现代无金属结构在地铁建筑中应用的若干观点和建议
【摘 要】 本文在分析现代无金屑结构的民族化和高科技特征基础上提出了这种传统的新型结构在中国现代地铁建筑中广泛应用的建说并讨论了应用的可行性和合理性，结果表明，现代无金属结构在地铁建筑中应用会具有明显优点，可以很好地解决结构高强度、大跨度、耐腐、防火、防水、无磁、抗震、抗爆等重要需求，并有益于通风、采光、保温、抗疲劳、结构智能化等。
【关键词】 现代无金屑结构，地铁，纤维混凝土结构，纤维砌块结构
1 现代无金属结构的基本概念
地铁建筑属于近代土木工程的范畴，受中华传统土木工程理念和技术的影响不大。随着我国经济实力的逐渐强大，高科技应用带来明显经济效益，也给中华民族优秀传统观念的工程应用提供了有利条件。本文将就中华传统土木工程理念和技术与地铁建筑结构相结合进行初步研究。
土木，“谓建筑之事也，如筑屋，架桥，筑堤，开路等工事是也（国语晋语九）。也就是说土木工程结构本意就与金属无关，是无金属结构，符合中华古代“五行”理念。
在中国古代，万千年来为什么土木工程中不用金属，最重要的原因之一就是金属不耐腐蚀工程如果使用了金属必然是短寿的。
在近代，钢铁、合金等金属材料大量应用于土木工程，使中华“营造法式”落伍了，但是，“有金属建筑结构是短寿的”却得到了充分地证明。《建筑结构设计统一标准》规定的建筑设计基准期仅为50年，因此，现代土木工程工作者所从事的是大都是“半百年大计”，这明显“今不如昔”。另一方面，在土木工程中的水坝建设上，大多是不用金属的，但其尺寸显得十分笨大。
地铁技术明显属于发达国家输出的城市交通技术，其建筑结构必然以大量钢铁为主要材料，然而并不能保证很“长寿”，因为使用钢铁带来很多弊端。
我们研究纤维增强聚合物(FRP，Fiber Reinforced Polymers)应用已有五个年头，经过这一阶段的研究，开始继承中华民族土木工程传统理念，大力倡导现代无金属结构。所谓现代无金届结构，就是用FRP替代结构中的金属，或仿制、增强非金属材料，得到新型无金属结构。其概念明显含有民族科学文化内涵，具有广阔的应用前景。
十年前，“冷战”结束，FRP得以民用开发，国内外大都用于土木建筑补强加固，其建筑加固市场实小，但可见营造市场巨大。经我辈努力研究，已建成两处无磁建筑，“现代无金届结构”在新世纪开始已有实物(见图1)。
现代无金属结构中“现代”是区别于“古代”和“近代”所采用的。2001年6月央视《东方时空》公开征集山西应县木塔维修方案，因此我们献策现代无金属结构的纳米FRP技术修复，很受各界重视。
图1 FRP替代钢筋的地下纤维混凝土建筑正在施工
现代无金属结构基本上有三类主要形式，即(1)纤维混凝土结构，(2)纤维砌块结构仿木结构。在地铁建筑结构中，前两种形式更为重要。
纤维混凝土结构是针对替代钢筋混凝土结构和钢结构提出的，因而可使其变成五金属结构。基本方法就是用复合纤维材料替代钢筋或钢丝，得到新型占构，且具有更强、更轻、加工更简便的特点，其中钢筋绑扎问题可用尼龙绑扣替代，钢材焊接问题可用高强环氧树脂胶粘结解决。
纤维砌块结构是针对替代砌体结构提出的，砌体结构不再采用圈梁和构造柱，不再用水泥砂浆砌筑，而是利用复合纤维复合之机直接进行砌筑，这不仅更分布均匀地起到了圈梁和构造柱的加强整体性作用，其砌筑缝隙的强度将明显超过水泥砂浆，甚至砌块本身的强度。
纯复合纤维结构可以仿制或替代木结构，也可以仿制或替代型钢、钢索等结构，因此，这些现代无金属结构主要形式一般可以覆盖替换现有各种有金属结构形式，使将来结构形式发展到只有无金属结构一类，完全恢复“土木工程”名符其实的合理面目。
2 现代无金属结构在地铁建筑中应用的建议和讨论
地铁建筑结构中的钢筋混凝土结构应该用纤维混凝土结沟来代替。
地铁建筑结构中的钢结构应该用纤维混凝土或纤维仿木结构来代替
地铁中的砌体结构应该用纤维砌块结构来替代。
2.1高强度、大跨度的问题
现代无金属结构应用于地铁结构的明显优势就是纤维的强度高。我们曾经在天津和北戴河地下工程采用了纤维混凝土结构进行建造，其碳纤维的抗拉强度为4 000MPa左右，经过环氧树脂复合成碳纤维棒材的抗拉强度为3 000MPa左右，我们取用的没计值比较保守，为2000MPa，这—抗拉强度约是普通钢材的20倍。考虑到碳纤维的比重是1．8 t/m3，约是钢材的四分之一，所以，目前看来，一吨碳纤维可以等效于40 t钢材。强度高必然引起体积小、重量轻，而用纤维替代钢铁的重量仅为原来钢铁的2．5％，在土木工程中显然这一重量是可以忽略不计的。
结构构件的重量轻，首先为安装构件带来了方便，可节省大量的安装费用。更重要的是重量的减轻，可明显减少地震力，或者在强度不变的条件下明显提高结构抗震等级能力。正是由于重量轻，如果用于结构加固，就基本不会改变结构原设计的重力荷载，因此这一优点备受结构补强加固者的
青睐。
在地下结构中，由于荷载大，配筋率也很高，有时混凝土浇注后很难振捣到位。为了保证不超筋，就要加大混凝土构件的体积，若我们采用现代无金屑结构，用复合纤维替代钢筋，就可以轻而易举地解决这个问题。
体积小、重量轻的现代无金属结构显然是地铁建筑中大跨度结构的首选结构形式，尤其是在箱体的顶盖或高架桥中的应用。
2．2 耐腐蚀问题
土木工程结构腐蚀问题是—个很普遍的问题，在地面以上能够看到的结构中金属的腐蚀已是触目惊心，在地面以下的地下结构工程腐蚀必然会更加严重。现代无金属结构中的复合纤维具有明显的优势，其耐腐性能明显强于混凝土或砖、石。因此在地铁中采用现代无金属结构会明显延长地铁的寿命，为提高地铁建筑的设计基准期提供了难得的前提，必然将中华土木工程的理念与现代的地铁建筑相结合，这是地下铁道土木工程的重要发展战略。
由于地铁建筑金属腐蚀的另一特点是地铁机车由电力牵引，这就带来了结构钢筋的电解腐蚀
了防止这个破坏结构的现象，我们常常在底板中加入辅筋，这无疑造成了浪费，并且也无法检测
果我们使用了现代无金属结构，这一问题就不存在了。
天津经济技术开发区就建立在“盐滩”上，地下结构中的金属腐蚀极为严重，女贿强地震发生，必将引起重大损失，明知如此，我们却没有很好的溯卸力怯，只能“听天由俞’，如果采用现代五金属结构进行建造就不存在金属腐蚀的灾害问题了，那么，天津的地铁就可以长寿的驰骋在天津经济技术开发区。
西部大开发，盐湖地区的化工原料的开发前景是十分诱人的，但历史上为什么没有得以大规模开发?原因之一就在于盐湖对建筑的腐蚀作用，不仅钢铁会受到盐的强腐蚀，甚至混凝土也禁受不起盐的强腐蚀，因此采用现代无金属结构解决盐湖中建筑的抗腐蚀问题，就不能采用混凝土包裹和保护纤维棒材的形式，而应采用纤维片材包裹和保护混凝土的形式。这样一来，西部的地铁和城市轨道交通才能不惧盐碱地段，西部大开发发展战略才能真正落在实处。
海洋潮汐是取之不尽的能源，结构防腐问题未解决，尚不能大规模开发。现代无金属结构为结构防腐带来了新契机，在地铁建筑中尝试使用现代无金属结构进行防腐，总结经验，这也会为大规模向海洋进军做良好的准备。
2．3 防火、防水问题
美国“9·11”事件最说明钢结构怕火的致命缺点，火克金。地铁是一处人流密度大、工程防火等级高，且发生事故不易处理的特殊建筑，那么，怎样解决防火问题早以提到日程。而现代无金属结构材料在防火方面有独到之处，它可以在上千度的温度下不燃烧，且不丧失强度，这样，问题就迎刃而解了。
在地铁工程中，防水问题是重中之重。而现代无金属材料中的复合纤维就是一种闭水材料，但是作为防水材料目前显得造价过高，但是可以作为结构材料兼顾防水的性能。而我们，现今采用的防水树脂卷材就是我们现代五金属结构所提倡使用的。
2．4抗震、抗爆问题
地铁工程自身属于人防工程，因此地铁结构要求有良好的抗震、抗爆性能，而抗震、抗核爆均系抗侧力问题，无疑是建筑结构最难研究的系列之一。至今国内没有保险公司设立“地震保险”险种，对于地铁这种大投资的公益性建设项目也同样如此，显然，地震安全社会保障体系尚无法在中国建立。现代无金属结构将从强度高和重量轻出发，根本解决结构抗侧力问题，使五金属结构充满活力。对于抗震的耐倒塌问题，我们主要靠提高钢筋混凝土结构的延性来解决，钢筋混凝土结构的延性系数一般为4~6，而纤维混凝土结构的延性可达到10～12，具有成倍的抗倒塌能力储备。中国尚未有地震保险的原因是建筑设计标准低，中震、大震结构就坏了，保险公司赔偿不起或收取的保险费过高而无法实现地震保险。由此引发一系列问题，地震区财产安全无社会保障，社会互惠互利的保险功能不能发挥作用，震灾只能靠社会各界捐助，“杯水车薪”，抗震技术报告失去了作为地震保险基础技术资料的作用。特别是“西部大开发”，中国东西部破坏性地震发生的频率比约为1：4，在西部，没有地震保险，私企投资必然慎重，将严重影响西部大开发成功，国企也饱尝没有地震安全保障，损失巨大的苦头。现代无金属结构可以在不增加建筑造价的前提下，明显提高抗震能力，使建筑抗震设计标准有明显提高，地震保险可在现代五金届结构技术基础上实施，两者相互促进，建筑地震安全分级管理不再有大障碍，地铁的寿命会更加延长。
2．5 结构无磁问题
现代交通趋向于快速，因而磁悬浮列车已经开始进入了地铁的历史舞台，市区地铁与城际磁悬浮列车必然要相接轨。我们地铁建设能符合磁悬浮列车对建筑设施的无磁要求，这显然是一个十分重要的战略问题，以往这一问题是依赖于玻璃钢来解决，由于玻璃钢不耐老化，问题解决得并不是十分理想。现代无金属结构经过两个地震观测室建造的实践，已经取得了优良的无磁效果，必将为磁悬浮列车建筑设施要求提供技术保障。
2．6智能控制问题
结构智能控制是现代建筑的又一研究热点。利用导电FRP既作为结构的无金属材料，又作为结构性能监测传感器，现代无金属结构很容易实现智能控制，这方面在结构力学监测、交通流量检测、银行防盗墙报警系统、地下水管漏水检测等都已取得实效。对于地铁来说，建筑物的主体均位于地下，属于“隐蔽工程”，受到太多不可预知因素的影响。因此，应该充分认识到地钦结构智能化的重要性。而我们要是采用现代无金属结构，就很容易实现了。
2．7 通风、采光、保温问题
每每走出北京地铁站时，我们都会被出站口强烈的大风吹得很难受，这说明现代地铁的通风问题解决的并不能令人满意，为了解决通风问题，往往需要征地修建专门的通风口，这无疑造成了浪费。现代无金属结构中的纤维砌块结构具有空心砌块砌筑的特点，由于用纤维进行砌筑墙体具有很好的整体性和稳定性，该空心应该加以利用。我们可以把空心用来进行地铁的通风，使通风的通道明显的增多，通风的途径可多种多样，这样便可避免通风通道过于集中，给地铁中的人带来的不适。
地铁的采光往往利用电灯，这也是不能令人满意的。现代的光纤不仅有很强的通讯能力，不仅能传输激光，也可以很好的传输自然光。因此利用光纤可以在地铁中使用到自然光，关键问题是在地铁结构设立众多光纤通道，这需要重大的花费同时又时非常麻烦的，那么纤维砌块结构的空心部分便自然为光纤预留了通道，使地铁采用自然光顺理成章，这将在地铁的长期使用中大大节省能源，对长期在地铁中的工作人员和乘客的身体健康起到有益的作用。
空心砌块的进一步利用是通过对空心内填加适当的保温材料进行保温，完全可以克服混凝土热传导能力过高的缺点。例如，我们地铁的墙体采用两排空心砌块结构建造，就应该利用外面一排砌块的空心进行保温，利用里面—排的空心进行采光和通风。
2．8耐振动疲劳问题
地铁总是处于繁忙的运营状态，振动疲劳问题是非常明显的，由于金属材料会有缺陷，即使在很小荷载的反复作用下也会在缺陷面发生应力集中，有裂纹扩展，逐渐出现疲劳破坏。而现代无金属结构中的复合纤维材料往往是由碳纳米管组成的，也就是说该材料在原子量级上都是较为均匀的，因此具有奇异的强度，同时也有优越的抗疲劳能力。
3 结束语
本文建议在地铁建筑中采用现代无金属结构，上述讨论说明，这不仅是十分必要的，而且是可行和合理的。地铁建筑必将从中获得巨大的经济效益，明显提高地铁建筑的档次。我们首先直接使复合纤维进入建筑结构建造领域，在无磁地下工程建设中得到创造性的应用，因此本文进一步提出在现代地铁建设中应用的建议。现代五金属结构的现代特征也将因此得到充分的展现。这主要体现在六个方面：
(1)高科技特征(纳米材料和新的应用技术)；
(2)安全度特征(在不增加造价的前提下，结构的安全度明显提高)；
(3)节能化特征(明显节省金属冶炼巨大的耗能和对环境的破坏，充分利用自然能源)
(4)智能化特征(可实现结构实时数字化监测，为地铁自动控制提供新基础)；
(5)个性化特征(结构设计可充分优化，可实现各地铁车站结构的个性化)；
(6)民族化特征(中华民族土木工程的“土木理念”得到应有的继承和升华)。
我们将继续努力研究本文提出的现代无金属结构地铁应用问题。
