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主管:住房和城乡建设部

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欲戴其冠 必承其重——访全国工程勘察设计大师范重

欲戴其冠 必承其重

—访全国工程勘察设计大师 范重

■ 本刊记者  张雨禾


范重



全国工程勘察设计大师,国家一级注册结构工程师,教授级高级工程师。现任中国建筑设计院有限公司总工程师。

1978年初进入清华大学结构工程专业学习,持之以恒、不断钻研,“十年磨一剑”;

毕业后担任结构专业负责人的第一个项目是全国政协办公楼改建工程;

破解首都博物馆新馆设计中的结构难题、完美实现“鸟巢”复杂的钢结构;

先后主持国家网球馆“钻石球场”、北京奥林匹克塔等40余项结构设计,并揽获国家优秀设计金奖、全国优秀工程勘察设计一等奖等数十项各级奖项;

潜心钻研核心配筋柱、大跨度结构关键技术等结构创新技术,取得丰硕成果;

先后完成各类科研课题20余项,荣获专利25项,出版学术专著3部,在EI、SCI及核心期刊发表学术论文100余篇

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、二等奖2项、三等奖1项;华夏建设科技一等奖4项等奖励。

……

这份厚实、闪亮的履历,属于全国工程勘察设计大师,中国建筑设计院有限公司总工程师范重。近日,记者采访了这位沉稳、内敛的大师,试图揭开辉煌背后的故事……




记者:您为什么会选择结构工程专业?


范重:选择结构工程专业是我一直以来的梦想。在上大学前,我心目中的土木工程工程师是一个非常受人尊重的职业,建房修桥、天南地北、四海为家,能够成为工程师是件非常了不起的事。1977年年底,在填报高考志愿时,我将建筑工程作为重点方向,并如愿被清华大学建筑工程系录取。

当时清华大学建筑工程系共有建筑学、工民建、给排水和暖通四个专业。由于清华大学建筑专业并没有1977级的招生计划,因此,经与系领导协商,在当年入学的37人中,我与另外26位同学转为77级结构工程专业,其余10位同学并入78级建筑学专业,从此我开启了在清华大学本科、硕士研究生、博士研究生长达10年的结构工程专业学习之路,可谓“十年磨一剑”。

1988年,我博士毕业后进入原建设部设计院工作至今,时光荏苒,30年转瞬即逝,这期间经历的很多人和事仍历历在目。我的专业研究方向是结构力学,刚参加工作时,许多同事认为博士来设计院工作大材小用,难以发挥作用。对此我并不认同,因为需要通过实践学习、掌握的东西还很多。我从练习仿宋字、画楼梯和梁柱详图等结构设计最基本的工作做起,一点一滴,不断积累实际工作经验。上世纪80年代末、90年代初,日本经济与科技发展处于鼎盛时期,1991年~1993年,我作为客座研究员在日本熊谷组株式会社技术开发本部工作,先后参加了核电站房屋抗震以及大跨度超高层住宅技术开发等课题的研究,大量振动台试验与方钢管混凝土柱试验的相关研究经验,对我后来从事复杂结构的设计工作有很大帮助。 

    

记者:在职业生涯中,令您最难忘的是哪个阶段?哪些项目或者技术难题给您留下深刻印象,为什么?


范重:1993年,全国政协办公楼在原址进行改建。这是我第一次担任结构专业负责人,感觉责任重大。由于建筑高度受到严格限制,为了有效地增加办公室内净空高度,塔楼采用大跨度无粘结预应力平板体系,并在角部设置预应力扁梁增强结构的整体性,这是我国较早大范围采用后张预应力技术的工程之一。在其后的常务会议楼扩建工程中,需要在地下车库上增建多层会见厅。我根据会见厅跨度大、原有桩基础加固困难的特点,提出一种由箱形钢柱、平面桁架构成的多层框架结构,以增加结构的刚度,减轻结构自重,方便设备管线通过。为了解决桁架杆件数量多、计算分析困难的问题,提出了一种将平面桁架按抗弯与抗剪刚度等效为实腹梁的实用计算方法。时任全国政协主席李瑞环同志两次亲自到现场视察,询问我结构设计的相关情况以及为了调整建筑功能进行结构改造加固的可能性。

2010年,在首都博物馆新馆设计中,为了解决屋盖在北侧悬挑长度达21米的难题,我们采用了热完成方钢管桁架,并提出十字板法兰连接支座等多种适用于方管桁架的节点形式;在上部钢柱两侧布置人字形拉杆,较好地解决了传统柱间预应力支撑体系存在的张拉过程复杂、柱顶偏移不易控制、柱间桁架下弦附加轴力较大的问题;通过在屋盖端部设置流线型金属百叶,有效地减小风荷载效应,同时很好地满足了采光和美观的建筑功能。

国家体育场“鸟巢”钢结构平面呈椭圆形,长轴为332.3米、短轴为297.3米,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,技术难度很大。为了解决图纸表达的难题,我们借鉴船舶制造工业的设计理念,提出了复杂扭曲薄壁箱形构件的空间坐标表示法,仅用150张图纸,就完成了原本预计需要上千张施工图的“鸟巢”钢结构设计。为了解决外露钢结构热胀冷缩的难题,提出太阳辐射引起钢结构温度升高的计算方法,将桥梁工程中的“合龙”概念引入大跨度建筑钢结构。通过采用“临时支撑塔架卸载后再安装顶面次结构”的施工方式,显著减小结构用钢量。随着2022年北京冬奥会的来临,“鸟巢”将成为全球唯一一个举办过两届奥运会的主体育场,我作为该项目的结构工程师,感到非常自豪。

我院设计的鄂尔多斯东胜体育场,巨拱倾斜6.1°,带有开合屋盖。我们巧妙利用了钢管拱桥的理念,通过巨拱的23组钢索有效减小固定屋盖在活动屋盖运行时的变形,并对活动屋盖驱动方式进行重大改进,大大减小了转向轮作用于固定屋盖的反力值。鄂尔多斯东胜体育场开合屋盖的相关技术,对推动我国开合屋盖结构的发展发挥了很大作用。

2015年竣工的北京奥林匹克塔由5个直径与高低各不相同的单塔组成,最大高度约为263米,在单塔之间设置连接桁架形成组合塔式结构,极大提高了抗倾覆能力,连接桁架作为塔间通道。利用主塔高位水箱作为质量块,研发折返式吊挂装置克服TMD减震器空间高度不足。基座大厅采用交叉布置的密肋混凝土屋盖,可以有效传递水平力,保证结构的整体性与刚度。采用混凝土拱形腋梁,有效减少屋盖主梁的跨度和截面尺寸,显著改善了结构的经济性。

我先后主持或负责宁波国际会展中心、唐山国际会展中心、大同国际会展中心、首都博物馆新馆、国家体育场“鸟巢”、国家网球馆“钻石球场”、苏州火车站、大同机场、厦门翔安新机场等大跨度结构工程设计;中钢大厦、深圳京基100、北京奥运塔、银川绿地中心、北京阳光保险大厦、南京金茂广场二期等超高层结构工程设计。获得多项奖励,国家优秀设计金奖1项、银奖3项、铜奖2项、全国优秀工程勘察设计一等奖7项、二等奖3项,北京市优秀设计一等奖8项、二等奖1项,全国优秀结构设计一等奖4项、二等奖3项、三等奖2项。



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北京奥林匹克塔(张广源拍摄)


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国家网球馆“钻石球场(张广源拍摄)


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国家体育场 “鸟巢”(张广源拍摄)


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深圳京基100大厦(张广源拍摄)


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首都博物馆(张广源拍摄)


记者:您在核心配筋柱、大跨度结构关键技术等结构创新技术方面都取得了丰硕的研究成果,同时,国家体育场“鸟巢”、首都博物馆新馆等项目实践也捧得多项大奖。请问,您认为科研与实践的关系如何?


范重:建筑设计院不同于科研单位,主业是设计,没有太多的研究基础与试验设备。近年来,随着大型工程数量的增多,建筑工程设计的复杂性大大增加,建筑师对使用功能与建筑造型要求越来越高。我们在实际工程中经常遇到各种各样的技术难题,现行的设计规范标准难以涵盖,故此需要通过技术创新,满足工程建设的需求。

为了保证高层钢筋混凝土结构具有足够的延性,我国规范对框架柱的轴压比作了较为严格的限制。1997年,在国际俱乐部酒店与康乐中心项目中,柱截面尺寸受到保龄球道宽度的限制。我提出在混凝土柱核心配置高强钢筋的方法,既满足了轴压比限值的要求,又避免了SRC柱构造复杂、施工难度大的缺点。试验结果表明,此类构件具有良好的延性与耗能性能,能够有效地改善钢筋混凝土柱在高轴压比下的抗震性能。研发的核心集中配筋柱成为解决钢筋混凝土框架柱轴压比不足的重要技术措施,目前已经纳入《建筑抗震设计规范》GB50011、《混凝土结构设计规范》GB50010和《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3,并已在国内工程中推广应用。

国家体育场是“鸟巢”交叉编织空间结构形式在国内外的首次应用,工程规模大、技术难度高、工期紧迫。针对国家体育场工程建设中亟待解决的关键技术问题,在国家科学技术部和北京市科委立项,我作为研究课题的主持人,组成由清华大学、同济大学等多家高水平团队参加的课题组,开展10个子课题的研究,形成新技术20项。沈世钊院士、董石麟院士、周锡元院士等权威专家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。

带有开合屋盖的建筑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,涉及到建筑、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。我带领团队根据活动屋盖常驻位置确定活动屋盖的开合基本状态,提出活动屋盖处于非基本开合状态与运行状态的抗震设计方法,研究活动屋盖与固定屋盖相互作用机理、动力特性以及阻尼特性,课题研究成果达到国际先进水平。

我从事专业工作以来,先后完成各类科研课题20余项,获得专利17项,出版《高层建筑钢结构设计》等学术专著3部,在EI、SCI及核心期刊发表学术论文100余篇。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、二等奖2项、三等奖1项;华夏建设科技一等奖4项等奖励。

    

记者:您认为,结构工程师最重要的职业素质是什么?


范重:结构专业安全关系到人民的生命财产安全,关系到巨额资金、材料与人力投入,责任重大。优秀的结构工程师需要很高的职业素质。

首先要培养专业兴趣。与建筑创作相比,结构设计工作相对枯燥,几乎每个项目都需要烦复的计算分析,绘制大量的施工图,周而复始。特别是在设计过程中,修改、变更,需要花费大量的时间与精力。在此过程中,如果没有兴趣与热情,长期坚持下来确实不容易。发现不足,不断改进设计方法,发掘每个项目的独特之处,融入其中,时间就会过得很快。多年来,我先后参与了上百余项工程设计,始终乐此不疲。

其次,要具备持续的学习能力。从大学毕业到成为优秀的结构工程师,路程并不平坦。“业精于勤,荒于嬉”,要善于学习行业发展的动态,多去现场,发现不足,及时补救。通过学术交流,向国内外的同行学习。结构设计的好处,是在完成一项设计任务的同时,能够学习很多新知识,从业主到施工监理单位,可以结交一批新朋友。我的理念是把每个项目都作为重要项目,力争有所进步。通过工程实践不断完善自己,谦虚谨慎,不骄不躁,自强不息。

参加工作以来,我的所有节假日几乎都是在办公室度过的,总感觉有做不完的工作,也有使不完的气力。多年不懈的努力与辛勤耕耘,得到了同行专家、各级领导与党和国家的认可,获得北京奥运会残奥会特别荣誉奖、科学中国人2010年度人物、中国当代杰出工程师、中国钢结构三十年杰出贡献人物等多项荣誉称号。

    

记者:您目前的工作重点在哪些领域?有哪些新规划?


范重:目前的工作重点有两个,一是项目的结构设计,二是新技术研究。

结构设计是结构工程师的本职工作,也是产值收入的主要来源。从2007年7月范重结构设计工作室成立,至今已经历10年时间。我们的工作重点始终是超高层结构与大跨度结构,而这两个领域恰好也是钢结构的用武之地。近年来,我们在完成众多结构设计的同时,还完成了无锡金融中心、苏州金融中心450和广州东塔等超高层结构、武汉光谷网球场、渭南体育场结构等大跨度项目的结构咨询。作为全国抗震超限专家,我参加了乌鲁木齐体育中心、天津天狮国际大学城市体育场、乌鲁木齐新机场、合肥恒大中心、国家速滑馆等项目的抗震超限审查。

我主编的国家行业标准《开合屋盖结构技术规程》已于2017年7月通过审查,即将颁布执行,《开合屋盖结构设计》一书也将在近期出版。我计划在大跨度与超高层结构的抗震设计方法与创新技术方面继续努力,带领团队做出新的成绩。

我合作主编行业标准《防空地下室设计手册》,作为主要编制人参加国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010-2010、《建筑结构荷载规范》GB50009-2012、《钢结构设计规范》GB50017-2016的修订工作。

目前,我担任中国勘察设计协会结构分会副理事长、中国工程建设标准化协会混凝土专业委员会和钢结构专业委员会的副主任委员;中国钢结构协会专家委员会委员、住房城乡建设部专业技术职称(正高级)任职资格评审委员会委员;《工程力学》《建筑结构》杂志编委会副主任委员,《建筑结构学报》《建筑科学与工程学报》等杂志编委;北京交通大学、北京科技大学、北京建筑大学兼职教授,清华大学、北京工业大学土木工程专业督导专家。


欲戴其冠,必承其重。“全国工程勘察设计大师”桂冠光环的背后,是漫长、艰辛的实践与积累,是未来更加漫长、艰辛的锐意进取与负重前行。范重正在用坚实的步伐在大师之路上续写新的辉煌……