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学术前沿 | 走访中国建筑设计研究院有限公司范重结构设计工作室
为深入了解我国复杂超高层建筑及大跨度结构的研究进展及其工程应用，追踪和报道当前建筑结构设计中的关键技术，2018年7月27日下午，《建筑结构学报》编辑部一行7人，走访了中国建筑设计研究院范重工作室。
➤➤合影
中国建筑设计研究院总工程师、全国工程勘察设计大师范重带领团队与学报编辑部一行进行了座谈。范总首先代表工作室全体成员对编辑部的到访表示热烈欢迎。
随后，由范总向编辑部一行介绍了范重工作室的总体情况，中国建筑设计研究院副总工程师、范重工作室副主任胡纯炀介绍了工作室在重大工程结构设计与咨询方面的业绩，彭翼教授级高工介绍了开合屋盖结构关键技术方面的研究成果，范重工作室主任工程师、教授级高工刘学林博士介绍了超高层结构设计关键技术研究方面的最新进展。
最后，由范总介绍了工作室正在进行的超长大跨度结构设计关键技术方面的研究工作。双方就结构专业领域技术创新等问题进行了交流。
➤➤左起：范重、胡纯炀、刘学林、彭翼
➤➤活动现场
范重1988年毕业于清华大学结构工程专业，获得博士学位后进入中国建筑设计研究院有限公司（原建设部建筑设计院）从事结构设计工作至今，现任中国建筑设计研究院有限公司总工程师，教授级高级工程师。
范重工作室成立于2007年，现有正式员工22人，其中教授级高工5人，高级工程师5人，工程师10人，助理工程师2人。
范重工作室成立以来，先后完成了国家体育场“鸟巢”、陕西奥体中心体育馆、环球影城地铁站、大同国际会展中心、临汾市体育馆等大跨度结构设计工程20余项，完成了北京奥运塔、绿地大望京中心、阳光保险中心大厦、南京金茂广场二期、中国铁物大厦等超高层结构设计20余项，以及天津团泊血液病医院、委内瑞拉海水淡化厂等其他项目的结构设计，此外还进行国内大跨度结构与超高层项目的结构设计咨询工作。目前，正在进行厦门翔安新机场、雄安高铁站、北京市副中心综合交通枢纽和济南恒大国际金融中心、武汉光谷绿地中心超高层等多个项目的设计工作。
范重工作室紧密结合重大工程的需求，与高校和科研单位密切合作，开展了多角度的技术研究工作。先后承担国家科技攻关计划课题2项、国家科技支撑课题5项、北京市科委课题1项以及其他各类科研课题10余项。研究成果得到了业内专家的好评，多项成果达到国际领先水平或国际先进水平，为出色完成大型复杂结构工程的设计工作奠定了坚实的基础。
范重工作室秉承“热诚、严谨、高效、创新”的理念，先后获得了北京奥组委授予的“科技奥运先进集体”、中国建筑设计研究院“科技贡献奖”、“科技创新贡献奖”等多项集体荣誉称号。近年来，范重工作室结合重大工程设计与科研课题的需求，与北京科技大学、北京交通大学和北京建筑大学等联合培养研究生。同时，有高校的青年教师和设计单位的年轻工程师到工作室交流、进修。
➤➤团队荣誉
2.1 国家体育场“鸟巢”
国家体育场“鸟巢”是2008年第29届奥运会的主会场，固定座席可容纳8万人，活动座席可容纳1.1万人，总建筑面积25.8万平方米。国家体育场大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为37.958m。屋盖中间开洞长度为185.3m，宽度为127.5m。国家体育场大跨度钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主结构与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。主场看台部分采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。
➤➤国家体育场“鸟巢”
技术亮点：
（1）在我国建筑工程中首次采用三维建模软件CATIA解决复杂空间结构的建模问题。
（2）采用国产优质高强、高性能超厚钢板，对于改善结构的安全性与施工性能、控制用钢量具有重要作用。
（3）提出下风振系数的计算方法，解决大跨度结构下压风致响应问题。
（4）提出大跨度结构温度场计算方法，合理确定合拢温度与最大正、负温差。
（5）在ANSYS软件平台上开发设计与优化功能，用于大跨度结构的优化设计。
（6）提出根据焊接薄壁箱形构件中板件的应力状态确定有效宽度的方法，并给出薄壁箱形构件在拉、压、双弯、双剪、扭等各种受力状态的设计公式。
（7）提出空间扭曲薄壁箱形构件的计算与设计方法。
（8）提出空间扭曲箱形构件的空间坐标表示法。
（9）提出主桁架单K节点与双弦杆KK节点的设计方法。
（10）提出桁架柱内柱节点与外柱节点的设计方法。
（11）提出桁架柱柱脚的成套设计方法。
项目获奖：全国优秀勘察设计金奖、詹天佑土木工程大奖、全国优秀结构设计一等奖，英国皇家结构工程师学会中国大奖金奖，当选为北京当代十大建筑。
2.2 鄂尔多斯东胜体育场
鄂尔多斯东胜体育场地上3层,总建筑面积为100450m2，观众席35000座。鄂尔多斯东胜体育场采用巨型拱索结构，巨拱高度129m，跨度330m，与地面垂线倾斜6.1°。该工程2010年11月竣工，已经成功举办了包括第62届世界小姐总决赛在内的多项重大活动和赛事。
➤➤鄂尔多斯东胜体育场
技术亮点：
（1）采用钢管拱桥的设计理念，巨拱为23组钢索，可以有效减小固定屋盖在活动屋盖运行时的变形。
（2）在邻近巨拱拱脚4个节间的弦管中灌注混凝土，提高了钢拱在罕遇地震作用下的承载力。
（3）在沿活动屋盖运行轨道方向布置主桁架，周边布置环向桁架以增加屋盖结构的整体刚度。
（4）实现了活动屋盖结构布置与固定屋盖结构和谐统一。
（5）尽量减小活动屋盖边桁架高度，易于适应各台车不均匀变形。
（6）对活动屋盖驱动方式进行重大改进，转向轮作用于固定屋盖的反力值有效减小。
（7）活动屋盖屋面采用PTFE膜结构，可有效地适应活动屋盖的变形。
项目获奖：全国优秀工程勘察设计行业建筑结构一等奖，全国优秀建筑结构设计一等奖、詹天佑土木工程大奖。
2.3 国家网球馆“钻石球场”
国家网球馆“钻石球场”是中国网球公开赛专用比赛场馆，赛时看台区总座席数为13598个，总建筑面积约51199m2。工程于2011年8月投入使用，现为中国网球公开赛的比赛场地。
➤➤国家网球馆“钻石球场”
技术亮点：
（1）外立面由16组V形柱与内环框架共同构成抗侧力体系，实现了结构构件与建筑造型的完美统一。
（2）固定屋盖网壳采用双层与三层相结合的方式，结构刚度大，满足活动屋盖运行要求。
（3）采用以组合箱型截面为特征的新型钢骨混凝土柱节点，构造简单合理，易于混凝土浇筑。
（4）通过施工模拟分析，确定了结构卸载后再进行固定角部支座的施工顺序，避免支座受拉。
（5）在立面V形柱底部设置环形承台，使基础的安全性与抗震性能显著提高。
（6）采取措施解决在重力荷载下环梁受拉开裂问题，避免设置抗震缝，改善了结构整体性能。
项目获奖：中国建筑学会全国优秀建筑结构设计一等奖。
2.4 苏州火车站
苏州火车站站房建筑地下3层，地上2层，大跨度屋盖南北方向长度为352.2m，单体覆盖面积达60835m2。站房建筑根据铁路运行的工艺要求分期建设与使用，施工期超过5年。
➤➤苏州火车站
技术亮点：
（1）大跨度屋盖最大长度为352.2m，最大柱距为132m，单体覆盖面积60835m2，整个大跨度屋盖结构支承在16组V形斜柱之上。
（2）结合苏式园林建筑屋面造型与铁路工艺，采用密排菱形桁架体系。
（3）在北区与南区之间的屋盖处设置了4个临时V形柱，满足了屋盖钢结构分期建设与使用的要求。
（4）根据施工进度安排及合拢时间，将屋盖结构沿纵向分成5个温度区段，进行了精细的施工过程温度模拟。
（5）通过对多种复杂节点进行有限元分析与试验研究，采用相贯焊接节点替代铸钢节点，降低了工程造价，加快了施工进度。
项目获奖：全国优秀建筑结构设计一等奖、国家铁路总局铁路优秀工程设计一等奖等，入选苏州市十大建筑。
2.5 天津国际金融会议酒店
天津国际金融会议酒店位于天津滨海新区于家堡金融区核心位置，建筑南北长238m、东西长95m，地下2层，地上12层，建筑总高度约60m。总建筑面积约为19.3万平方米。该工程建筑造型独特，建筑功能多样。围绕四季厅的超大面积玻璃幕墙，形成东西通透的建筑效果，建筑顶部采用大跨度屋盖将两个塔楼连结为一个整体，屋顶游泳馆和网球馆带有可开合屋盖。建筑原创方案由SOM完成，后经日本东急、ASN、日本菊竹清训事务所和中国建筑设计研究院最终完成建筑方案深化。
➤➤天津国际金融会议酒店
技术亮点：
（1）采用多层、大跨度巨型结构，主体结构由八个钢板剪力墙核心筒+大跨度桁架(45m跨度)与周边的钢管混凝土柱+H型钢梁框架组成。
（2）在钢板剪力墙试验研究与理论分析的基础上，提出了带竖向加劲肋钢板墙成套设计方法。
（3）提出鱼尾板与内嵌钢板以及钢板剪力墙与现浇楼板的新型连接构造。
（4）完成高52m、宽108m超大弧形玻璃幕墙预应力桁架结构体系设计。
（5）研发了可多向转动与滑动销轴支座，确保幕墙结构对两侧塔楼相对变形的适应能力。
（6）巧妙利用三座钢连桥与下沉广场弧形挡土墙顶梁，有效提高了超高悬臂挡土墙的侧向抗推能力。
审查专家认为，结合本工程完成的课题成果“总体上达到国际先进水平，在开洞钢板剪力墙和钢板剪力墙边缘连接构造的研究方面达到国际领先水平”。
2.6 深圳京基100
深圳京基100塔楼的建筑面积约28万平方米，共100层，建筑总高度为441.8m。该项目于2007年开始设计，2011年4月结构封顶，由中国建筑设计研究院与深圳华森工程顾问公司合作完成施工图设计。
➤➤深圳京基100
技术亮点：
（1）对抗侧力体系进行计算优化，提高结构效能，并进行大型振动台试验进行对比验证。
（2）在风洞试验基础上进行风振响应理论与数值分析，确保在横风振效应下满足舒适性要求。
（3）在国内首次采用2.7m×3.95m大截面矩形钢管混凝土柱，提出内部加劲肋设计方法。
（4）进行巨型钢管柱、伸臂桁架与矩形钢管混凝土柱节点缩尺模型试验，验证了结构设计的合理性。
（5）提出超厚钢骨混凝土剪力墙的设计方法，合理控制多排钢筋间距。
（6）提出采用多个H型钢的超宽钢骨混凝土连梁配筋形式，解决超宽连梁受力与构造的合理性。
项目获奖：中国建筑设计奖（建筑结构）金奖，为深圳市的标志性建筑之一。
2.7 北京奥运塔
北京奥运塔的塔体由5个直径与高低各不相同的单塔组成，最大高度约为261.65m，总建筑面积为1.8万平方米。单塔最大高宽比达31，塔身纤细，塔冠观景厅向外悬挑，传统的结构形式难以满足抗风与抗震要求。该项目2006年开始设计，2013年7月结构封顶，2015年8月对公众开放。
➤➤北京奥运塔
技术亮点：
（1）沿建筑高度方向设置4道连接桁架，形成组合塔式结构体系，结构的侧向刚度与抗倾覆能力得到显著提高。
（2）利用顶部消防水箱与黏滞阻尼器构成TMD减振系统，研发了可调节折返式吊挂机构，克服了上空高度不足的难题。
（3）采用竖向TMD减震装置，解决了塔冠结构外挑长度大、观景平台竖向振动频率低的问题。
（4）基座大厅屋盖采用交叉编织混凝土菱形网格结构，用于解决由于采光带而使楼板缺失对结构整体性的削弱问题。
（5）结合建筑室内造型，在大跨梁端部设置加腋梁，可有效减小构件截面，改善经济性。
项目获奖：全国优秀工程勘察设计行业建筑结构专业一等奖。
2.8 绿地大望京中心
绿地大望京中心总建筑面积约17.2万平方米，塔楼建筑高度260m，地上共55层。2011年开始设计，工程于2015年12月竣工。采用框架+核心筒结构体系，抗震设防烈度为8度。
➤➤绿地大望京中心
技术亮点：
（1）经过多方案优化、比较，确定塔楼伸臂桁架与环桁架的数量与位置，将伸臂桁架斜腹杆作为后装构件，避免在重力荷载下受力过大。
（2）在中震作用下拉应力较大的底部墙肢采用钢板组合剪力墙代替型钢组合剪力墙，明显缓解了钢材强度随板厚增加而降低的效应，剪力墙的抗震性能显著提高。
（3）采用新型混凝土减缩剂，有效降低混凝土孔溶液的表面张力，提高毛细孔壁的疏水性，降低混凝土自收缩和干燥收缩，确保钢板混凝土剪力墙浇筑后无裂缝。
（4）在核心筒洞口采用双连梁代替单连梁，使连梁的受剪承载力大幅度提高，延性与耗能能力显著改善。
（5）框架梁端翼缘设置加厚段，构造简单、加工方便，能够有效避免节点焊缝撕裂问题。
项目获奖：全国优秀工程勘察设计行业优秀建筑工程设计一等奖。
2.9 银川绿地中心
银川绿地中心超高层项目位于银川市阅海湾中央商务区中心区，建筑总面积303000m2，3层地下室，埋深约15.7m。整个建设地块由南、北两座塔楼与裙房组成，两座塔楼建筑总高度均为301.0m，裙房地上3层，抗震设防烈度8度，50年重现期的基本风压为0.65kN/m2。
➤➤银川绿地中心
技术亮点：
（1）两座塔楼均采用型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构体系。
（2）结合该工程，进行了理论分析与试验研究，提出钢板组合剪力墙拉弯构件设计方法。
（3）在钢板两侧混合设置长栓钉与短栓钉的新型组合剪力墙构造，有效避免了箍筋穿孔对钢板受拉截面的削弱，改善了超厚剪力墙的整体性。
（4）在进行系统理论研究的基础上，在核心筒构造洞口采用双连梁和三连梁代替单连梁，使高烈度区连梁的抗震性能显著提高。
2.10 雄安高铁站
该项目位于河北雄安新区，总建筑面积约14.75万平方米，建筑高度39.5m，由中国建筑设计研究院与中国铁路设计集团有限公司联合设计。首层为桥下进站层，中央为候车大厅，候车厅两侧分别为公交车、出租车、社会车、网约车等公共车场及配套商业，候车厅与车场之间形成两条城市通廊，贯穿铁路线两侧。夹层为出站层，物流货物在夹层分散发往各站台。东侧为S1、S2轨道交通站台，旅客可从轨道交通站台直接上至高架候车厅。
➤➤雄安高铁站
站房承轨层以下采用钢筋混凝土框架结构，站棚采用钢结构，高架候车厅采用大跨度张弦结构。该项目正在进行初步设计，并对复杂超长结构多点输入、新型箱形构件和高架候车层结构优化及舒适度等专题展开研究。
2.11 北京市副中心综合交通枢纽
该项目由中国建筑设计研究院有限公司和中国铁路设计集团有限公司、北京市市政工程设计研究总院有限公司和法国AREP Ville公司联合设计，总建筑面积约为180万平方米，地上建筑高度100m。
➤➤北京市副中心综合交通枢纽
包括京唐线、城际线、京哈铁路、地铁6号线、R1线和公交等多条线路在此进行交汇。通过采用平面分区、竖向分层的设计策略，实现公交优先、绿色出行的示范枢纽方案。便捷灵活的换乘体验，改善枢纽换乘空间环境，为旅客创造良好的感受和人性化体验。
目前，工作室设计团队正在与建筑师密切合作，展开对超长大跨度屋盖、复杂拱-索结构体系、轨道上方转换结构等技术难题进行全面深入的研究工作。
3.1 国家体育场钢结构设计关键技术研究
“国家体育场钢结构设计关键技术研究”包括的8个子课题如下：
（1）国家体育场大型柱脚－混凝土承台关键技术研究与应用
（2）国家体育场钢结构复杂节点关键技术研究与应用
（3）国家体育场扭曲薄壁箱形构件关键技术研究与应用
（4）国家体育场钢结构地震安全性研究
（5）国家体育场钢结构风致响应研究
（6）国家体育场焊接薄壁箱形构件研究与应用
（7）国家体育场温度场与合拢温度研究与应用
（8）国家体育场钢结构监测与安全性研究
国家科技部与北京市科委组织的成果鉴定会对研究成果给予高度评价，全部子课题均达到国际领先水平或国际先进水平。相关研究成果获得国家科技进步二等奖1项、北京市科技进步一等奖1项、北京市科技进步二等奖2项、华夏科技进步一等奖1项。
3.2 开合屋盖结构设计关键技术研究与应用
开合屋盖可以根据使用功能与天气情况在室内与室外环境之间进行转换，极大改善了建筑使用条件。可开合结构突破了传统意义上结构处于静止状态的理念，涉及了建筑、结构、机械、自动控制等多个学科，迫切需要通过学术研究与工程实践，提高开合屋盖结构设计水平。该课题主要包括以下内容：
（1）开合结构开合基本状态与抗震设计方法研究
（2）水平卡轨力、冲击力、惯性力和制动力等荷载取值方法研究
（3）研究固定屋盖结构体系与活动屋盖结构体系设计方法研究
（4）活动屋盖与固定屋盖相互作用机理、动力特性及阻尼特性研究
（5）活动屋盖新型驱动方式研究
（6）活动屋盖与固定屋盖密封构造研究
验收专家一致认为该课题在开合屋盖结构的设计开合状态、荷载取值方法、新型结构体系、驱动控制系统等研发方面取得了创新性成果，总体达到国际先进水平，其中在活动屋盖卷扬机驱动系统研发方面达到国际领先水平，其成果具有很大的推广意义。
该课题获得华夏建设科学技术一等奖。
3.3 超高层建筑关键技术研究
该研究主要包括以下内容：
（1）高效能超高层结构体系研究
（2）超高层框架-核心筒结构体系技术经济性研究
（3）钢板混凝土组合剪力墙抗震性能研究
（4）带肋钢板与防屈曲钢板剪力墙抗震性能研究
（5）连梁抗震性能研究与新型连梁研发
（6）大直径钢管混凝土柱与节点抗震性能研究
（7）混合结构框架梁等效刚度研究
（8）基础刚度、坡地建筑对高层建筑抗震性能影响研究
验收专家对相关课题成果给予高度评价：项目对于推动我国超高层建筑的发展和行业技术进步具有重要的意义。成果总体上达到国际先进水平，其中钢板混凝土剪力墙拉弯性能、大直径钢管混凝土柱-钢梁连接节点的研究成果达到国际领先水平。
3.4 大跨度结构关键技术研究
该研究主要包括以下内容：
（1）大跨度预应力钢结构技术研究
（2）空间结构节点设计技术研究
（3）新型建筑结构支座研究
（4）消防车、机动车等效活荷载取值方法研究
（5）超长结构温度效应研究
（6）超长结构地震行波效应研究
上述结构设计技术已经在多项工程中得到成功应用，部分成果已经为最新修订的《建筑结构荷载规范》GB50009、《钢结构设计标准》GB50017所采用，具有较大的推广应用价值。
4.1 规范标准
由中国建筑设计研究院有限公司范重总工程师主编的中国工程建设标准化规程《开合屋盖结构技术规程》CECS417：2015已颁布实施。
由范重总工主编完成的《防空地下室结构设计手册》RFJ04-2015（国人防【2015】89号文）正式通过国家人民防空办审批，并准予2015年5月1日起实施。
由范重总工担任主编的行业标准《开合屋盖结构技术规程》JGJ/T 442已于2017年7月20日通过国家标委会组织的专家审查会。以董石麟院士为主任委员的专家委员会对给予高度评价：“该规程的编制为开合屋盖结构设计、施工和运营提供了可靠的技术依据，对于开合屋盖工程在我国的应用与发展具有积极的推动作用与指导意义，是一本集结构、机械、建筑等多专业为一体的技术规程，达到国际先进水平”。
4.2 论文、专著和专利
论文：范重工作室已发表学术论文百余篇，其中EI、SCI论文40余篇。
专著：由范重大师历时3年主编完成的国家重大建筑工程结构设计丛书——《国家体育场“鸟巢”结构设计》专著于2011年出版，《开合屋盖结构设计》一书预计在年内出版。
专利：获得专利30余项，其中获得发明专利7项，实用新型专利20余项。
4.3 获奖情况
工程设计奖：
（1）国家优秀设计奖：金奖1项、银奖2项、铜奖2项
（2）全国优秀工程勘察设计奖：一等奖4项、二等奖5项
（3）北京市优秀工程设计奖：一等奖10项、二等奖4项
（4）全国优秀建筑结构设计奖：一等奖5项、二等奖3项
（5）詹天佑土木工程大奖4项
（6）英国工程师学会中国大奖金奖1项，银奖1项
科技进步奖：
（1）国家科技进步奖：二等奖1项
（2）北京市科技进步奖：一等奖1项、二等奖2项、三等奖1项
（3）华夏建设科学技术奖：一等奖4项
至此，《建筑结构学报》编辑部一行走访中国建筑设计研究院有限公司任庆英工作室和范重工作室圆满结束！通过与设计大师及其主创团队的深度交流，感受到了他们对结构设计的热爱与坚守，责任与担当，思想与智慧，受益匪浅！
最后，特别感谢任庆英总工程师、范重总工程师以及主创团队的大力支持！在此，《建筑结构学报》编辑部的全体工作人员深表谢意！
本期微信编辑：刘安然
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