尊敬的主持人，尊敬的来自国内外的专家学者，我是一名结构工程师。说句实话，在报告之前还有点担心，因为我知道今天与会的可能更多是建筑师、规划师，而我是一名结构工程师。给我出的题目叫《结构力学与建筑美学》，这个题目还是比较大的，怕说不清楚。但是既然出了这个题目，我就认真进行解答。
报告主要有以下六个方面：第一，引言。建筑是为人类活动而建，结构为建筑功能而设，结构是通过我们的几何力学设计建筑的安全使用。建筑美学是主观感觉，不可量化，结构力学是客观规律，可以斗量。结合大跨度建筑、复杂多高层建筑工程实践，以工程师角度浅析结构力学与建筑美学的关系。
上午有很多精彩的报告，确实我国城镇化的发展，尤其是这20年对于大跨度建筑有着非常巨大的需求。我主要介绍结构，也就是大跨度结构主要是应用于，比如民用建筑里的体育场馆、会展中心。民用建筑大跨度主要是用于飞机库。可以这么说，国内给飞机维修保养用的飞机库，99%是我们院设计的，也就是说我今天站在这里来介绍这些大跨度的钢结构，也是因为我们中航院有这样技术的积淀。
社会的发展对于建筑造型的追求，以及对它的跨越能力都有着越来越高的要求。另一方面，上午宋部长报告也谈到，包括很多建筑师都在谈，比如说绿色节能建筑，也就是说大跨度建筑，因为跨度越大，它的受力是它跨度的平方关系，也就是大跨度的结构，用钢量会非常高的。从建筑造型来说，变化越来越丰富，从跨越能力来说要求越来越高，跨度结构又是用刚量非常高的建筑。那我们有没有办法来实现国家现在提倡的像绿色节能，我们要节约用材这样一个要求，也就是说大跨度的结构要创新发展。
在国际上主要是以奥运会、世界杯两大赛事，代表性的体育场馆基本上都出现在这两大赛事的体育场馆里。在中国可以说没有建成真正运力大跨度结构弦支穹顶、索穹顶结构。为什么在奥运会羽毛球馆建成之前，没有建成真正意义上的大跨度预应力结构呢？就是更多是商业秘密的保护。在90年代我们院做过一个统计，在1995年之前，我们家定义跨度在60米叫大跨度，在90年代是以上海8万人体育场为代表的，在此之前，国内90%以上大跨度是中航院设计的。中国的设计行业体制是综合设计院为主，我们是以一个单专业，也因为我们有这样一个技术的特点，我们有机会跟国内知名的设计师事务所进行合作。
预应力钢结构通过整体张拉索系，逐步导入自平衡且与外荷载反向的预应力等效平衡荷载，使体系从几何不稳定的半柔性或全柔性机构状态，逐步变为几何稳定的高效率可承载结构。说起这个概念，大家很难理解，我拿两个例子，我相信大家很容易就能理解预应力钢结构是什么。
这是一个木桶，本来是很松散的木片，我们用两个套锢绑起来，就能成为盛水，就是预应力结构原理。弓箭，通过张拉弓弦积蓄势能，使箭的射程提高数倍。
这是我的一个作品。建筑设计是清华大学。结构体系是塔柱—斜柱索—大跨度钢结构。
与典型连续梁结构弯矩图对照可以发现：塔柱-斜拉索-大跨度钢结构的几何力学流线，与斜拉桥建筑造型的边际线接近完全契合。
塔柱-斜拉索-大跨度建筑挺拔，具有视觉冲击力，是充分展示结构几何力学美的建筑。
第二个项目是河南艺术中心。统过两片40米高的艺术墙统和为一个整体建筑。建筑为了实现室内简洁透明的效果，主结构采用的是平面钢横架，幕墙为单层索网。原外方艺术墙技术方案采用传统主、次结构分离方法，幕墙索网预应力作用于主体结构边缘，是主体结构的额外负荷；而且结构厚度6m、构件粗大，无法实现 “艺术墙”效果。
那我们提出了一个优化改建方案，设计应用木桶套箍原理，将幕墙网索次结构通过巧妙构造，并经力学性能试验论证，实现了主、次结构高效共生结构；在同等安全度情况下，结构厚度减为4m，实现了艺术墙效果。
结构稳定设计，从国内外能够查到的学术定义是什么？我说的是设计。它的学术定义是这样的，也就是说结构体系，在非正常使用荷载作用下，结构从屈服到达极限荷载或者到达极限荷载以后，体系还没有明显的承载力下降，在这个过程中的变形能力。大家看，结构的稳定设计定义很明显，它是一种能力设计。
我们在将近15年的时间，已经有20几项工程的工程实践，我们做了大量的理论分析和实验研究以及工程实践，我们总结出大跨度钢结构经典的体系承载与变形的全过程曲线。
在正常使用情况下，大跨度的变形和承受的荷载是成线性关系的。但是在进入非正确使用荷载情况下，结构体系会像构线一样，会在某一点突然失稳，就是承载能力不怎么加大，但是变形却大幅度加大，直到破坏。由这样一些结构稳定性的学术定义和我们对这些经典曲线的分析，设计团队提出了对于大跨度钢结构的设计方法，应该包括两个方面：首先是正常使用荷载的弹性阶段以及非正常使用荷载的稳定阶段。我形象地比喻成一个是社会治安问题，一个是社会维稳问题。我们知道了设计方法，对于工程师来说，我们需要的是它的设计指标，光知道控制什么还不行，还要知道控制多少，也就是说工程师要的是你的指标。
再看国内外规范。对于正常使用荷载下的弹性设计，不管是国内还是国外都有规定。目前，只有中国规范，对于网壳结构有一个结构体系规定，对于其他结构体系没有规定。国际上，相关规范只提供结构体系弹性阶段强度及变形设计指标，没有非正常使用荷载下体系稳定设计指标。
我们在说非正常使用下的稳定设计，无论是中国规范还是国外规范，都没有相关规定。正是因为这一点，也是我们这个设计团队对于大跨度钢结构设计方法理论的一个贡献。今天宋部长报告里阐述一个观点，大家不要对理论创新感觉太神秘，也不要以为我们做不到。
我们做了什么事呢？我们基于施工长拉和结构承载建立一个全过程的仿真分析，我们揭示出大跨度钢结构整个荷载的机理。
我们做的第一个大跨度悬置穹顶，我们做了1：10的模型实验。我们做的盘锦体育场，这是一个全新的结构体系，我们的模型实验是做的1：10的。中间有两个人，这个模型有多大呢？模型有28米，也就是说我们做的每一个新型结构体系都是经历过这样一个大比例的模型实验进行安全验证。
这个是奥运会的羽毛球馆项目。这个项目我们采用的是微型悬置穹顶。悬置穹顶外观非常美观，无论它承受的风荷载和雪荷载都是不均匀的。我们发现了微型径向索悬置穹顶体系，这就解决了传统的悬置穹顶体系稳定性能差的难题。奥运会羽毛球馆跨度是93米，用钢量是62公斤每平方米，这是所有奥运工程当中用钢量最低的工程，也是世界上首都跨度超过60米的悬置穹顶体系。
索穹顶是美国建筑师Fuller在1962年提出，1980年代由美结构工程师Geiger实现工程应用。索穹顶被描述为：“少量压杆存在于拉索的海洋中”。
索穹顶是国际工程界公认的大跨度最理想结构几何力学体系，用钢量只有传统钢结构的约1/5，就是说节材效果非常明显，所以它是国际上公认的最理想的大跨度钢结构的体系，也是国家综合建筑体系的标志之一。我们项目团队主要发明了索穹顶与外围大悬挑组合的新型结构体系，以及改善索穹顶扭转稳定安全性能的节点、构造获得6项发明专利。
成果应用于72米跨度的鄂尔多斯伊旗体育馆，用钢量只有22kg/m2 ，节材60%以上。是国内第一个跨度超过60m的大跨度索穹顶结构，实现了中国在预应力大跨度钢结构领域的体系创新应用和设计核心技术的突破。
还有一个工程就是盘锦体育中心。结构体系主要是用无撑杆纯索新型结构对弦支穹顶。
针对封闭罩篷体育场，发明了开口式无撑杆索系新型结构体系，以及整体张拉、一次成形的工程集成创新技术。应用于跨度283m 的盘锦体育场，用钢量为35kg/㎡，节材60%以上。
通过产学研的合作，我们团队实现了设计理论与方法的创新，开发出一系列新型结构体系，建成了多项国内结构标志性的工程。综合科研成果由住建部推荐，获得国家科技进步二等奖，本人是第一完成人。
基于大跨度钢结构领域的业绩，团队有机会和国内外建筑师在复杂造型的多高层建筑领域进行合作；
应用空间结构的设计理念与方法，开展多高层与大跨度交叉融合的结构创新。
这个工程是杭州国际会议中心，建筑设计是加拿大卡洛斯事务所/中国联合工程公司。结构体系是外网格球壳—内钢框架空间高层结构。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。
原结构方案为钢筋砼核心筒—柜架结构。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，核心筒墙体作到700mm，仍不满足抗震性能要求。
我们中航院进入到这个项目以后，关注到球体外表完整壳体经纬线组成的网格，是典型的几何力学稳定的“梯子”单元，只要两根构件不是平行的，就像三角形一样，一定是稳定的。球壳单元有这么多“梯子”单元，我们有一个想法，也许它就能解决出抗震问题。辅以外壳支撑单元，构造出外网格球壳-内钢框架空间高层体系。
方案进一步研究发现球壳空间网格抗侧刚度强大且均匀，可取消原设筒体、弱化内部结构抗侧刚度。
实现了球体造型建筑抗震安全性能，同时释放出内部空间，顺利解决了内部双C型建筑功能的要求。
这是正在设计的海南互联网博物馆。它的建筑方案设计是海归设计联盟和清华大学建筑设计院。这个建筑看起来确实有点奇奇怪怪，但是建筑师有他的说法，它的建筑面积并不大，有3.2万平方米。它是一个五边形展陈空间螺旋上升，其中穿插若干方形体，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，为特别不规则的几何传力体系，难以实现建筑展陈空间需求，也不符合“互联互通”理念。
我们在介入方案设计以后，我们提出来，就利用建筑既有的螺旋上升这样一个交融相通的建筑基理，同样用三角形的网格单元，形成了完全的多层空间结构体系。内部空间没有被这些Sticks打断。在本方案，传统的“筒 、柱、梁”结构几何力学设计理念已不适用。看似特别不规则的建筑造型边际线，恰恰提供了稳定刚强的结构几何力学单元，可以构造出稳定安全、经济合理的多高层空间结构体系。
这是程度博物馆新馆，建筑方案设计是英国SHA建筑事务所。结构体系是外网格与多高层混合空间结构。
这个建筑本来是一个方形空间，为什么搞得这么不规则，但是从结构工程师来说，我们尽量理解他。大家看西南角这个大悬挑，这是在不到15米开外的一个既有的清真寺，建筑师的设计理念就是对既有建筑表达基本的尊重，这是为清真寺打开一个视觉空间，不要感觉太压迫。右侧的大悬挑，这是一个地铁。
当时面临一个问题，要么把建筑面积缩小，将近30%，要么挪地方。我们后来提出这样一个方案，这个建筑造型带来一个好处，就是它存在很多三角面和三角形单元，我们就是利用这样一些三角形和三角面的单元，我们构造了一个33悬挑、5层空间的大悬挑的结构空间体系。
中国城镇化建设已经出现了拐角，那我们能不能通过技术创新来创造出一些市场、引领一些市场？
大家一说污染雾霾，首先想到的是这些大烟囱，大烟囱的烟粉尘排放量已经超过了80%以上，大家看到的实际上是水汽，不是烟气。真正产生大量粉尘的就是工业散料厂。因此新环保法规定，工业散料厂必须封闭。这样对于整个建筑市场来说带来了一个非常巨大的，我做了统计，工业散料厂的封闭总量可以说跟我们国家近二三十年所有的体育会展这些大型公共建筑建筑量的总和。2015年新环保法就有规定了，但是现在动作很慢？主要原因是什么呢？也就是传统的大跨度钢结构中间必须有柱子，传统的钢结构中间要立柱子，必须对他的电机改造，而电厂又不允许停产。我们在2013年就开始着手解决这样一个难题，我们现在开发大跨度索拱技术获得了新技术新产品认证，也申请了相关专利。可以说有效地解决了料厂封闭这样一个难题。我们从结构上解决了这个问题，有没有从根本上解决粉尘排放问题？可以说很惭愧的说，还没有，因为料厂封闭，就是原来的420万吨我们已经有建成工程，大概只能降低50%不到，还有将近一半的粉尘要排出去。为什么？这样粉尘量太大，必须排风，不排风会有毒气体，煤粉尘会自爆。而这么大量的粉尘，现在国内还没有一个技术既排风又除尘，这是一个难题。
下一个话题是博物馆文物的保护。上午单院长做了非常好的文物保护报告。刚才讲到成都博物馆的设计。汶川地震时，四川有2700多件造成国宝级的馆藏文物震损。我们国家光是国有的博物馆就有4600多座，70%是在七度以上的地震带上。为什么说有大量的文物震损？我们结合成都博物馆的设计，经过大量调研，最后发现问题还是出在规范上，也就是说我们国家现有的规范体系对于博物馆的馆舍、人员防震有要求，但是对于文物没有安全标准说防震，造成规范没有安全标准，从财政来说也这部分钱让你干这个事情。所以我们在设计成都博物馆市，我们当时提出来的设计目标就是我们要在程度博物馆提出来的建设目标是馆舍与文物双安全目标。经过五年的时间，提出基于文物安全的震源加馆舍加文物全系统的设计方法。我们经过大量的理论分析和调研发现，主要原因就是博物馆地震动经过馆舍以后，不光是博物馆的每个楼层，每一处地震动的能量负值和地震频率是不一样的，所以必须要进行防震的性能化设计，而且是全系统的，这样才能保证安全。我们这样一个论证也是为国家博物馆建设标准，明确要对文物进行防震提供了理论依据，因为博物馆建设标准已经对文物防震提出了要求。还有就是提出基于文物安全的馆舍和文物本体防震设计指标，主编了《馆藏文物防震规范》。
我们博物馆馆舍的控制因素是我们的结构力学，是它的减力力矩，就是结构力学的指标。
我们说国家文物局和工信部的委托，开发了我们一系列的馆藏文物防震的产品。这是2015年国务院关于进一步加强文物工作的指导意见，明确要求，要对处于七度以上国家级一二三级博物馆对文物采取防震。全国处于七度以上的博物馆有3000多座，也就意味着我们的技术创新，我们国家博物馆文物防震这个市场已经形成。
下面说一下结构力学与建筑美学。
力学美学和谐才能永存在实际上在远古时代，人们从日常生活生产当中就认识到，对于一个竖向结构，底部受力大，顶部受力小。到了爱非而建造的年代，经典的力学已经形成了。再看中国的古建筑，这是一个横向结构，大屋顶除了建筑造型要求，包括排水排雪保温等功能要求。我们再看一下它的结构和建筑内在机理关系。看一下大屋顶、斗拱型的建筑，受力大的地方构建多、结构厚，也就是说对于任何一个流芳百世的建筑，它的结构几何力学流线与建筑造型的边际线一定是和谐的。
第二，要勇于创新，乱中取胜。本人对于复杂的建筑，不能妄做评论。结构工程师往往处于服从建筑创作的定位，再加上国家规范不涉及创新体系设计，对复杂建筑造型时，工程师往往束手无策。然而，复杂多变的建筑造型边际线，恰好提供了中规中矩建筑不具有的“梯形、三角形”等稳定高效几何力学单元。结构工程师只要充分理解建筑造型艺术创意，勇于创新，总能“乱”中取胜。
我有一个体会，在面对建筑造型艺术挑战的时候，我们结构工程师确实应该发扬工匠精神，高度重视这些细节构造的处理，这往往也是新型结构体系，这是我们取得成功的关键。
最后从工程师角度来看建筑。前面介绍的都是我本人设计的建筑，在这里谈一些社会热点建筑。
这张图显示的是北京乃至中国最重要的大型公共建筑，我重点说一下国家体育场鸟巢。我本人从国家体育场方案概念评审阶段开始，总共参加了17次建筑方案以及技术论证会，国家体育场的方案设计包括结构的初步设计是由外方设计团队完成。在这个过程中，我不停的问方案设计团队一个问题：我们的国家体育场建筑创意是鸟巢，它的建筑造型同样具有鸟巢的机理特征。那我的问题是：大自然的鸟巢一定是空间结构才能抵抗风雨，我们的结构体系为什么要深深的给它做成48平、24对平面结构体系？国家体育场在结构工程界有着非常大的争议，争议焦点就是超高的用钢量。实际上国家体育场的鸟巢造型，本来大自然的鸟巢就是造型结构，它的造型已经提供了那么多可以构造空间结构的构建，结构几何力学设计不恰当的平面设计体系，是造成用钢量超高的原因所在。工程院作为施工图设计，我个人观点，由于结构体系已经被确定，住建部的优化空间实际上是非常有限的。
再谈下一个工程，中央电视台，我本人参加了一个半月的方案优化工作，但是因为其他原因后来没有进行下去，但也因此，我对这个建筑有了一定的认识。大家看建筑的照片，这些网格有稀疏有浓密的地方，大家很容易想象，实际上建筑表皮的机理和结构的力学机理是非常吻合的。我可能告诉大家的是，因为它全套的结构计算模型我有，整个这样复杂的建筑不需要内部的核心筒，这是一个非常典型的结构几何力学设计与建筑造型设计非常协调的一个建筑。也许这个观点跟社会上评论的观点不一样，更多的是对建筑的评论，我是从工程师的角度进行评论。而国家体育场鸟巢和中央电视台新台址，结构设计团队是同一个国外设计公司。我再次想表达的是什么呢？其实当我们面对这些非正常结构建筑造型的时候，我们无论是外方中方的设计团队还是建筑师、工程师，都需要充分沟通，这样才能避免一些低级的错误，才能实现建筑精品。
结构工程师不应仅是一个应力、应变的计算者，梁、柱、墙的堆砌者；他需要深切领会建筑所承载的功能使命和造型艺术，基于工匠精神，勇于创造，将绝妙的结构力学原理表达于机械的墙梁柱几何语言之中，实现结构几何力学与建筑造型美学的和谐统一。
只有这样的建筑，当她完成历史使命时，不会是一堆建筑垃圾，而将成为承载着那个时代精神文化和技术文明的“历史建筑”。
谢谢。