马克俭:克勤克俭,开拓新空间结构

发布时间:2023-06-16    来源:网络
马克俭,岳阳市,贵州省

■张华刚 李莉

马克俭(1932— )

我国著名结构工程专家,2007年当选中国工程院院士。

马克俭:克勤克俭,开拓新空间结构

1954年考入中南土木建筑学院(现湖南大学)营造建筑系工业与民用建筑专业。1958年被分配到贵州工学院土建系任教,1959年被学校选派到浙江大学进修,1960年回到贵州工学院。1980年接触网架结构研究与应用,从此开始了建筑空间结构的潜心研究,在40年的时间里,开创性地组织了混凝土空腹网架结构研究、预应力网架与网壳研究、空腹夹层板结构研究、空间网格盒式结构研究等工作。

曾获国家科技进步奖三等奖、建设部科技进步奖、中国钢协科技进步奖二等奖、贵州省最高科学技术奖等多个奖项,获得全国五一劳动奖章、“贵州省省管专家”、“贵州省首批勘察设计大师”等荣誉称号。

1987年任空间结构委员会资深委员、中国土木工程学会委员,1993年任《空间结构》副主编,1998年任国家自然科学基金评议组成员,2000年任贵州省人民政府学位委员会学科评议组成员,2008年任贵州省土木工程学会名誉主席、中国钢协专家委员会委员。

①1998年,马克俭(左三)在贵州工业大学逸夫学术交流中心训练馆了解工程情况。

②1993年,空腹夹层板试验模型制作现场。

③2013年,马克俭在大自然科技公司厂房施工现场。

“创新不是赶时髦凑热闹,只有结合实际的技术创新,才是真正有用的创新。”建筑工程是应用科学,在这个领域搞科学研究,不能停留在书本和论文上、将科技成果束之高阁。把科技成果应用于具体工程,将它转化为扎扎实实的现实生产力和经济效益,这是马克俭穷尽毕生精力做科研的追求和真正乐趣。

13岁接受正规教育

1932年10月22日,马克俭出生在湖南省岳阳县新墙河北岸一个叫马店的小山村里。父亲常年在外,母亲1937年3月病逝后,不到5岁的马克俭和他的妹妹就由舅父抚养。1938年11月,日军占领岳阳后,直抵新墙河北岸。战火烧到了马克俭的家乡,战争把家园变成了废墟,在混乱和恐慌的笼罩下,流离失所的岳阳人民纷纷逃离家园。马克俭兄妹跟随舅父一家开始了颠沛流离的逃难生活,在1938年底抵达广西桂林。

做过童工、卖过报纸,1942年马克俭被送到桂林两江乡宝山村的桂林儿童教养院,这所难童学校却成了他的“天堂”。在这里,他不仅有饭吃,还可以学习,马克俭开始学习高小的课程。1944年9月起,随着日军的逼近,教养院不得不撤离宝山村,经过数次迁移,于1945年5月到达贵州遵义团溪。跋山涉水的迁移途中,马克俭尝尽了人间艰辛,同时也铸就了坚强的意志,这为他以后的成才奠定了坚实的基础。

日本宣布无条件投降后,教养院准备迁回桂林。在贵州贵阳等车时,恰逢国民政府“战地失业失学青年招致训练委员会”组织招生考试,“上学可以分文不掏,还管吃管住”,看到这样的招生公告,马克俭激动不已,当即决定报考初中。高小勉强毕业的马克俭顺利通过考试,成为贵州战时中学的一名初中生,这是他第一次接受正规教育。

1948年7月,初中毕业后马克俭回到家乡,于1949年秋季进入新湖南建设中学(现为岳阳一中)就读高一年级。但舅父微薄的工资需要养活全家7口人,无力负担马克俭上学的费用,马克俭只能辍学在家帮舅父干农活。为了补贴家用,马克俭在乡村小学任教,这期间,他意识到自己的文化知识太少,应该趁年轻多读点书,才能充分投身到社会主义建设事业中去。

在担任乡村教师两年后,1952年马克俭向岳阳县人民政府提出离职复学的申请,得到批准,于是他再次回到学校读书,当年10月进入岳阳一中,插班到高二年级。这得来不易的学习机会,让马克俭倍感珍惜,他如饥似渴地学习文化知识。

尽管高中毕业后能进工厂工作,但为了更好地报效国家,偏爱理科且成绩优秀的马克俭,因对机器充满好奇,于是决定报考清华大学机械工程系。得知马克俭的想法后,副校长易钟煐专门叫他到办公室谈了一次话,指出新中国刚刚成立,百废待兴,更需要土木工程方面的专门人才,因此建议马克俭报考中南土木建筑学院。这一次谈话决定了马克俭一生的发展方向,他就此踏上了土木工程的求学路。

1954年9月,怀揣着建设新中国的梦想,22岁的马克俭进入中南土木建筑学院营造建筑系学习,就读于工业与民用建筑专业乙班。

这期间,中南土木建筑学院有许多著名教授,如殷之澜、陈行之、曾庆元等都是我国土木工程界有很深造诣的专家,马克俭师从于这些老师学习,系统接受土木工程的专业训练,为他后来的学术成长奠定了坚实的理论基础。

1956年春,中央向知识分子发出了“向科学进军”的号召,并提出“百花齐放,百家争鸣”的方针,此后中南土木建筑学院开展了系列学术活动,各系、教研组还面向师生举办小型科研报告会、研讨会等。这些活动对马克俭的学术影响非常大。

1958年8月,马克俭大学毕业。在毕业分配志愿中,马克俭将广西和贵州作为工作目的地,童年在桂林儿童教养院的经历,以及少年时期在贵州求学的经历,使他对这两个地方怀有深厚的感情。其时,广西工学院尚处于筹建阶段,而贵州省委已报请中央批准成立贵州工学院,且要实现1958年招生的目标。这样,“到祖国最需要的地方去”,成为马克俭选择到贵州工作最坚定的理由。

“逼”出来的建筑结构

1958年4月,贵州工学院开始筹建,按“由小到大、逐步扩建”的原则,准备设立6个系共9个专业,从1958年秋季开始招生,分3年建成。

9月,马克俭和一批大学毕业生到贵州工学院报到,他被分配到贵州工学院土建系任助教,彼时,贵州工学院刚刚选定的校址蔡家关还是一片荒山野岭,师生们开始了艰苦的建校工作。

11月底,土建系师生率先进入蔡家关校园工地,由教师设计,学生取土烧砖,开始修建贵州工学院的第一栋建筑。

建校的同时,教学不能落下,时任院长秦天真提出走“教学、科研和建校生产劳动三结合”之路。学校又针对青年教师多的情况,选送部分优秀青年教师到省外高校进修学习。于是,马克俭被派到浙江大学进修。

在浙江大学,马克俭跟随夏志斌老师学习钢结构和弹性力学课程。这段学习经历,为他后来在建筑空间结构领域的学术成就奠定了坚实的理论基础。进修结束后,马克俭回到贵州工学院土建系继续任助教。这时候的他,专业上和教学上都有了新的提升,一方面在承担了更多教学任务的同时,还能帮助其他老师改进教学,另一方面,他积极投身到学校建设中。

1959年至1961年的三年困难时期对全中国都产生了很大影响,贵州工学院的建校工程无疑也受到影响。

其实,危机带来的何尝不是一次机会?为了最大程度节省钢材和水泥,以土建系熊盈川老师为设计负责人,师生们在修建上寨教工宿舍6004号楼时,充分利用建筑废料,楼板采用了预制碎砖混凝土空心拱形楼盖,经试压安全后,再自制双层平板车运输安装,在短短3个月内就落成了2500平方米的建筑;根据苏联科学家符拉索夫所著《材料力学、结构力学与弹性力学中的若干问题》一书中所述的原理和计算表格,他们开展了砖砌平面尺寸为3.6米×3.6米、矢高为4.2米的薄壳结构加载试验;结合苏联塔林工学院教授拉乌里的近似剪力法,他们进行了混凝土圆柱形薄壳结构的研究工作;由于缺乏钢筋和水泥,师生们采用黏土砖砌成的圆柱形薄壳,被成功用在教工宿舍6006号楼中。

这些被困难“逼”出来的建筑结构,虽然跨度较小,但其中蕴含的理论与实际相结合的思想,把马克俭引上了建筑空间结构的研究之路。

之后在修建教工食堂时,要求该建筑具备举办节日晚会和小型报告会等公共活动的功能,并提出屋盖跨度为15米,在既缺钢材又缺水泥的情况下,达到这一跨度很不容易。于是,马克俭、熊盈川提出用砖砌双曲扁壳来解决跨度带来的难题,因为扁壳的造型类似于鸡蛋壳,壳体以承受压力为主,正好可以发挥黏土砖抗压性能好的优势。

这一大胆设想没有工程经验可借鉴,但因为他们进行过砖砌薄壳结构的试验工作,积累了相应的经验,最后这一设想在土建系师生的共同努力下得以完美实现。

之后,马克俭、熊盈川等人又陆续参加了贵州工学院图书馆、校医院二期、子弟学校等的设计和修建。1964年底,以图书馆的建成为标志,历时6年的贵州工学院建校工作初步完成。

通过贵州工学院建校的实践,用科研解决经济建设中出现的问题,成了马克俭长期坚持的目标。

花最少的钱盖最好的房子

体育、文化等建筑往往需要较大的建筑空间,我国从上世纪60年代开始从苏联引入了由钢管、角钢等杆件相交组成的网架结构,逐步应用在北京、上海等大城市的体育、文化建筑中。

全国科学大会召开后,我国真正开始了对网架结构的研究热潮。1980年8月27日,国家建筑工程总局颁布了《网架结构设计与施工规定》JGJ7-80,使网架结构的工程应用有了标准依据。1982年3月7日至12日,中国土木工程学会桥梁及结构工程学会空间结构委员会在福建福州成立,随后召开了第一届全国空间结构学术交流会,进一步推动了我国对网架结构的研究。

相对全国其他省份,贵州的地理、气候比较特殊,且经济发展水平和经济实力相对落后。因此贵州当时更需要中小跨度的结构来满足工业与民用建筑的需求,在这类建筑结构中采用钢网架,实际上是大材小用,且钢网架的安装技术要求高,后期的钢材防锈维护会增加建造成本。

面对这些问题,马克俭认为,既然身在贵州,从实际出发,思考就应该立足于贵州。也就是说,在贵州搞建筑工程科学研究,就应该摸索出一条节省成本的路,从而降低建筑结构的技术经济指标。“花最少的钱盖最好的房子” 这一朴素观念成为马克俭终身追求的科研理想。

经过数年研究,1986年马克俭提出了装配式钢筋混凝土空腹网架结构,由此在全国开创了混凝土空间结构研究的一个新领域。

与组合网架相比,混凝土空腹网架的结构高度小,更适合作建筑楼盖使用;与同等跨度的钢网架相比,混凝土空腹网架可以节省35%~40%的用钢量;与同等跨度的混凝土交叉梁楼盖相比,因为混凝土空腹网架的腹部被挖空,使得结构的自重可以减轻40%左右,会相应降低地震对建筑物的影响。跨度进一步增大后,混凝土空腹网架的高度会随之增加,则结构形成的网格还可以作房间使用。

马克俭的第一次实践是贵州省总工会花溪疗养院食堂建设,工程为两跨两层建筑,楼盖和屋盖均采用了这种结构,共有4个空腹网架。对这一工程的施工图设计,马克俭采用了自己提出的“交梁系力法”,并自编程序用小型计算机求解。

混凝土空腹网架应用的第二项工程为贵州省教委招生办公大楼的会堂及食堂。这一建筑共三层。底层为框架结构,作办公室用;二层为食堂;三层为会堂,三层的楼盖采用混凝土空腹网架,屋盖为钢筋混凝土双曲扁壳结构。

花溪疗养院食堂和省教委招办大楼这两项工程成功实施后,1987年12月,贵州省科技厅组织国内的空间结构专家对马克俭的科研成果——“装配整体式钢筋混凝土空腹网架结构的设计与研究”进行了鉴定,鉴定委员会从结构造型的合理性和先进性、力学模型及计算方法的简捷性与可靠性、结构在大柱网工程中应用的优越性和经济性、优良的建筑功能等方面给予了高度评价,认为该科研成果效果良好,属国内首创,为我国空间结构开辟了一条新途径,达到了国内先进水平。1988年11月,“装配整体式钢筋混凝土空腹网架研究”获贵州省科技进步奖三等奖。

混凝土空腹网架结构的提出,是我国结构工程科技人员对空间网架结构的一次形式创新,使得继钢网架之后,我国的基本建设施工可以采用混凝土材料建造空间网架结构,这种结构适应了我国当时钢材缺乏的客观现状,尤其为经济落后地区修建大跨空间结构提供了便捷的技术条件。

为了提高混凝土空腹网架的整体刚度、改善内力分布,马克俭又开始研究预应力混凝土空腹网架结构,该结构也成功应用到多个工程中。马克俭对预应力混凝土空腹网架结构的研究,填补了其时我国在预应力混凝土空间网格结构研究方面的空白。这些计算分析的原理,是可以被移植到钢结构上的,这为他后来开展预应力空间钢网格结构的研究奠定了基础。

一直没有停下前进的脚步

由马克俭和空间结构工程学家、中国工程院院士董石麟等学者合著的专著《组合网架结构与空腹网架结构》于1992年出版,标志着混凝土空腹网架的计算分析理论和工程应用技术都已成熟。

尽管如此,马克俭没有停止思考,此时他在想这样一个问题:空腹网架的结构高度较高,用于一般工业与民用建筑时,空腹网架会导致建筑层高较高,怎样才能降低建筑层高?

1992年,马克俭将木结构中离缝式键结合木梁的原理引入到混凝土楼盖中,提出一种新的大跨度混凝土楼盖,并命名为“空腹夹层板”,基本思路是将实心平板双向挖空来形成空心楼盖。对于空腹夹层板的计算方法,除了精确的有限元法和董石麟创立的拟夹层板分析法外,为便于工程应用,马克俭提出将其等代为无梁楼盖的简化计算方法,即按抗弯刚度相等原则,将空腹夹层板等效为实心平板,并分柱上板带和跨中板带,按无梁楼盖的“等代框架法”求出实心平板的内力后,再将其作为外力求得空腹夹层板各构件的内力。

1993年9月,马克俭主持对三层不同型式的空腹夹层板-柱结构进行缩尺模型试验,根据试验验证了其受力性能和计算方法,并细化了施工工序。

1994年6月30日,贵州省科学技术委员会组织省内外的高层建筑结构与空间结构方面的专家,在贵州工学院对“多层与高层建筑楼盖结构体系——空腹夹层板”进行成果鉴定。鉴定意见肯定了空腹夹层板结构的创新性和优点,以及计算理论的可靠性和施工方法的可行性,但也指出应经试点应用来完善相关应用技术。

为了解决成果鉴定委员会提出的相关问题,马克俭带领科研团队,继续空腹夹层板的研发。他们在实践中不断积累工程经验,完善空腹夹层板的计算理论,制定相关的结构构造措施,改善结构的施工工艺等应用技术,正是这种从实践中来,又回到实践中去的不懈努力,使这一新型的大跨度混凝土楼盖空间结构逐渐被工程界和学术界所接受。

1995年,贵州工学院对名为灰楼的学生宿舍楼进行了加层改建。对原结构核算后,马克俭采用空腹夹层板作为新加两层的楼盖和屋盖,并将其支承在纵墙上。

随后,贵州工学院工业设计研究所的工程也采用了空腹夹层板结构。工程的建设规模为1100平方米,共4层,底层为教室,其余楼层为科研办公室,但工程资金有限,只能采用砖墙承重的混合结构。工程完工后,决算表明,造价比采用普通梁板做楼盖的混合结构节约17%,比框架结构节约35%。

这两项工程虽然建设规模均不大,但取得了空腹夹层板工程造价的第一手数据资料,检验了简化计算方法的精确度、结构本身构造措施的可靠性,而且证明了普通施工队伍也能完成这种新型双向混凝土空心大板楼盖的施工。

此后,马克俭和他的研究团队拓展了混凝土空腹夹层结构应用跨度,将空腹夹层板由住宅、办公楼楼盖逐渐应用至工业与公共建筑楼盖。1999年他们发展了预应力空腹夹层板结构,2000年又进一步拓展至组合空腹夹层板结构。

在总结科研成果和实践经验的基础上,从2002年7月至2005年11月历时3年,马克俭为贵州省编制了《钢筋混凝土空腹夹层板楼盖结构技术规程》DB22/48-2005,这一标准成为其他省编制空腹夹层板技术规程的重要参考。2006年,“大跨度钢-混凝土组合空腹板架结构的研究与应用”获贵州省科技进步奖二等奖。

2007年,马克俭当选中国工程院院士。他说:“当选院士既是荣誉更是责任,院士只是普通一员,没有任何特权,今后自己将更加勇于承担起促进科技进步的责任。”如他所说,他一直没有停下前进的脚步,并且承担了更多的责任。

基于贵州省富产磷石膏及其污染现状,2007年,马克俭提出将工业石膏制作成模盒用于箱型楼盖、现浇成墙的资源化利用方向。2008年,马克俭两次以专题报告的形式向贵州省主要领导提出磷石膏在建筑工程中的资源化利用途径后,还提交了相关提案。在马克俭等专家的不懈推动下,贵州省率先于2018年出台《关于加快磷石膏资源综合利用的意见》。

结合贵州工业强省战略和国家节约集约土地资源要求,依托院士工作站,马克俭于2011年9月又提出大跨度空间网格盒式结构,实现了大跨度工业厂房由单层结构向多层结构的转化,且在2012年至2014年间大量应用于贵州省、湖南省的工业园区建设中。2015年开始又逐步将结构拓展至大跨度多层公共建筑,先后在山东、河南、江西和贵州等地应用。马克俭建立的院士工作站,在企业科技发展方向、项目把关上发挥了重要作用,有效提升了企业的科技研发实力。

扎根贵州,从事教学、科研和生产工作60余年,马克俭以“理论与实践相结合”为原则,原创性地提出“钢筋混凝土空腹网架结构”“预应力空间钢网格结构”“空腹夹层板结构”“空间网格盒式结构”等结构体系,这些开创性成果应用于全国20余个省区市,被国家及贵州、湖南、黑龙江等地编制成技术规程用于指导工程活动。同时,他为贵州省培养了大量结构工程人才,为推动我国结构工程学科发展作出了重要贡献。

马克俭的学术成长经历也是我国结构工程学科发展的浓缩史。“克勤克俭”是马克俭一生的真实写照,他自强不息、开拓创新的奋斗精神鼓舞着每一位科研工作者。(作者单位:贵州大学)

1958年,马克俭(前排左一)和分配到贵州工学院的年轻老师合影。

1987年,马克俭(右二)在混凝土空腹网架施工现场指导施工。

2000年,空腹夹层板结构体系技术鉴定会(站立者为马克俭)。

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