“飛機(jī)是人類技術(shù)文明發(fā)展史上，幾何形體與力學(xué)原理結(jié)合最完美的創(chuàng)造物之一。作為航空領(lǐng)域的工程師，安全、輕巧、高效能的飛機(jī)設(shè)計(jì)理念，始終是我們進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的永恒追求�！泵鎸τ浾�，中航工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)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(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，尤其是2008北京奧運(yùn)會(huì)、2010上海世博會(huì)的承辦，我國大型公共建筑的建設(shè)進(jìn)入高潮。大跨度鋼結(jié)構(gòu)是體育博覽等大型公共建筑安全性、經(jīng)濟(jì)性控制的核心技術(shù)。以索穹頂、弦支穹頂以及開口式所膜結(jié)構(gòu)為代表的預(yù)應(yīng)力整體張拉結(jié)構(gòu)是國際公認(rèn)的結(jié)構(gòu)效率更高、跨越能力更強(qiáng)、節(jié)約鋼材可達(dá)60%以上的大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系。該新型結(jié)構(gòu)在歐美等西方國家應(yīng)用比率達(dá)到50%以上，但是其核心技術(shù)實(shí)施受到嚴(yán)格的商業(yè)保密和專利保護(hù)，形成了國際壟斷，嚴(yán)重制約著該新型技術(shù)在我國的發(fā)展和應(yīng)用。
建筑結(jié)構(gòu)屬于常規(guī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，其原創(chuàng)性尤為艱難，但葛家琪帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)十幾年來始終如一，奮力攀登該領(lǐng)域的高峰。如今，團(tuán)隊(duì)的探索研究與實(shí)踐應(yīng)用成果獲得了回報(bào)——由葛家琪主持的“預(yù)應(yīng)力整體張拉結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用”項(xiàng)目，獲得了2015年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。“獲獎(jiǎng)是其次，能夠解決預(yù)應(yīng)力大跨度鋼結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)的國際性核心技術(shù)難題，并在我國工程實(shí)踐中得到成功應(yīng)用才是最重要的�！痹诟鸺溢鞯统链判�、富有魅力的聲音中，一幅關(guān)于我國預(yù)應(yīng)力整體張拉結(jié)構(gòu)發(fā)展的畫卷緩緩打開……
破冰啟航：突破國外關(guān)鍵技術(shù)封鎖
“之所以能在大跨度鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域取得這些成就，是因?yàn)橹泻焦I(yè)規(guī)劃有著極其深厚的技術(shù)積淀。”葛家琪所在的中航工業(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(jī)總裝廠房還是飛機(jī)維修機(jī)庫，都需要超大跨度空間，航空建設(shè)的行業(yè)特點(diǎn)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(jié)構(gòu)領(lǐng)域國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)的地位。
1987年，葛家琪從同濟(jì)大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)工程系畢業(yè)，來到了中航工業(yè)規(guī)劃工作，僅兩三個(gè)月時(shí)間，他就推導(dǎo)出了結(jié)構(gòu)受彎、受剪的快速簡算公式，用一個(gè)計(jì)算器取代了當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)人員必備的沉重設(shè)計(jì)手冊。這一實(shí)用的小創(chuàng)新使同行對他刮目相看。不到一年時(shí)間，葛家琪就幸運(yùn)地迎來了自己第一個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)項(xiàng)目——北京亞運(yùn)會(huì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲得了眾多技術(shù)獎(jiǎng)項(xiàng)和各界廣泛好評，也揚(yáng)起了他對結(jié)構(gòu)技術(shù)更高追求的渴望。
20世紀(jì)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(zhuǎn)向了預(yù)應(yīng)力大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究。國外對該領(lǐng)域核心技術(shù)保密與壟斷的狀況，使團(tuán)隊(duì)面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)；國內(nèi)設(shè)計(jì)行業(yè)綜合資質(zhì)的機(jī)制，制約著中航工業(yè)結(jié)構(gòu)專項(xiàng)優(yōu)勢技術(shù)在社會(huì)上發(fā)揮作用。但葛家琪始終堅(jiān)持以創(chuàng)新核心技術(shù)贏得市場的信念，這些困難也更加激發(fā)了葛家琪團(tuán)隊(duì)加快打造預(yù)應(yīng)力大跨度核心技術(shù)的步伐。1999年，以與清華大學(xué)建筑學(xué)院合作完成長春國際會(huì)展中心項(xiàng)目為標(biāo)志，葛家琪團(tuán)隊(duì)迎來了事業(yè)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，開啟了將航空工業(yè)孕育的大跨度鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)先技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)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(shù)的實(shí)際應(yīng)用，其理論設(shè)計(jì)方法與安全控制指標(biāo)都是首先要解決的核心技術(shù)問題�！耙闳粏⒑饺菀祝诿Ｃ４蠛Ｖ泻叫袇s絕不輕松�！备鸺溢骰貞浧鹗嗄昵�，與美國一家全球知名建筑事務(wù)所結(jié)構(gòu)工程師產(chǎn)生的那次激烈的技術(shù)思想碰撞。雙方合作的項(xiàng)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(nèi)效果，采用預(yù)應(yīng)力索桁架結(jié)構(gòu)，36米跨度只設(shè)一個(gè)V型支撐桿，剛度太弱以至于結(jié)構(gòu)預(yù)起拱達(dá)到跨度的260毫米。爭論的核心問題就是該新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析方法與安全控制指標(biāo)問題。葛家琪認(rèn)為這樣的設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)，但外方專家堅(jiān)持認(rèn)為他們的設(shè)計(jì)完全符合中國規(guī)范的要求。當(dāng)葛家琪要求其提交按美國安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的文件時(shí)，外方以中國建筑必須遵循中國規(guī)范以及保護(hù)美國知識(shí)產(chǎn)權(quán)兩條理由拒絕合作。
葛家琪心里很清楚，我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法與安全控制指標(biāo)只適用于常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)體系。對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系，尤其是預(yù)應(yīng)力大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系，安全如何控制？安全指標(biāo)到底是什么？中國規(guī)范沒有給出明確答案。研究團(tuán)隊(duì)研究了美、歐、日等國外相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，分析了上千篇相關(guān)國際學(xué)術(shù)論文，查閱了大量國際�？�，依然沒有找到預(yù)應(yīng)力大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與安全控制指標(biāo)。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)歐美國家設(shè)計(jì)方法沒有充分考慮到預(yù)應(yīng)力大跨度結(jié)構(gòu)“體系變形大而索構(gòu)件延性小”的幾何力學(xué)特征，并且就在當(dāng)年，西方某國發(fā)生了一起預(yù)應(yīng)力大跨度鋼結(jié)構(gòu)機(jī)庫垮塌事件。為此，葛家琪判定歐美國家的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)并不完善。然而，此時(shí)挑明這一客觀事實(shí)，等于向外方承認(rèn)中國相關(guān)安全設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系有漏洞，而爭論國外規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)問題同樣沒有意義。
“中國的城鎮(zhèn)化建設(shè)已全面開啟，必須盡快建立我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相關(guān)安全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，而且只能由中國人自己創(chuàng)新建立，才能實(shí)現(xiàn)新型技術(shù)在我國的發(fā)展應(yīng)用�！备鸺溢鞯穆曇敉嘎吨环N不甘、執(zhí)著與自信。與此同時(shí)，葛家琪也清醒地認(rèn)識(shí)到，僅憑自己及一個(gè)團(tuán)隊(duì)的力量無法實(shí)現(xiàn)這一迫切而又宏大的目標(biāo)，他將目光投向北京工業(yè)大學(xué)張愛林教授團(tuán)隊(duì)。張愛林教授在我國率先建立了預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科，已進(jìn)行了多年系統(tǒng)的理論與方法研究，是我國預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科帶頭人。葛家琪與張愛林在2003年某奧運(yùn)工程評標(biāo)會(huì)上相識(shí)，兩人一拍即合，開啟了兩個(gè)團(tuán)隊(duì)預(yù)應(yīng)力整體張拉結(jié)構(gòu)產(chǎn)、學(xué)、研、用相結(jié)合的聯(lián)合攻關(guān)。幾十項(xiàng)的工程實(shí)踐，大量的技術(shù)分析、仿真分析，花費(fèi)近千萬元的各式實(shí)驗(yàn)……十幾年來，不管經(jīng)歷了何種困難和阻礙，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)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(shí)。葛家琪團(tuán)隊(duì)提出了預(yù)應(yīng)力張拉與承載全過程性能化設(shè)計(jì)方法，并通過系列新體系大比例模型力學(xué)性能試驗(yàn)，揭示出該體系“彈性狀態(tài)—徑向索松弛—環(huán)索屈服—結(jié)構(gòu)破壞”的多階段受力特性及破壞機(jī)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(shè)計(jì)指標(biāo)和變形設(shè)計(jì)指標(biāo)，保證了該新型結(jié)構(gòu)彈塑性大變形全過程安全，取得了突破性成果，填補(bǔ)了國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范空白。團(tuán)隊(duì)還建立了多次預(yù)應(yīng)力弦支結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法，并首次提出了索穹頂結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力度的工程實(shí)用確定方法。不僅改變了靠經(jīng)驗(yàn)比選方案的做法，使預(yù)應(yīng)力弦支結(jié)構(gòu)復(fù)雜設(shè)計(jì)問題建立在優(yōu)化理論基礎(chǔ)上，還在國際上首次提出了工程實(shí)用的“基于索穹頂張拉和承載全過程分析的預(yù)應(yīng)力確定方法”，解決了工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)難題。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持產(chǎn)、學(xué)、研、用合作創(chuàng)新發(fā)展，共同完成科研課題13項(xiàng)，新體系大比例模型試驗(yàn)7項(xiàng)，工程項(xiàng)目15項(xiàng)，在此基礎(chǔ)上對理論方法、創(chuàng)新體系、新節(jié)點(diǎn)、新產(chǎn)品成果進(jìn)行集成創(chuàng)新，形成了我國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全產(chǎn)業(yè)鏈成套技術(shù)，建成了世界首個(gè)大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)和國內(nèi)首個(gè)大跨度索穹頂結(jié)構(gòu)等幾十項(xiàng)工程，編制了我國首都《預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，對我國預(yù)應(yīng)力整體張拉結(jié)構(gòu)領(lǐng)域產(chǎn)生了開創(chuàng)性的影響。
價(jià)值回歸：找到下一個(gè)技術(shù)的春天
“技術(shù)的發(fā)明創(chuàng)造只有得到應(yīng)用并推廣，它的價(jià)值才能真正得以實(shí)現(xiàn)�！备鸺溢魅鐢�(shù)家珍地談起自己的作品。
團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了V字型徑向索弦支網(wǎng)格穹頂新型結(jié)構(gòu)體系。該體系結(jié)合了索穹頂和單層網(wǎng)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(zhuǎn)穩(wěn)定承載力不足的問題；配套開發(fā)了一種索撐節(jié)點(diǎn)連接裝置，實(shí)現(xiàn)了鋼網(wǎng)殼多承壓少受彎的優(yōu)化形態(tài)效應(yīng)，使該體系具有了更大的跨越能力。該新型體系應(yīng)用于2008年奧運(yùn)會(huì)羽毛球館，建成了世界首個(gè)大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)工程，引領(lǐng)了我國大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)工程的快速發(fā)展和應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)還發(fā)明了一種索穹頂與外圍大懸挑結(jié)構(gòu)組合的新型結(jié)構(gòu)體系。國外已建的大跨度索穹頂體育場館，外圈均設(shè)置受力巨大的環(huán)梁結(jié)構(gòu)，總體技術(shù)經(jīng)濟(jì)性未達(dá)到最優(yōu)。項(xiàng)目提出的新型結(jié)構(gòu)體系，通過優(yōu)化連接構(gòu)造和預(yù)應(yīng)力度，使索穹頂產(chǎn)生的向內(nèi)拉力與外圍懸挑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的向外拉力在環(huán)梁處達(dá)到自平衡，顯著減小環(huán)梁受力，降低環(huán)梁結(jié)構(gòu)用鋼量。通過自主創(chuàng)新，設(shè)計(jì)并建成了鄂爾多斯伊金霍洛旗全民健身體育館，成為國內(nèi)第一個(gè)大跨度索穹頂結(jié)構(gòu)工程，也是世界首個(gè)索穹頂與多層大懸挑結(jié)構(gòu)組合的新型結(jié)構(gòu)工程（2層43米懸挑），突破了歐美國家對預(yù)應(yīng)力大跨度整體張拉結(jié)構(gòu)長期的壟斷局面。
團(tuán)隊(duì)的技術(shù)成果已成功應(yīng)用于蕪湖體育場、長春經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)體育場、河南藝術(shù)中心、貴陽奧體中心、北京金融街F7/9項(xiàng)目、金沙遺址博物館、盤錦體育中心等國內(nèi)外幾十項(xiàng)工程，這讓葛家琪感到尤其欣慰。說到創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用于與推廣，葛家琪認(rèn)為，與高新技術(shù)匹配的高品質(zhì)產(chǎn)品制造企業(yè)的作用不容忽視，他對團(tuán)隊(duì)合作單位之一的廣東堅(jiān)朗五金制品股份有限公司給予了高度贊賞。預(yù)應(yīng)力大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系的基本單元是索產(chǎn)品，由多層鋼絲相絞成型的索體構(gòu)造特點(diǎn)，致使鋼結(jié)構(gòu)防腐措施不適用。傳統(tǒng)索產(chǎn)品是在索外層包裹高分子材料護(hù)層（PE護(hù)層），該產(chǎn)品適用于斜拉橋等結(jié)構(gòu)，但由于建筑結(jié)構(gòu)索體間存在很多節(jié)點(diǎn)，PE護(hù)層的存在使節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生滑移，致使結(jié)構(gòu)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(yīng)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(chǎn)品的缺失，已成為制約我國預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的瓶頸之一。堅(jiān)朗公司在開展建筑裝飾索產(chǎn)品業(yè)務(wù)過程中，敏銳地看到了我國預(yù)應(yīng)力大跨度鋼結(jié)構(gòu)對高釩索產(chǎn)品的巨大市場需求。堅(jiān)朗公司以項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的鄂爾多斯伊旗體育館索穹頂工程為切入點(diǎn)，在國內(nèi)率先自主設(shè)計(jì)了大直徑高耐候性Galfan鍍層拉索專用生產(chǎn)設(shè)備，研發(fā)了智能循環(huán)捻制一體化技術(shù)，最大可捻制1×817-φ5的Galfan拉索。經(jīng)過國家鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測，通過了科技鑒定，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，并編制了國家相關(guān)產(chǎn)品規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品已成功應(yīng)用于鄂爾多斯伊旗體育館等國內(nèi)外數(shù)百項(xiàng)工程，打破了此類拉索長期進(jìn)口國外高價(jià)產(chǎn)品的局面，本產(chǎn)品的成功開發(fā)與應(yīng)用，奠定了預(yù)應(yīng)力整體張拉結(jié)構(gòu)這一高新技術(shù)在我國產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)。
“我國城鎮(zhèn)化建設(shè)高潮已經(jīng)過去，建筑市場正在大幅下行，團(tuán)隊(duì)將如何對科研成果進(jìn)行下一步應(yīng)用與推廣？”面對記者的提問，葛家琪從容地說道：“沒錯(cuò)，一個(gè)地方的體育中心最多只有一個(gè)，我國大型公共建筑行業(yè)不是冬天來了，而是不會(huì)再有春天了。國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定階段出現(xiàn)轉(zhuǎn)型是必然的事，它促使行業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)也必須轉(zhuǎn)型，而轉(zhuǎn)型能否成功的關(guān)鍵又回到創(chuàng)新�！�2013年，針對國務(wù)院《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)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(jì)劃課題《現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)集成創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級(jí)實(shí)踐》，率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展了新型預(yù)應(yīng)力環(huán)保儲(chǔ)煤罩棚技術(shù)集成創(chuàng)新與應(yīng)用的攻關(guān)，成果獲得“中關(guān)村國家自主創(chuàng)新示范區(qū)新技術(shù)新產(chǎn)品”認(rèn)證。“工業(yè)散料場抑塵封閉改造的國家環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略所帶來的大跨度建筑市場總量，相當(dāng)于國內(nèi)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(zhuǎn)型，找到了下一個(gè)春天。
