“飛機是人類技術文明發(fā)展史上，幾何形體與力學原理結合最完美的創(chuàng)造物之一。作為航空領域的工程師，安全、輕巧、高效能的飛機設計理念，始終是我們進行建筑結構設計的永恒追求�！泵鎸τ浾撸泻焦I(yè)規(guī)劃設計研究總院首席專家葛家琪如是說。
自1990年以來，伴隨著我國經濟和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，尤其是2008北京奧運會、2010上海世博會的承辦，我國大型公共建筑的建設進入高潮。大跨度鋼結構是體育博覽等大型公共建筑安全性、經濟性控制的核心技術。以索穹頂、弦支穹頂以及開口式所膜結構為代表的預應力整體張拉結構是國際公認的結構效率更高、跨越能力更強、節(jié)約鋼材可達60%以上的大跨度鋼結構體系。該新型結構在歐美等西方國家應用比率達到50%以上，但是其核心技術實施受到嚴格的商業(yè)保密和專利保護，形成了國際壟斷，嚴重制約著該新型技術在我國的發(fā)展和應用。
建筑結構屬于常規(guī)應用技術領域，其原創(chuàng)性尤為艱難，但葛家琪帶領他的團隊十幾年來始終如一，奮力攀登該領域的高峰。如今，團隊的探索研究與實踐應用成果獲得了回報——由葛家琪主持的“預應力整體張拉結構關鍵技術創(chuàng)新與應用”項目，獲得了2015年度國家科學技術進步獎二等獎�！矮@獎是其次，能夠解決預應力大跨度鋼結構安全控制標準的國際性核心技術難題，并在我國工程實踐中得到成功應用才是最重要的�！痹诟鸺溢鞯统链判浴⒏挥绪攘Φ穆曇糁�，一幅關于我國預應力整體張拉結構發(fā)展的畫卷緩緩打開……
破冰啟航：突破國外關鍵技術封鎖
“之所以能在大跨度鋼結構領域取得這些成就，是因為中航工業(yè)規(guī)劃有著極其深厚的技術積淀�！备鸺溢魉诘闹泻焦I(yè)規(guī)劃參與了中國新航空工業(yè)創(chuàng)建、發(fā)展的全過程，無論是整機總裝廠房還是飛機維修機庫，都需要超大跨度空間，航空建設的行業(yè)特點和幾代人的不懈努力，奠定了中航工業(yè)規(guī)劃在大跨度鋼結構領域國內領先、國際先進的地位。
1987年，葛家琪從同濟大學建筑結構工程系畢業(yè)，來到了中航工業(yè)規(guī)劃工作，僅兩三個月時間，他就推導出了結構受彎、受剪的快速簡算公式，用一個計算器取代了當時設計人員必備的沉重設計手冊。這一實用的小創(chuàng)新使同行對他刮目相看。不到一年時間，葛家琪就幸運地迎來了自己第一個獨立設計項目——北京亞運會老山自行車賽車場。被媒體形容為“一葉扁舟落老山”的輕巧結構設計獲得了眾多技術獎項和各界廣泛好評，也揚起了他對結構技術更高追求的渴望。
20世紀90年代，葛家琪敏銳地看到了我國大型公共建筑的蓬勃發(fā)展趨勢，在老一輩專家的培養(yǎng)與熏陶下，他將主要精力轉向了預應力大跨度鋼結構設計與研究。國外對該領域核心技術保密與壟斷的狀況，使團隊面臨著巨大的技術挑戰(zhàn)；國內設計行業(yè)綜合資質的機制，制約著中航工業(yè)結構專項優(yōu)勢技術在社會上發(fā)揮作用。但葛家琪始終堅持以創(chuàng)新核心技術贏得市場的信念，這些困難也更加激發(fā)了葛家琪團隊加快打造預應力大跨度核心技術的步伐。1999年，以與清華大學建筑學院合作完成長春國際會展中心項目為標志，葛家琪團隊迎來了事業(yè)的轉折點，開啟了將航空工業(yè)孕育的大跨度鋼結構領先技術創(chuàng)新應用于國家大型公共建筑的航程。
創(chuàng)新唯尚：茍日新，日日新，又日新
任何新體系、新技術的實際應用，其理論設計方法與安全控制指標都是首先要解決的核心技術問題。“毅然啟航容易，但在茫茫大海中航行卻絕不輕松�！备鸺溢骰貞浧鹗嗄昵埃c美國一家全球知名建筑事務所結構工程師產生的那次激烈的技術思想碰撞。雙方合作的項目是北京金融街某購物中心，建筑師為追求中庭屋蓋簡明純凈的室內效果，采用預應力索桁架結構，36米跨度只設一個V型支撐桿，剛度太弱以至于結構預起拱達到跨度的260毫米。爭論的核心問題就是該新型結構的設計分析方法與安全控制指標問題。葛家琪認為這樣的設計滿足正常使用狀態(tài)安全，但存在非正常狀態(tài)下體系失穩(wěn)安全風險，但外方專家堅持認為他們的設計完全符合中國規(guī)范的要求。當葛家琪要求其提交按美國安全標準設計的文件時，外方以中國建筑必須遵循中國規(guī)范以及保護美國知識產權兩條理由拒絕合作。
葛家琪心里很清楚，我國鋼結構設計相關規(guī)范標準的設計方法與安全控制指標只適用于常規(guī)鋼結構體系。對于大跨度鋼結構體系，尤其是預應力大跨度鋼結構體系，安全如何控制？安全指標到底是什么？中國規(guī)范沒有給出明確答案。研究團隊研究了美、歐、日等國外相關規(guī)范標準，分析了上千篇相關國際學術論文，查閱了大量國際專刊，依然沒有找到預應力大跨度結構設計方法與安全控制指標。研究進一步發(fā)現(xiàn)歐美國家設計方法沒有充分考慮到預應力大跨度結構“體系變形大而索構件延性小”的幾何力學特征，并且就在當年，西方某國發(fā)生了一起預應力大跨度鋼結構機庫垮塌事件。為此，葛家琪判定歐美國家的相關規(guī)范標準并不完善。然而，此時挑明這一客觀事實，等于向外方承認中國相關安全設計規(guī)范標準體系有漏洞，而爭論國外規(guī)范標準問題同樣沒有意義。
“中國的城鎮(zhèn)化建設已全面開啟，必須盡快建立我國自主知識產權的相關安全規(guī)范標準，而且只能由中國人自己創(chuàng)新建立，才能實現(xiàn)新型技術在我國的發(fā)展應用�！备鸺溢鞯穆曇敉嘎吨环N不甘、執(zhí)著與自信。與此同時，葛家琪也清醒地認識到，僅憑自己及一個團隊的力量無法實現(xiàn)這一迫切而又宏大的目標，他將目光投向北京工業(yè)大學張愛林教授團隊。張愛林教授在我國率先建立了預應力鋼結構學科，已進行了多年系統(tǒng)的理論與方法研究，是我國預應力鋼結構學科帶頭人。葛家琪與張愛林在2003年某奧運工程評標會上相識，兩人一拍即合，開啟了兩個團隊預應力整體張拉結構產、學、研、用相結合的聯(lián)合攻關。幾十項的工程實踐，大量的技術分析、仿真分析，花費近千萬元的各式實驗……十幾年來，不管經歷了何種困難和阻礙，項目團隊始終堅持不懈。
守得云開見月明，長久的艱辛終于換來了豐碩的果實。葛家琪團隊提出了預應力張拉與承載全過程性能化設計方法，并通過系列新體系大比例模型力學性能試驗，揭示出該體系“彈性狀態(tài)—徑向索松弛—環(huán)索屈服—結構破壞”的多階段受力特性及破壞機理。在國際上首次提出正常使用荷載彈性狀態(tài)、超使用荷載彈塑性狀態(tài)多階段的承載力設計指標和變形設計指標，保證了該新型結構彈塑性大變形全過程安全，取得了突破性成果，填補了國內外相關規(guī)范空白。團隊還建立了多次預應力弦支結構優(yōu)化設計理論和方法，并首次提出了索穹頂結構預應力度的工程實用確定方法。不僅改變了靠經驗比選方案的做法，使預應力弦支結構復雜設計問題建立在優(yōu)化理論基礎上，還在國際上首次提出了工程實用的“基于索穹頂張拉和承載全過程分析的預應力確定方法”，解決了工程設計關鍵技術難題。項目團隊堅持產、學、研、用合作創(chuàng)新發(fā)展，共同完成科研課題13項，新體系大比例模型試驗7項，工程項目15項，在此基礎上對理論方法、創(chuàng)新體系、新節(jié)點、新產品成果進行集成創(chuàng)新，形成了我國具有自主知識產權的全產業(yè)鏈成套技術，建成了世界首個大跨度弦支穹頂結構和國內首個大跨度索穹頂結構等幾十項工程，編制了我國首都《預應力鋼結構技術規(guī)程》，對我國預應力整體張拉結構領域產生了開創(chuàng)性的影響。
價值回歸：找到下一個技術的春天
“技術的發(fā)明創(chuàng)造只有得到應用并推廣，它的價值才能真正得以實現(xiàn)�！备鸺溢魅鐢�(shù)家珍地談起自己的作品。
團隊自主研發(fā)了V字型徑向索弦支網格穹頂新型結構體系。該體系結合了索穹頂和單層網殼的優(yōu)勢，通過徑向索系幾何形態(tài)優(yōu)化，解決了傳統(tǒng)索撐體系環(huán)向扭轉穩(wěn)定承載力不足的問題；配套開發(fā)了一種索撐節(jié)點連接裝置，實現(xiàn)了鋼網殼多承壓少受彎的優(yōu)化形態(tài)效應，使該體系具有了更大的跨越能力。該新型體系應用于2008年奧運會羽毛球館，建成了世界首個大跨度弦支穹頂結構工程，引領了我國大跨度弦支穹頂結構工程的快速發(fā)展和應用。團隊還發(fā)明了一種索穹頂與外圍大懸挑結構組合的新型結構體系。國外已建的大跨度索穹頂體育場館，外圈均設置受力巨大的環(huán)梁結構，總體技術經濟性未達到最優(yōu)。項目提出的新型結構體系，通過優(yōu)化連接構造和預應力度，使索穹頂產生的向內拉力與外圍懸挑結構產生的向外拉力在環(huán)梁處達到自平衡，顯著減小環(huán)梁受力，降低環(huán)梁結構用鋼量。通過自主創(chuàng)新，設計并建成了鄂爾多斯伊金霍洛旗全民健身體育館，成為國內第一個大跨度索穹頂結構工程，也是世界首個索穹頂與多層大懸挑結構組合的新型結構工程（2層43米懸挑），突破了歐美國家對預應力大跨度整體張拉結構長期的壟斷局面。
團隊的技術成果已成功應用于蕪湖體育場、長春經濟開發(fā)區(qū)體育場、河南藝術中心、貴陽奧體中心、北京金融街F7/9項目、金沙遺址博物館、盤錦體育中心等國內外幾十項工程，這讓葛家琪感到尤其欣慰。說到創(chuàng)新技術的應用于與推廣，葛家琪認為，與高新技術匹配的高品質產品制造企業(yè)的作用不容忽視，他對團隊合作單位之一的廣東堅朗五金制品股份有限公司給予了高度贊賞。預應力大跨度鋼結構體系的基本單元是索產品，由多層鋼絲相絞成型的索體構造特點，致使鋼結構防腐措施不適用。傳統(tǒng)索產品是在索外層包裹高分子材料護層（PE護層），該產品適用于斜拉橋等結構，但由于建筑結構索體間存在很多節(jié)點，PE護層的存在使節(jié)點處產生滑移，致使結構體系安全存在隱患。歐美等西方國家在20年前即已開發(fā)并廣泛應用了鋁鋅加稀土鍍層的Galfan索。新一代大直徑高耐候性Galfan鍍層拉索產品的缺失，已成為制約我國預應力鋼結構發(fā)展的瓶頸之一。堅朗公司在開展建筑裝飾索產品業(yè)務過程中，敏銳地看到了我國預應力大跨度鋼結構對高釩索產品的巨大市場需求。堅朗公司以項目團隊設計的鄂爾多斯伊旗體育館索穹頂工程為切入點，在國內率先自主設計了大直徑高耐候性Galfan鍍層拉索專用生產設備，研發(fā)了智能循環(huán)捻制一體化技術，最大可捻制1×817-φ5的Galfan拉索。經過國家鋼鐵產品質量監(jiān)督檢驗中心檢測，通過了科技鑒定，填補了國內空白，并編制了國家相關產品規(guī)范標準。產品已成功應用于鄂爾多斯伊旗體育館等國內外數(shù)百項工程，打破了此類拉索長期進口國外高價產品的局面，本產品的成功開發(fā)與應用，奠定了預應力整體張拉結構這一高新技術在我國產業(yè)化應用的基礎。
“我國城鎮(zhèn)化建設高潮已經過去，建筑市場正在大幅下行，團隊將如何對科研成果進行下一步應用與推廣？”面對記者的提問，葛家琪從容地說道：“沒錯，一個地方的體育中心最多只有一個，我國大型公共建筑行業(yè)不是冬天來了，而是不會再有春天了。國家經濟發(fā)展到一定階段出現(xiàn)轉型是必然的事，它促使行業(yè)及相關產業(yè)也必須轉型，而轉型能否成功的關鍵又回到創(chuàng)新�！�2013年，針對國務院《大氣污染防治行動計劃》對煤電、鋼鐵等行業(yè)超大跨度工業(yè)散料場抑塵封閉的國家戰(zhàn)略要求，葛家琪主持完成了北京市科技計劃課題《現(xiàn)代預應力鋼結構技術集成創(chuàng)新與產業(yè)升級實踐》，率領團隊開展了新型預應力環(huán)保儲煤罩棚技術集成創(chuàng)新與應用的攻關，成果獲得“中關村國家自主創(chuàng)新示范區(qū)新技術新產品”認證�！肮I(yè)散料場抑塵封閉改造的國家環(huán)境保護戰(zhàn)略所帶來的大跨度建筑市場總量，相當于國內體育博覽建筑的總和�！备鸺溢髟诙爝�沒到來之前，已通過再次創(chuàng)新轉型，找到了下一個春天。
