǔ)了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)外空白。

中國(guó)空間結(jié)構(gòu)行業(yè)自上世紀(jì)90年代以來的快速發(fā)展，浙江大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)起到了重要的作用。與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)了一批以80后為骨干的第三代空間結(jié)構(gòu)人?！罢憬髮W(xué)的空間結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過三十年，三代人的努力，為我國(guó)空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。”團(tuán)隊(duì)的奠基人董石麟院士如是說。

從跟跑，到并跑

形成系統(tǒng)的分析理論和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法

進(jìn)入新世紀(jì)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛，中國(guó)建筑行業(yè)也迎來了大發(fā)展，各類會(huì)展、機(jī)場(chǎng)、高鐵項(xiàng)目如雨后春筍般在全國(guó)各地不斷涌現(xiàn)，也呼喚著空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的進(jìn)一步提升?！翱臻g結(jié)構(gòu)的發(fā)展鐫刻著深深的時(shí)代烙印?！绷_堯治說。

位于浙江紹興的曹娥江大閘，是我國(guó)強(qiáng)涌潮河口地區(qū)第一大閘，也是浙東水資源配置重要樞紐工程。涌潮的拍擊和大量的淤泥堆積是這一河段的特色。

2007年興修曹娥江大閘，按照傳統(tǒng)的方案是做成梁板結(jié)構(gòu)的平面受力體系，羅堯治團(tuán)隊(duì)卻創(chuàng)新性地把空間結(jié)構(gòu)體系“移植”過來，設(shè)計(jì)成了仿魚的雙拱形空間桁架結(jié)構(gòu)閘門，僅在閘門的用鋼量上就節(jié)省了1600萬元，而且由于整體重量的降低，機(jī)電設(shè)備又省了一大筆成本，同時(shí)還解決了涌潮造成的結(jié)構(gòu)疲勞和泥沙淤積問題。這個(gè)首創(chuàng)項(xiàng)目獲得了省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

空間結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新離不開新型節(jié)點(diǎn)形式，新的節(jié)點(diǎn)形式是否有足夠的承載力，相應(yīng)的加工工藝與構(gòu)造是否滿足設(shè)計(jì)的要求，一般要做足尺試驗(yàn)來驗(yàn)證。過去是“一把鑰匙開一把鎖”，根據(jù)不同工程項(xiàng)目的不同節(jié)點(diǎn)形式定制不同的加載反力裝置，而做完試驗(yàn)后，相應(yīng)的反力裝置也就報(bào)廢了。為此團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了球形全方位加載裝置，解決了多點(diǎn)多向精準(zhǔn)加載問題。就像一個(gè)“通用模板”，它可以滿足空間全方位、十個(gè)加載點(diǎn)的試驗(yàn)需求，同時(shí)一體化集成了機(jī)電和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，不同形式的空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)只要采用同一裝備就能完成試驗(yàn)。這套全世界獨(dú)一無二的試驗(yàn)裝備，可以降低試驗(yàn)成本50%以上，提高效率4倍以上。

始建于1905年的北京北站，是中國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的第一條干線鐵路——京張鐵路起點(diǎn)站。2007年，北京北站新站房正式開建，羅堯治帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)該站房跨度108米、長(zhǎng)680米的新型張弦桁架雨篷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。當(dāng)時(shí)施工方面臨的一個(gè)難題是，不能影響鐵路運(yùn)行，站臺(tái)上方不允許有施工作業(yè)面。因此，只能在站臺(tái)的盡頭搭設(shè)施工胎架，結(jié)構(gòu)分批在胎架上組裝完成后高空滑移到站臺(tái)上方再“粘”起來，但這樣會(huì)不會(huì)影響工程質(zhì)量，施工方心里沒底?！斑@就需要馬上拿出最快、最省工序的技術(shù)方案，因?yàn)槭┕ぺs時(shí)間，拖不起?！绷私馇闆r后，羅堯治帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)多次去施工現(xiàn)場(chǎng)，反復(fù)演算，終于順利完成了施工方案的制定，確保了工程順利進(jìn)行。

“北京北站現(xiàn)在還保留著詹天佑時(shí)期的小站臺(tái)雨篷，現(xiàn)代與歷史在這里交相輝映，也讓我們?yōu)橹袊?guó)科技自立自強(qiáng)而感到驕傲?！?/p>

正是在這個(gè)十年間，團(tuán)隊(duì)開始在自主創(chuàng)新中謀求突破，在工程實(shí)踐中創(chuàng)建了索桿張力結(jié)構(gòu)形態(tài)協(xié)同設(shè)計(jì)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)精細(xì)化分析、可動(dòng)結(jié)構(gòu)分析等理論方法，創(chuàng)新發(fā)展了現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)方法。

“世博軸”、首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)T3航站樓、國(guó)家大劇院……在團(tuán)隊(duì)的共同努力下，空間結(jié)構(gòu)工程中的一個(gè)個(gè)核心難題得以解決。與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)主編了我國(guó)第一部空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)辦了我國(guó)本領(lǐng)域唯一的科技期刊《空間結(jié)構(gòu)》。

中國(guó)造，創(chuàng)世界

推動(dòng)建造技術(shù)發(fā)展

最近的十年，中國(guó)空間結(jié)構(gòu)科技開始領(lǐng)跑世界，很多其他國(guó)家的大項(xiàng)目用的都是中國(guó)方案，這其中，不少就是出自項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的手筆。

迪拜“City of Arabia”是世界上最大的室內(nèi)主題公園。這個(gè)項(xiàng)目在方案論證階段，也有重重考驗(yàn)。羅堯治回憶，他和另一家國(guó)際咨詢公司一同檢測(cè)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析數(shù)據(jù)。兩臺(tái)電腦并排放在桌上，同時(shí)跑數(shù)據(jù)，業(yè)主方就在旁邊盯著看，整個(gè)房間的空氣仿佛都讓人透不過氣來。中途有組數(shù)據(jù)對(duì)不上，雙方同時(shí)再驗(yàn)算，羅堯治率先算出了結(jié)果。一開始還有點(diǎn)半信半疑的業(yè)主方，臉色由陰轉(zhuǎn)晴，露出了笑容。

“剛開始，讓對(duì)方認(rèn)可是一個(gè)很痛苦的過程，但是現(xiàn)在越來越多的中國(guó)工程、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)走到了國(guó)外?！绷_堯治說，目前團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用工程遍布全球31個(gè)國(guó)家和地區(qū)，累計(jì)項(xiàng)目逾千個(gè)。

杭州亞運(yùn)會(huì)網(wǎng)球館旋轉(zhuǎn)開合屋蓋這樣的結(jié)構(gòu)功能，以及自由曲面的構(gòu)型，在浙江大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室早幾年就已經(jīng)開展過研究，后來被廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)工程。比如，杭州奧體中心的“大蓮花”是曲面形，又彎又扭，怎么設(shè)計(jì)加工呢？團(tuán)隊(duì)研發(fā)了復(fù)雜異形構(gòu)件的高精度加工制作技術(shù)，形成了高精度、高效率成套加工工藝?！案咝５暮诵墓ぷ魇墙鉀Q技術(shù)的理論問題和方法問題。越到后來，越是一個(gè)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合的結(jié)果?！?/p>

在國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施FAST項(xiàng)目中，團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了反射面背架結(jié)構(gòu)加工與拼裝核心任務(wù)，通過產(chǎn)學(xué)研攻關(guān)，解決了20萬球節(jié)點(diǎn)、55萬根桿件、4450片單元精密制造難題，實(shí)現(xiàn)了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)高精度的“中國(guó)制造”。

浙江東南網(wǎng)架公司是FAST反射面背架的加工與拼裝施工單位，在國(guó)內(nèi)大量的空間結(jié)構(gòu)中都有他們的身影，已是行業(yè)翹楚。誰(shuí)能想到，在很多年以前，這家企業(yè)是以農(nóng)機(jī)配件為主的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)。依托浙大科技創(chuàng)新，他們不斷積累人才，積累技術(shù)，承擔(dān)了大量空間結(jié)構(gòu)的重大項(xiàng)目?！白铋_始我們的技術(shù)還很落后，分析設(shè)計(jì)、加工制作和施工安裝能力都不足，但浙大羅堯治團(tuán)隊(duì)不怕苦不怕累，跟我們協(xié)同攻關(guān)，幫我們培訓(xùn)和培養(yǎng)技術(shù)人員，帶著我們做項(xiàng)目。這樣我們的企業(yè)一步步發(fā)展起來了?！闭憬瓥|南網(wǎng)架股份有限公司常務(wù)副總經(jīng)理、總工程師周觀根說。

在扶持企業(yè)的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)的600多位空間結(jié)構(gòu)高層次人才，像蒲公英一樣，帶著從團(tuán)隊(duì)學(xué)到的本領(lǐng)“飛”到各地，讓這套技術(shù)在很多地方落地生根。這樣算來，帶有團(tuán)隊(duì)基因的空間結(jié)構(gòu)工程可以說是遍布中國(guó)了。

時(shí)勢(shì)造英雄，英雄造時(shí)勢(shì)。42項(xiàng)國(guó)家科研項(xiàng)目、32項(xiàng)“第一”或“最大”的工程應(yīng)用、省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)5項(xiàng)和行業(yè)特等獎(jiǎng)1項(xiàng)……一個(gè)團(tuán)隊(duì)三十年的辛勤耕耘，帶動(dòng)了一個(gè)行業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。

“三十多年來，一直耕耘并熱愛著空間結(jié)構(gòu)事業(yè)，我始終的理念是立志成為行業(yè)科技創(chuàng)新進(jìn)步的引領(lǐng)者和推動(dòng)者?！绷_堯治說，團(tuán)隊(duì)很幸運(yùn)地與行業(yè)一同經(jīng)歷了從小到大、從大到強(qiáng)，從跟蹤借鑒到自主創(chuàng)新的過程，“未來我們也將繼續(xù)與時(shí)代、與國(guó)家需求同頻共振，為空間結(jié)構(gòu)的再發(fā)展貢獻(xiàn)我們的力量?！?/p>

（文字 柯溢能 吳雅蘭/攝影 盧紹慶/攝像 韓天高）