可持续建筑的未来：薄混凝土穹顶的多重优势

演讲者：Charles Hanskat，美国喷射混凝土协会

描述：混凝土穹顶已经使用了几个世纪，为大型圆形建筑提供自由跨度覆盖。薄壳钢筋混凝土穹顶自 20 世纪初开始使用。基本设计简单明了，并已通过现代分析技术、成型技术和混凝土浇筑进行了改进。我们将重点介绍混凝土穹顶的历史，并探索当前穹顶建筑的各种选择。然后，我们将详细介绍混凝土穹顶如何以最少的混凝土实现最大跨度，并具有明显的可持续性优势。

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感谢您邀请我今天在费城的ASA大会上发言。我很抱歉不能亲自出席，但希望这份PowerPoint演示和音频的配音能清晰传达我们在可持续性方面的目标，特别是这次演讲将讨论薄混凝土穹顶的可持续性。

那么，什么是可持续性呢？这是一个旧的Dilbert漫画，使用“绿色”这个术语，我们听说过“绿色洗涤”，即我们在做一些看似有助于可持续性的事情，但实际上并没有很好地定义。那么，可持续性的定义是什么呢？如果我们查看美国绿色建筑委员会的定义，便是满足当前需求的发展，而不影响未来世代满足自身需求的能力。换句话说，就是今天做一些事情，使未来的生活更美好。

他们确定了可持续性的三个不同组成部分：社会、环境和经济。这些组成部分包括新的建筑开发是否在社区中是可取的，是否在这一环境和社区中被文化接受，并且是否对该地区的人们产生积极的影响。

第二个方面是环境，这通常是我们最常考虑的，建筑和开发对环境的影响如何？空气、水和土地的影响是好的还是坏的？第三个方面是许多人不太考虑的经济方面。可持续性的财务方面，包括建筑的初始成本或长期运营维护成本，以及构建建筑或设施的总生命周期成本，并且是否在合理成本下技术上可行。

这三个方面是相互重叠的。当我们有真正可持续的事物时，它满足所有三个组成部分：社会、环境和经济。

有些组织致力于新建筑的可持续性，许多人可能听说过LEED计划，该计划为新建筑结构颁发金、银或白金认证，由美国绿色建筑委员会管理。此外，还有一个名为“绿色建筑倡议”的全国绿色建筑标准，以及国际上认可的BREEAM系统，用于评估新建筑的可持续性，考虑建筑材料、过程及可能产生的维护成本。

这就是可持续性的简短定义：社会、经济和环境。那么，什么是薄壳结构？薄壳通常不是平坦的混凝土构件，大多数都是弯曲或折叠的板，其厚度与跨度相比很小，能三维承载荷载。

想一想古罗马时期，拱形结构非常流行，用于承载荷载。拱形结构将荷载传递到开口的两侧，穹顶则是这个概念的三维旋转。我们在穹顶方面有着悠久的成功历史，1948年，这是一座圆柱形预应力混凝土罐，顶部有穹顶，穹顶非常适合跨越大空间而不需要内部柱子。

1957年，第一次应用预制构件而非现场浇筑混凝土来构建穹顶。这些预制构件在现场浇筑，然后提升到位。您可能见过这些穹顶，我在底特律地区，之前在芝加哥，我们看到这样的穹顶用于储存融雪盐。这是充气形式，内部使用喷射混凝土建造结构穹顶。

薄混凝土穹顶提供了许多优势，同时也提供了可持续性。混凝土作为材料的长期生命周期成本，许多人批评混凝土对可持续性或全球气候变化的负面影响，尤其是二氧化碳的排放。但如果考虑到混凝土结构的使用寿命可达50至100年，其生产成本在一个世纪内分摊，并不如许多人所想的那样沉重。

那么，提高可持续性的五个关键方面是什么呢？这是来自美国绿色混凝土委员会的可持续混凝土指南，目的是提高功能性、延长使用寿命、降低生命周期成本、增强居住者舒适度、减少资源使用，并且美观程度可能是主观的，但我认为穹顶形状相较于矩形平面有一种自然的美感。

通过功能性设计更高效，穹顶结构在形状上有极大的灵活性。薄壳结构可以轻松设计成可变厚度。许多建筑的墙壁厚度是一致的，但薄壳结构可以实现连续的渐变，或在边缘加厚以应对更高的应力，在不需要太多局部弯曲应力的地方则可以减薄。

确保使用寿命方面，我们拥有高质量混凝土的耐久性，优质混凝土可以轻松持续50到100年。尽管具体使用寿命可能取决于环境条件和暴露条件，但在正常环境下，我们通常可以期待50到100年的寿命。而混凝土的设计和施工我们已经掌握，不仅可以高效设计，还能进行修复，从而延长使用寿命，减少资源使用。

通过长时间的使用，不必频繁拆除重建，能有效降低资源浪费。这些罐子即使经历树木倒塌等意外，穹顶形状仍能承受额外的压力，关键在于薄壳结构的设计，通常我们的应力不是弯曲应力，而是通过厚度传递的应力。

在载荷方面，我们通常遇到的问题是弯曲应力，尤其是在将穹顶与墙或地面连接的边缘条件下。那么，穹顶如何提高居住者的舒适度呢？首先，它能够提高生产力，因为没有许多柱子妨碍视线，尤其是在办公室或体育馆等场所，能够跨越大空间而不阻挡观看活动的视野。

其次，混凝土具有较大的热质量，夜间降温时可以保持较长时间的凉爽，从而自然调节温度。此外，我们可以使用多种表面处理，而不仅仅是石膏表面。我们可以使其看起来像石头，采用各种不同的装饰。

在减少资源使用方面，混凝土中使用了许多补充水泥材料（SCMs），例如可以回收的骨料，并且现在有一些新技术允许使用回收玻璃。混凝土中可以再利用许多材料，如粉煤灰或矿渣，来增强混凝土的性能，同时使用回收材料。当我们增强混凝土的性能并降低其渗透性时（例如使用粉煤灰和硅灰），意味着更长的使用寿命和更高的耐久性，使得外部环境影响到达钢筋并引发腐蚀的时间延长。

我们可以根据需要调整混凝土的厚度，以承载载荷，而不是简单地使用均匀的厚度。对于薄壳结构，我们通常使用单面模板，有时甚至可以省去模板，或使用在墙中间的支撑模板。

美观方面，我在水箱行业工作多年，实际上一些水储存箱经过建筑改造后，很多人经过时会说：“哇，那真是个很酷的体育馆，外观很漂亮。”这样的结构在视觉上与传统的商场大楼截然不同。

接下来，我要分享一个关于穹顶与平屋顶的简短案例研究。我的经验主要集中在水箱上，因此我将讨论穹顶与圆形预应力混凝土水箱的平屋顶的对比。

这些水箱通常有混凝土地板，实际上是一个基础板，而墙壁是圆柱形薄壳，相对于直径而言相对较薄。我们有穹顶或平屋顶的选择。

这是一个典型的水箱截面，有支撑墙的基础，墙体向上延伸，顶部是穹顶。这里可以看到，从加厚部分过渡到穹顶的厚度，这样可以适应穹顶固定在墙顶时产生的应力。

这个例子是187英尺直径的水箱，相当于半个足球场，墙高272英尺，墙顶厚度为7英寸，底部为8.5英寸。在我参与的东南部水箱中，顶部厚度通常为4英寸，而底部可达到24英寸，具体取决于水箱的大小。

而穹顶部分的厚度为3.75英寸，使用直径为12英寸的三号钢筋，通常的穹顶覆盖液体储存水箱的高度为1/8。

相比之下，平屋顶的结构不仅有平板，还必须有柱子来支撑这个平板。在这种情况下，平屋顶的平均厚度为9英寸，使用的是直径为5英寸的钢筋，顶部和底部都有。

而这些柱子一般为18英寸厚，通常为圆柱形，便于成型，甚至有时也会是方形。这些柱子有垂直钢筋及支撑筋，间距为22英尺。

由于柱子的重量，平屋顶水箱通常需要在柱基处设置基础，以帮助分散载荷。在这种情况下，基础厚度为12英寸，宽度为6.5英尺，且采用直径为4英寸的钢筋。

对比这两种结构，我们发现，穹顶所需的混凝土量为395立方码，而平屋顶的混凝土量为780立方码，柱子105立方码，基础80立方码，总计接近1000立方码，几乎是穹顶所需混凝土的三倍。

此外，穹顶所需的钢筋也显著减少，因为大部分载荷通过压缩而不是弯曲应力传递，因此穹顶的钢筋需求量约为平屋顶的三分之一。

总体来看，我们的案例研究显示，穹顶在混凝土使用上节省了约60%，钢筋使用上节省了70%。虽然曲面模板需要更多的时间建造，但它的承重能力相比平屋顶的模板要轻得多。没有内部柱子也使得维护更加便利，清理水箱底部时不必绕过柱子。

最后，穹顶的设计使得在承载重物时，能够均匀分布压力，避免因柱子和基础的沉降导致的屋顶积水问题。这些因素综合起来，使得穹顶在设计和维护上都展现出其独特的优势。

在穹顶设计中，使用木制支架可以重复利用，特别是在类似尺寸的穹顶中。这些支架在支撑环之间跨越，形成了穹顶的形状。我们可以看到一个大型穹顶，所有的支架均匀分布，以形成理想的球形。

在过去，我们曾使用舌槽和石膏模具，现在则是用胶合板，在支架上固定以保持其均匀的球形。一项重要的设计原则是确保穹顶的形状均匀，没有凹陷或突起，以避免局部的弯曲应力。这需要严格控制制作的公差，但对于有经验的公司来说，建造穹顶一般是相对简单的。

在穹顶的钢筋设计中，顶部的钢筋相对较轻，而在过渡区则需要较多的钢筋。在这个区域，钢筋厚度逐渐减少，直到达到穹顶的厚度。额外的钢筋在环梁中用于预应力，以抵抗穹顶因死载和活载所产生的下压。

在浇筑穹顶时，通常使用大型泵车进行分层浇筑，并确保形状均匀。为了保持半径，某些刮平工具会切割出相应的曲线。

另外，还有预制穹顶的类型。这些面板在现场浇筑，具有弯曲形状，然后通过起重机举起到位，形成整体结构。完成的穹顶上会有许多配件，如梯子、安全爬梯和舱口，以便进入水箱。

工业穹顶大多数是半球形的，通常支撑在圆柱体上。现代的气撑穹顶是通过充气形成的，然后在其下方逐层喷射混凝土以构建结构厚度。这些穹顶一般都有混凝土地面。

从成本来看，穹顶的费用比筒仓低约50%。筒仓需要大量的竖向混凝土，但其跨度较小，因此穹顶形状在储存干物料时更具经济性。此外，穹顶在相对较小的占地面积上提供了大量的存储空间。

气撑穹顶的外部覆盖物是塑料气囊，保持在位，并在其下方浇筑混凝土。通常情况下，在充气之前会将所有设备放在内部，以便进行空气锁的施工。

在浇筑过程中，内部使用人升设备，分层喷射混凝土，形成增强的结构壳。随着靠近底部，可能会需要更多的钢筋来承载弯曲应力。

谢谢大家的聆听，如果有任何问题，欢迎通过电子邮件联系我，邮箱是 charles.and@shackrec.org。我们的官方网站 shc.org 提供了许多关于喷射混凝土和新建筑设计的资源，希望对您的项目有所帮助。希望您享受接下来的会议！

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