“焊接”是否属于“装配式”钢结构(下)
2017-04-20 09:44:52

一、发达国家的钢结构起源及钢结构建筑教育

(一)发达国家的钢结构建筑是一帮建筑门外汉搞起来的
仔细追溯一下世界钢结构建筑发展史,你会发现一个有趣的现象:
(欧洲)早期的钢结构建筑是在一帮铁路和桥梁工程师的推动下发展起来的;
日本的钢结构建筑是在一帮造船工程师的推动下发展起来的;
只有中国的钢结构建筑是由建筑界的“内行人”搞起来的。
也就是说,发达国家的钢结构建筑都是由一帮建筑“门外汉”发展起来的,但是要注意,虽然对于建筑,他们是门外汉,但对于钢材,他们却是了如指掌,应用自如。因而才会通过他们不断的努力和探索,最终成为了主导世界建筑界的主人。是他们把铁路轨道带进了建筑界,演变成工字钢,才会有今天建筑界大量使用的H型钢
公元1884年,铁路工程师埃菲尔(Eifel)设计建造了165m跨度的铁桥。
公元1887年,工程师埃菲尔(Eifel)设计建造了160m跨度的铁桥。
公元1889年,有着丰富的铁路高架桥设计和建造经验的工程师埃菲尔(Eifel)与工程师努维依尔(ouguier)、柯赫林(Koechli)和建筑师斯特芬·索维斯特(StepheSauvestre)共同为巴黎世界博览会设计了300m高的埃菲尔铁塔。建造的当时,当地的艺术家和文化名流们对它发起了猛烈的反对运动,著名作家莫伯桑说:“铁塔建成之日,是我离开巴黎之日”,可是铁塔竣工后却成了代表巴黎形象的结构物。
另外,与钢结构配套的维护结构,例如玻璃幕墙、铝幕墙、金属龙骨外墙体系、钛金属外墙体系等,都是由一帮建筑界的“门外汉”开发出来的。
同样,1894年,日本海军造船技师,若山铉杰把欧洲的钢结构引进日本,采用钢材管状柱子,热轧角钢桁架梁,设计、建造了日本最早的钢结构建筑——东京京桥三层楼的秀英社印刷厂。
(二)日本钢结构建筑教育起源
1909年,日本钢结构的开拓者,佐野利器完成了建筑面积500m2,三层楼高,钢材框架结构的丸善大厦。该建筑完全采用钢材建造钢框架,外观虽然还保留着古典建筑风格,但明亮的玻璃建筑(大型窗户和门)立面,却给人一种新型建筑的感受。佐野利器(1880~1956年)是日本著名的建筑结构、结构力学和建筑设计师,为推进日本的钢材结构建筑发展,专门在东京帝国大学机械系(注意,不是建筑系!)开设了“铁骨结构学”这门课程。把钢结构建筑这门课程开设在机械系里的好处是:可以充分借鉴机械行业数百年来所积累的钢材制造、加工和使用经验;可以充分利用机械系里的师资、教材和实验设备。如果放在建筑系,则师资、教材和实验设备等都要另起炉灶,而且效果还不一定好。
二、中国钢结构建筑教育起源与现状
(一)中国钢结构建筑教育起源
中国的钢结构建筑是被市场所逼,由一些对土木建筑内行,对钢结构外行的土木建筑师和结构工程师发展起来的。
虽然建筑院校的老师深懂建筑,但是对于钢材,他们却是门外汉。讲授“土木建筑学”的教师对钢材的认知程度很低,让他们去讲授“钢材建筑学”有点勉为其难。很多建筑院校里根本就没有机械工程专业,如何让学生去了解“紧固件”、“焊接和铆接”、“钢丝绳”(矿业学院的学生都应该对钢丝绳不陌生,因为矿井提升机离不开它)、《机械制造工艺学》,《金属工艺学》,以及各种与钢材有关的专业知识。
虽然结构专业已经开始教授起《钢结构》课程,但建筑学专业仍然停留在教授《土木建筑学》课程上,无法开设《钢材建筑学》课程,因为至今仍然还没有一本可供教学使用的《钢材建筑学》课本。
从设计到建造钢结构建筑,需要以下四个主要过程:
建筑设计——结构设计——制造——安装
目前钢结构建筑的“制造”和“安装”技术主要由企业自我培训完成,技术人员主要来自船舶、桥梁、汽车制造,以及其它机械制造类专业学生。
结构设计人员来自建筑院校刚结构专业,也有很大一部分来自机械类专业。
建筑设计还是由精通“土木建筑”的建筑师来完成。
我经常和年轻的工程师们说:“产品开发有3D阶段,即drawig(画图)、desig(设计)和developmet(开发)这三个阶段。最高层次是developmet(开发),次一点是desig(设计),最后才是drawig(画图)”。
由于《钢材建筑学》教育严重滞后与建筑实践,这就造成很多中国建筑师只懂《土木建筑学》,不懂《钢材建筑学》,很多大型钢结构建筑就只能请外国人进行创意(developmet)和设计(desig),中国设计院只能帮忙画图(drawig)。
造成的结果就是,中国现代大型钢结构建筑(包括奥运场馆、大型飞机场候机楼和为数不多的超高层建筑)大多数都是外国设计师设计的。
就像很多参与和鼓吹“住宅产业化”的官员和学者一样,自身没有制造业的工作经历和教育背景,对当代制造业的发展现状和技术前景(例如柔性制造系统、装配设计(DFA)、制造与装配设计(DFMA)、产品寿命期管理(PLM)等无数新的制造业知识)一无所知,他们所说的“住宅产业化”内容缺少真正的制造业技术内涵,既空洞又肤浅。因而十多年来,虽然“住宅产业化”口号喊得震天响,但就是没有什么实质性的进展。
我担心在这一波“装配式”建筑发展浪潮中,又会出现像当年空喊“住宅产业化”的那样一群人,对于“装配式”内涵不甚了解,“滥竽充数”,尽管口号喊得震天响,但“装配式”建筑就是没有什么实质性的进展。
(二)只管“生”(钢结构设计)不管“养”(钢结构制造与装配)的中国钢结构建筑教育
1、传统产业如何解决产品设计与制造问题
船舶院校既有船舶设计专业,也有船舶制造专业;
汽车行业既有汽车设计专业,也有汽车制造专业;
采矿行业既有矿山机械设计专业,也有矿山机械制造专业;
通用机械行业既有机械设计专业,也有机械制造专业。
中国建筑教育中的钢结构设计建筑教育起步很晚,甚至可以说还没有起步。
因而中国高等建筑院校至今都没有人去考虑设置钢结构建筑制造与装配专业课程。
所以我把现阶段中国钢结构建筑教育评价为只管“生”(钢结构设计)不管“养”(钢结构制造与装配)。
2、中国建筑教育和建筑从业人员技术现状
周绪红(中国工程院院士,重庆大学校长)在《2017中国钢结构发展高峰论坛》上说:“现有设计人员大多是长期从事混凝土设计,转型钢结构设计没有充分体现出钢结构设计的优点,目前市场缺乏高技术人才”。
岳清瑞在《对我国钢结构发展瓶颈及对策的思考》一文中说:
“目前国内设计院里钢结构专业设计院(室)极少,高水平专业设计师奇缺,并且熟悉钢结构的结构总工、建筑师和设备师都十分缺乏。钢构企业里具有国际工程经验的专业工程技术人员和经营人员奇缺,高水平的焊工和自动化设计技术人员稀缺,详图设计和BIM应用人员的技术水平偏低,产业化工程技术人员和产业工人紧。专业的钢结构监理人员和检测人员也不足”。
3、中国钢结构行业如何解决钢结构“养”(制造与装配)的问题
好在中国是全球制造业大国,除了建筑行业以外,其他行业已经培养了不计其数的机械制造专家。
既然中国建筑设计只管“生”(钢结构设计)不管“养”(钢结构制造与装配),那么中国钢结构企业只能通过“抱养”其它行业(造船、压力容器、机械制造)的“孩子”来传宗接代。并培养出一批国际顶级的施工专家。
 
现在大型钢结构企业的制造和安装技术人员大部分是机械、焊接专业的毕业生。
说到这里,我又想起王仕统教授的一句话:“中国钢结构行业,设计笨重:95%的施工单位靠边站;施工艰难:克服设计(水平差)困难也要上(施工)!”
三、建筑业不能长期只管“生”(钢结构设计)不管“养”(钢结构制造与装配)
(一)建筑教育
中国建筑教育要向佐野利器(1880~1956年)学习,要么在机械院(或系),要么在钢结构工程系(这是一个很头疼的问题,因为中国建筑院校现在只有土木工程系,没有钢结构系)开设钢结构建筑设计、钢结构建筑制造、钢结构建筑安装等课程。
把钢结构建筑这门课程开设在机械系里的好处是:可以充分借鉴机械行业数百年来所积累的钢材制造、加工和使用经验;可以充分利用机械系里的师资、教材和实验设备。如果放在建筑系,则师资、教材和实验设备等都要另起炉灶,而且效果还不一定好。
如果想成为合格的钢结构设计、制造和装配技术人员,学生或多或少的都会考虑到或者用到中的知识点。
(三)钢结构建筑企业人力资源配置
我在很多钢结构建筑企业看到,其人力资源配置很不合理,他们一般认为,钢结构建筑吗,当然请几个结构工程师就可以了。
他们往往忘记了“建筑”这二个字,因为没有建筑师的参与,结构工程师搞出来的建筑设计其丑无比,功能欠缺。
另外,我曾经在一个企业看到两个车间,一个管理有序(5S管理水平很高),一个杂乱无章(不要说5S管理了,就是基本的清洁卫生都保证不了)。
经过询问,一个车间主任是制造业出身,对于工厂管理了如指掌,5S管理应用自如。
一个车间主任是搞工程施工出身的,基本不了解工厂管理,也不知道什么是5S管理。
这使我想到一个故事,一个刚刚从乡下进城的家政服务人员,即使经过培训,她也认为雇主家的厕所都比她自己家的客厅还要干净,根本就用不着打扫卫生。
同样,搞工程施工出身的车间主任可能认为他已经把车间管理的很好了,因为这比他以前管理的工地不知道要好多少。
我也曾经到过一些预制混凝土工厂(很大,很著名)参观,严格意义上哪根本就不能称之为工厂,脏乱差不说,基本上就是简单地把“高空的作业地面做”,就是在地面手拿瓦刀“打地摊”作业(因为模具没有上模盖,师傅告诉我有上模盖,但是不能用,因为浇筑不满。实际上是混凝土流动性和自密性差,所以才把上模该拿掉,靠工人用瓦刀抹平上表面),和一个普通的建筑工地并无二样,靠师傅口传心授学习技术,什么工艺、工序、工具、检验、检测、流程一概没有。
由于中国建筑业大部分从业人员都没有制造业教育背景和从业经验,这也就比较好理解在制造业是常识——“焊接”是零部件制造的一种工艺手段,而不能用来作整机装配(焊死),而在建筑业如今还要讨论“焊接”是不是“装配式”钢结构这么的幼稚的问题了。
我相信,建筑结构专业的专家经过以上机械专业课程学习,就不会说“焊接”是“装配式”钢结构了。
一些到发达国家留学的中国建筑院校毕业生,头几堂课都认为自己走错了教室,跑到其他专业(机械工程)教室里了。
房屋建筑的近亲—轮船、飞机、火车、汽车—一百年来通过产业化制造,取得了突飞猛进。所以(美)斯蒂芬ž基兰&詹姆斯ž廷伯莱特在《再造建筑——如何用制造业的方法改造建筑业》一书中特别强调“要通过学习制造业的成功经验来改造建筑业”。
以下篇幅是临时(2017年4月5日)加上去的。因为昨天发了上篇之后,网上争议很大。
实际上,“装配式”设计在制造业是每个机械工程师必修的课程。我的博客中有专门的篇幅介绍过“装配设计(DFA)系统”,以及“制造与装配设计[(DFMA)”。
下面简要摘录如下:
要想避开真实世界要求进行设计,则必须要有一个详细的产品装配设计系统。杰弗里·布斯若德和彼得·戴威霍斯特于1977年得到美国国家科学基金的资助,领导开发了装配设计(DFA)系统。制造与装配设计[(DFMA)是布斯若德·戴威霍斯特有限公司的商标]是一个以计算机为基础的,通过减少零部件来达到节省制造与装配成本的系统。为了向设计师提供减少零件数量的指南,在装配期间增加到产品上的每个零件必须接受制造与装配设计(DFMA)方法提供的三个标准检查:
在进行产品装配时,要移动所有其它已经装配好的零件才能安装零件吗?只考虑总动作——作为正面回答,这是不够充分的,例如,还可以接受小的整体弹性位移吗。
与所有其它已经装配好的,或分开的零件相比,零件可以是不同的材料吗?基本前提是只关心材料特性能否满意。
因为其它原因而要装配或拆卸掉个别的零件是无法忍受的,所以零件必须要与所有其它已经装配好的零件分开吗?
为了应对这些基本设计问题,必须要为装配确定主要机件。另外,这些零件形成了制造与装配评估基线。包括理论零件数量和设计效率的数学公式,可以针对不同的设计来量化成本。事实上,布斯若德和戴威霍斯特的系统为组装和制造之前的设计分析建立了系统程序。
已经有文献证明,制造与装配设计(DFMA)系统在包括汽车,电子,航空等许多产业里都获得了成功。制造与装配设计(DFMA)系统也已经用到了低装配成本,低工作量行业,如同在高装配成本,高工作量行业一样,也获得了成功。
制造与装配设计(DFMA)试图通过降低成本和增加产品质量(一种价值形式)来增加产品的价值。推行制造与装配设计(DFMA)方法能够有助于减少项目持续时间,减少项目成本,增加项目质量。
一百多年前,焊接技术还没有发明,人类已经设计、制造和建造了很多“装配式”钢结构建筑,例如:
1、公元1779年,制铁大师约翰·威金森(JohaWilkiso)协助阿伯拉罕·达尔比和他的建筑师T.F.普里查德(T.F.Pritchard)设计并建成了世界上最早的铸铁桥——英格兰塞温河上的科尔布鲁克德尔大桥,桥跨度30m、高度12.2m,用了378吨铸铁。至今仍然在使用,接待着来自世界各地的观光客。
2、从1850年9月到1851年1月这几个月时间,就建造起来这个563米长,124米宽的巨大建筑物——水晶宫。
3、公元1884年,铁路工程师埃菲尔(Eifel)设计建造了165m跨度的铁桥。
4、公元1887年,工程师埃菲尔(Eifel)设计建造了160m跨度的铁桥。
5、公元1889年,有着丰富的铁路高架桥设计和建造经验的工程师埃菲尔(Eifel)与工程师努维依尔(ouguier)、柯赫林(Koechli)和建筑师斯特芬·索维斯特(StepheSauvestre)共同为巴黎世界博览会设计了300m高的埃菲尔铁塔。
一百多年前是采用热铆钉来装配钢结构,其施工技术比现在的高强度螺栓不知道要难多少倍?
作为今天的中国建筑人,认为不允许在现场焊接就无法建造物廉价美的钢结构建筑,确实可悲,但是事实。
究其原因,是因为中国建筑教育中确实没有开设装配设计(DFA)系统。制造与装配设计[(DFMA)这一课程。让长期从事混凝土现浇(绑筋、支模、浇筑)技术的设计人员去设计装配式节点,确实是勉为其难。对于习惯于现浇混凝土结构的工程师来说,“焊接”基本等同于“现浇”,设计时不需要考虑太多的“节点设计”,因而设计会省时、省事、省力。这也是中国建筑教育和建筑设计长期以来只管“生”(钢结构设计)不管“养”(钢结构制造与装配)造成的恶果。也正像王仕统教授痛批的一样:“设计不行,施工来补”。
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