1、研发了多种预应力整体张拉结构新体系，并应用于多项工程
其他
学术前沿 | 走访中国航空规划设计研究总院有限公司葛家琪工作室
由中国航空规划设计研究总院有限公司总结构师、结构首席专家葛家琪研究员领衔主持的结构设计研究工作室，又称葛家琪工作室，成立于2002年。工作室以研发创新技术，创造精品工程为宗旨，重点对大型预应力钢结构技术、结构减隔振（震）控制技术、文物防震（振）保护技术进行了系统研发，取得了系列科研成果；积极参与国家重大工程的评审、咨询和设计研究，发挥技术优势，实现技术的社会价值。特别是在工程设计、咨询工作中，针对技术难点，进行技术攻关和相关研究，形成成套实用技术，应用于工程，实现了产学研用一体化良性循环。
➤➤葛家琪总结构师
工作室现有人员19名（包括博士3名，硕士10名），其中研究员5名，高级工程师5名。葛家琪总结构师曾获国防工业有突出贡献中青年专家、科技奥运先进个人、中国杰出工程师等称号。作为硕士和博士后指导老师，葛家琪总结构师培养研究生6名，博士后2名。
为了技术创新和新市场开拓，2018年，在葛家琪工作室基础上成立了“钢结构技术中心”和“文物保护技术中心”。钢结构技术中心主任张国军博士于2012年入选北京市科技新星计划，文物保护技术中心主任马伯涛博士于2016年入选北京市科技新星计划。
➤➤张国军博士
➤➤马伯涛博士
2018年8月16日上午，《建筑结构学报》编辑部一行7人走访了中国航空规划设计研究总院有限公司葛家琪工作室。葛家琪总结构师、张国军博士、马伯涛博士等参加了本次交流活动。
➤➤合影
编辑部一行首先在葛总的带领下参观了航规院的院史展，马伯涛博士对航规院从1951年成立以来的发展历程和取得的辉煌成绩进行了详细介绍。
➤➤参观院史展
在随后的交流活动中，葛总首先代表工作室全体成员对编辑部一行的到访表示热烈欢迎和衷心感谢，并就工作室整体概况及研究方向等进行了介绍。随后，钢结构技术中心主任张国军博士及文物保护技术中心主任马伯涛博士分别对钢结构领域及文物保护技术领域的研究成果及当前研究进展进行了详细介绍。
葛家琪工作室自成立伊始，就致力于以创新驱动发展，在钢结构领域不断开拓，形成了一整套拥有自主知识产权的创新成果。
以索穹顶、弦支穹顶以及开口式索膜结构为代表的预应力整体张拉结构是国际公认的结构效率更高、跨越能力更强、节约钢材更多的大跨度预应力钢结构体系。由于欧美国家对其核心技术实施严格的商业保密和专利保护，形成国际垄断。在团队成立之前，我国一直未建成大跨度弦支穹顶结构、索穹顶结构。
自2000年起，葛家琪工作室开展了预应力整体张拉结构关键技术创新研究与应用，形成了我国具有自主知识产权的全产业链成套技术，建成了世界上首个大跨度弦支穹顶结构和国内首个大跨度索穹顶结构等几十项工程，取得了一系列突破性技术成果，并主编了我国首部《预应力钢结构技术规程》。
1.1 自主研发了V型径向索弦支网格穹顶新型结构体系
该体系结合了索穹顶和单层网壳各自的优势，通过径向索系几何形态优化，解决了传统索撑体系环向扭转稳定承载力不足的问题；配套开发了一种索撑节点连接装置，实现了钢网壳多承压少受弯的优化形态效应，使该体系具有了更大的跨越能力。该新型体系应用于2008奥运会羽毛球馆，建成了世界上首个大跨度弦支穹顶结构工程，引领了我国大跨度弦支穹顶结构工程的快速发展和应用。
➤➤北京奥运会羽毛球馆（弦支穹顶结构，跨度93m）
1.2 发明了索穹顶与外围大悬挑结构组合的新型结构体系
国外已建的大跨度索穹顶体育场馆，外圈均设置受力巨大的环梁结构，总体技术经济性未达到最优。研究团队提出的新型结构体系，通过优化连接构造和预应力度，使索穹顶产生的向内拉力与外围悬挑结构产生的向外拉力在环梁处达到自平衡，显著减小环梁受力，降低环梁结构用钢量。通过自主创新，设计并建成了鄂尔多斯伊金霍洛旗全民健身体育馆，成为国内第一个大跨度索穹顶结构工程，也是世界上首个索穹顶与多层大悬挑结构组合的新型结构工程（2层43m悬挑），突破了欧美国家对大跨度索穹顶结构长期的垄断局面。
➤➤伊金霍洛旗全民健身体育馆（索穹顶结构，跨度71.2m）
1.3 开发了巨型桁架-索-膜新型结构体系
针对传统体育场主、次桁架结构中主桁架高跨比大（高跨比1/18）、用钢量高的不足，开发出一种巨型桁架-索-膜新型结构体系。该体系主拱桁架与次桁架V形连接，形成空间整体受力的圆锥面巨型桁架，与内部开口式索膜张拉结构形成一种新型结构体系。该新体系应用于芜湖市奥林匹克公园主体育场，由于受力合理，使得跨度273m的前主拱桁架高度仅为3m（高跨比仅为1/90），主拱脚推力仅为传统结构的1/20，比同等规模跨度的传统主次桁架结构节省用钢量2100t，节材45%以上。
➤➤芜湖体育场 （巨拱桁架-索膜结构，跨度273m）
1.4 开发了新型非对称开口式索膜整体张拉结构体系
由吊索、脊索、谷索三层径向索和环索组成的空间索网，通过膜面张拉和脊谷索张拉，形成富于建筑动感的非对称开口式索膜张拉结构，并与外围钢结构环梁形成一种新型预应力整体张拉结构体系。该体系应用于跨度达283m的盘锦体育场，采用地面整体组装，整体张拉一次成形，技术经济性好，建筑效果佳，成为拥有自主设计版权的我国最大跨度非对称开口式索膜整体张拉结构工程。
➤➤盘锦体育中心体育场（非对称开口式索膜整体张拉结构）
2、提出了预应力整体张拉结构全过程性能设计方法与多阶段安全设计指标
2.1 首次提出了预应力整体张拉结构全过程性能化设计方法，建立了多阶段安全设计指标
任何新体系、新技术的应用，其安全设计方法与设计指标都是首先要解决的核心技术问题。欧美国家现行设计方法没有充分考虑到预应力整体张拉结构“体系变形大而索构件延性小”的特征，存在安全缺陷。
研究团队提出预应力张拉与承载全过程性能化设计方法，并通过系列新体系模型力学性能试验，揭示出该体系“弹性状态-径向索松弛-环索屈服-结构破坏”的多阶段受力特性及破坏机理，提出正常使用荷载弹性状态、超使用荷载弹塑性状态多阶段的承载力设计指标和变形设计指标，保证了结构弹塑性大变形全过程安全，填补了国内外相关规范空白。在预应力整体张拉结构安全设计指标体系方面，取得了突破性成果。
➤➤索穹顶受力性能试验与全过程效应曲线
➤➤弦支穹顶结构力学性能试验与全过程效应曲线
➤➤PCT国际专利
2.2 首次提出了索穹顶结构预应力度的工程实用确定方法
合理的预应力度会显著减小体系变形、提高承载力并改善延性，预应力度偏低会造成结构承载力不足、过高会发生结构脆性破坏，目前国内外还缺乏工程师实用的预应力度计算公式和确定方法。基于索穹顶结构全过程分析，揭示出满足结构稳定承载力与变形要求的设计成形态对应的预应力度，与自重作用下体系初始成形态对应的初始预应力存在内在比例关系，在国际上首次提出了工程实用的“基于索穹顶张拉和承载全过程分析的预应力确定方法”，解决了工程设计关键技术难题。
3.1 提出节点性能化设计方法与设计指标
预应力整体张拉结构节点由索体与钢节点通过摩擦接触相连，与传统钢节点具有不同的受力机理，国内外相关规范标准均没有明确的计算方法和安全设计指标；为此，开展了预应力“索-钢”节点承载力性能和疲劳性能系列节点试验研究，结合节点荷载-应变全过程响应分析结果，揭示出“索-钢”节点处索钢接触单元受力机理，确定了节点破坏准则，首次提出了该类节点安全设计指标。该成果已成功应用于河南艺术中心工程和贵阳奥体中心体育场等各类预应力钢结构工程。
➤➤河南艺术中心及其索-钢节点试验
➤➤贵阳体育场及其索-钢节点试验
3.2 研发了预应力整体张拉结构系列节点构造和装置
研发了可滑动的索夹连接节点、索撑节点连接装置、可伸缩钢结构连接节点、钢索连接锚具、用于索膜结构的铰链结构等新型节点和构造，减少了预应力损失、改善了结构和节点受力、方便了张拉施工；发明了改善索穹顶结构性能的构造方法，有效提高了索穹顶结构的索撑系统环向扭转稳定性能。成果成功应用于长春经济开发区体育场、中关村国家自主创新展示中心等工程中。
➤➤左起：长春经济技术开发区体育场、中关村自主创新展示中心
自2000年以来，本团队坚持产学研用合作创新研发，共同完成了预应力整体张拉结构科研课题13项、试验研究7项，共同完成工程项目15项。在《建筑结构学报》分别发表了弦支穹顶和索穹顶结构设计、科研、试验及工程应用两期论文专辑，项目研究成果编入了《现代预应力钢结构》、《新型建筑索结构设计与监测》。在此基础上，将预应力整体张拉结构全过程性能设计方法与安全指标体系、全过程动态仿真分析与成套施工技术，以及新体系、新节点、新产品创新成果进行集成，形成了预应力整体张拉结构全产业链成套技术。
参编了我国首部《预应力钢结构技术规程》，填补了国内空白（国际上亦无此类完整的规程）。规程指导性和可操作性强，为国内百余项新型预应力钢结构工程设计、施工、验收提供了依据，对我国预应力钢结构的推广和发展起到巨大的推动作用，引领了该类新型结构在我国的科学发展。
5.1 成都博物馆
该建筑总建筑面积6.5万m2，地上5层展厅，地下4层，结构为集高位连体、多层大悬挑为一体的特别不规则体系。为天府广场人群提供遮风雨空间，并作为活动广场；南侧20m多层悬挑，为仅15m之遥的清真寺打开视觉空间；东侧有33m的5层大悬挑，解决了城市地下轨道交通规划与建设规划之间的矛盾。
针对该结构工程，课题组开发了空间外网格与内部核心筒及柜架混合的多高层空间结构体系。并提出了该创新体系的设计方法与指标，通过振动台试验，验证新体系抗震安全性；开发了空间外网格与内部核心筒及柜架混合的多高层空间结构体系，并提出了该创新体系的设计方法与指标，通过振动台试验，验证新体系抗震安全性。
该建筑已经历了2016年6月27日绵阳4.6级地震、2017年九寨沟7.0级地震，地震作用效应明显小于周边建筑，结构安全并有效保护了文物。
➤➤成都博物馆
5.2 杭州国际会议中心（结构方案设计）
建筑造型为85m直径圆球体，地上15层，与大剧院形成日月同辉建筑形象。原结构方案为钢筋混凝土核心筒—框架结构。由于建筑平面为不封闭“C形”，剖面同样为“C形”，结构扭转效应严重，核心筒墙体达到700mm，仍不满足抗震性能要求。该结构方案关注到球体外表经纬线组成的网格，是典型的几何力学稳定的“梯子”单元，辅以外壳支撑单元，构造出外网格球壳-内钢框架高层空间结构体系。通过对结构方案进一步研究发现，球壳空间网格抗侧刚度强大且均匀，实现了球体造型建筑抗震安全性能；同时可取消原设筒体、弱化内部结构抗侧刚度。有效解决了原方案抗震扭转难题，释放出内部空间，实现了内部双C型建筑功能的要求。
➤➤杭州国际会议中心
5.3 海南生态智慧新城田园科技中心
该建筑总建筑面积3.2万m2 ，五边形管状展陈空间（noodles）螺旋上升，其中穿插若干方形体（sticks），建筑造型寓意“互联互通”。原设计方案按传统的核心筒—悬挑（桁架）设计理念，为几何不规则、传力不顺畅体系，建筑展陈空间被悬挑桁架打断，不符合“互联互通”理念。结构方案设计充分利用螺旋上升管状空间（noodles）外表面交融连接的建筑机理，采用空间三角形网格交互相连，形成力学高效的多层空间结构形式，并实现内部空间的互相连通。
➤➤海南生态智慧新城田园科技中心
6、依靠预应力钢结构领域的技术优势，拓展新兴市场；将先进技术应用于环保领域，取得更多创新成果
6.1 新型封闭煤场结构设计与建设
根据国家环保要求，全国有数千座煤场（料场）需要封闭，传统钢结构技术不满足电厂正常运营及安全要求。团队大力推广预应力钢管相贯桁架结构体系在煤场封闭工程中的应用。预应力钢管相贯桁架结构体系属于张弦立体桁架结构，已纳入JGJ 7-2010《空间网格结构技术规程》、CECS212:2006《预应力钢结构技术规程》中，是一种成熟的大跨度钢结构体系。
预应力钢结构技术已广泛应用于国内外大型民用公共建筑领域，跨度达到260m以上。一般情况下预应力钢结构可节约钢材30%以上。应用大跨度预应力钢管相贯桁架结构，煤棚内部无需支撑柱，内部空间大，空间利用率高，推煤机在内部运行不受影响。
➤➤国投钦州发电厂二期扩建煤场封闭工程（跨度：199m，纵向长度：252m，已投入使用）
➤➤内蒙古大唐国际托克托电厂五期扩建封闭煤场工程（跨度：188m，纵向长度：210m，主结构已施工完成）
➤➤大唐国际广东雷州发电厂煤场封闭工程（跨度：188m，纵向长度：364m，设计完成）
6.2 新型风电塔架设计与建设
石化能源是大气污染的主要源头，发展风电是国家战略要求。传统钢塔架成本高，且不适用于大功率风电机组的发展。团队开发了国内首个预应力混凝土风电塔架（混凝土塔高15m），国内首个预制装配式预应力混凝土塔架（混凝土塔高45m）。形成了一整套新型预应力风电塔架设计方法，完成了塔架1000万次级别疲劳试验和大比例缩尺试验研究。
➤➤新型风电塔架设计与建设
近年内，发表在《建筑结构学报》等学术期刊上的学术论文50余篇，其中EI收录21篇；参加国内外学术会议并作主题报告20余次；由住建部、中国钢协、贵州省住建厅等分别组织完成项目成果鉴定四项，成果均达到国际先进水平。
打造核心技术和自主知识产权，经过近7年的不懈努力，分别在预应力钢结构领域、减隔震和文物防震保护领域，形成了两个专利集群，共申请专利约80项，已获得国家发明专利授权近四十项，国际发明专利授权1项，实用新型专利授十余项。形成了从设计方法、控制指标、结构体系、节点构造到产品的系列化专利群。
研究成果获奖情况：
◆ 中国钢结构协会科学技术奖：特等奖、一等奖和二等奖各一项；
◆ 北京市科技进步奖：二等奖；
◆ 中国土木工程学会科学技术奖：詹天佑奖（三次）；
◆ 科技部“科技奥运”创新奖；
◆ 英国皇家结构工程师协会中国区优秀结构奖：银奖；
◆ 中国勘察设计协会全国优秀工程勘察设计奖：一等奖；
◆ 荣获华夏建设科学技术奖：一等奖。
◆ 国家科技进步奖二等奖（葛家琪为第一完成人）
1、博物馆文物全系统防震安全研究与产业化实践
博物馆是保护和利用文物的载体，将可移动文物大量流向博物馆集中保存，有利于文物保护和管理，但也加大了地震下集中损毁的可能性。我国60%以上博物馆处在强震多发地震带上，2008年5.12汶川地震，造成2700余件馆藏文物损毁。
地震的发生时间和强度均具有高度不可预见性，某5.12汶川灾后新建博物馆已提高结构防震等级，遭遇5年后4.20芦山地震，馆舍结构及人员基本安全，却仍旧造成诸多珍贵文物损毁，现象源于我国现行博物馆安全规范标准体系对文物防震没有要求，致使地震中存在博物馆馆舍安全而文物不安全的突出问题。
为此，团队在博物馆工程设计基础上进行了技术外延，开展了博物馆及馆藏文物系统防震安全性研究和实践，提出了“地震波+馆舍+展柜+文物”全系统防震安全评判指标、设计方法，开发了成套装备，形成了以博物馆文物防震保护为核心技术的自主知识产权专利族。
➤➤博物馆文物防震技术知识产权构架
参编了《博物馆建设标准》、《博物馆建筑设计规范》、《馆藏文物防震规范》、《馆藏文物防震装置》等行业规范标准，成果获得了国家文物局“十二五”文物保护科学和技术二等奖、全国十佳文博技术产品奖、中关村新技术新产品（服务）认证和北京市新技术新产品（服务）认证。主要项目示范如下：
2、文物建筑防震安全评估与抗震性能化设计
受郑州市文物局委托，开展郑州二七罢工纪念塔抗振（震）安全评估。郑州二七大罢工纪念塔和纪念堂反映了在中国共产党领导下，工人阶级的斗争史实和不屈不挠的革命精神，2006年被国务院列入第六批全国重点文物保护单位名单，极富爱国主义教育意义。
研究的重点有：适用于不可移动文物建筑的结构安全指标确定，国保级不可移动文物建筑的材料性能识别与选取，适用于不可移动文物建筑的模型简化方法和抗震性能设计分析方法，地铁振动等综合因素影响下的抗震安全性分析。在文物建筑方面目前团队已开展了相关理论探索，承接了国家文物局行业标准《文物防震砖石质古建筑评估规范》。
与北京交通大学合作，在文物防轨道交通振动领域目前已有近十年的合作研究。采用现场实测、理论分析和有限元模拟三者结合的技术路径，开展“振源-传播过程-建筑及文物本体”传播全过程的实测与分析研究，目前已完成了洛阳城市轨道交通建设过程中的文物防振安全影响评估、虎门环岛路建设文物影响评估、佛山博物馆与下穿城际高铁共建的振动影响评估等专项评估和全系统防振技术措施方案设计，获得了北京市科技服务业专项支持。
本次走访交流活动中，我们深切体会了科研工作者的使命感与责任担当，葛家琪总结构师及其团队成员对设计、科研工作的热爱与追求，以及对历史、文化传承保护的家国情怀，作为编辑，我们深受鼓舞和激励！
最后，特别感谢对本次走访交流活动提供周到服务的葛家琪研究团队的大力支持！
本期微信编辑：刘安然
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