“飞机是人类技术文明发展史上，几何形体与力学原理结合最完美的创造物之一。作为航空领域的工程师，安全、轻巧、高效能的飞机设计理念，始终是我们进行建筑结构设计的永恒追求。”面对记者，中航工业规划设计研究总院首席专家葛家琪如是说。
自1990年以来，伴随着我国经济和城镇化的快速发展，尤其是2008北京奥运会、2010上海世博会的承办，我国大型公共建筑的建设进入高潮。大跨度钢结构是体育博览等大型公共建筑安全性、经济性控制的核心技术。以索穹顶、弦支穹顶以及开口式所膜结构为代表的预应力整体张拉结构是国际公认的结构效率更高、跨越能力更强、节约钢材可达60%以上的大跨度钢结构体系。该新型结构在欧美等西方国家应用比率达到50%以上，但是其核心技术实施受到严格的商业保密和专利保护，形成了国际垄断，严重制约着该新型技术在我国的发展和应用。
建筑结构属于常规应用技术领域，其原创性尤为艰难，但葛家琪带领他的团队十几年来始终如一，奋力攀登该领域的高峰。如今，团队的探索研究与实践应用成果获得了回报——由葛家琪主持的“预应力整体张拉结构关键技术创新与应用”项目，获得了2015年度国家科学技术进步奖二等奖。“获奖是其次，能够解决预应力大跨度钢结构安全控制标准的国际性核心技术难题，并在我国工程实践中得到成功应用才是最重要的。”在葛家琪低沉磁性、富有魅力的声音中，一幅关于我国预应力整体张拉结构发展的画卷缓缓打开……
破冰启航：突破国外关键技术封锁
“之所以能在大跨度钢结构领域取得这些成就，是因为中航工业规划有着极其深厚的技术积淀。”葛家琪所在的中航工业规划参与了中国新航空工业创建、发展的全过程，无论是整机总装厂房还是飞机维修机库，都需要超大跨度空间，航空建设的行业特点和几代人的不懈努力，奠定了中航工业规划在大跨度钢结构领域国内领先、国际先进的地位。
1987年，葛家琪从同济大学建筑结构工程系毕业，来到了中航工业规划工作，仅两三个月时间，他就推导出了结构受弯、受剪的快速简算公式，用一个计算器取代了当时设计人员必备的沉重设计手册。这一实用的小创新使同行对他刮目相看。不到一年时间，葛家琪就幸运地迎来了自己第一个独立设计项目——北京亚运会老山自行车赛车场。被媒体形容为“一叶扁舟落老山”的轻巧结构设计获得了众多技术奖项和各界广泛好评，也扬起了他对结构技术更高追求的渴望。
20世纪90年代，葛家琪敏锐地看到了我国大型公共建筑的蓬勃发展趋势，在老一辈专家的培养与熏陶下，他将主要精力转向了预应力大跨度钢结构设计与研究。国外对该领域核心技术保密与垄断的状况，使团队面临着巨大的技术挑战；国内设计行业综合资质的机制，制约着中航工业结构专项优势技术在社会上发挥作用。但葛家琪始终坚持以创新核心技术赢得市场的信念，这些困难也更加激发了葛家琪团队加快打造预应力大跨度核心技术的步伐。1999年，以与清华大学建筑学院合作完成长春国际会展中心项目为标志，葛家琪团队迎来了事业的转折点，开启了将航空工业孕育的大跨度钢结构领先技术创新应用于国家大型公共建筑的航程。
创新唯尚：苟日新，日日新，又日新
任何新体系、新技术的实际应用，其理论设计方法与安全控制指标都是首先要解决的核心技术问题。“毅然启航容易，但在茫茫大海中航行却绝不轻松。”葛家琪回忆起十多年前，与美国一家全球知名建筑事务所结构工程师产生的那次激烈的技术思想碰撞。双方合作的项目是北京金融街某购物中心，建筑师为追求中庭屋盖简明纯净的室内效果，采用预应力索桁架结构，36米跨度只设一个V型支撑杆，刚度太弱以至于结构预起拱达到跨度的260毫米。争论的核心问题就是该新型结构的设计分析方法与安全控制指标问题。葛家琪认为这样的设计满足正常使用状态安全，但存在非正常状态下体系失稳安全风险，但外方专家坚持认为他们的设计完全符合中国规范的要求。当葛家琪要求其提交按美国安全标准设计的文件时，外方以中国建筑必须遵循中国规范以及保护美国知识产权两条理由拒绝合作。
葛家琪心里很清楚，我国钢结构设计相关规范标准的设计方法与安全控制指标只适用于常规钢结构体系。对于大跨度钢结构体系，尤其是预应力大跨度钢结构体系，安全如何控制？安全指标到底是什么？中国规范没有给出明确答案。研究团队研究了美、欧、日等国外相关规范标准，分析了上千篇相关国际学术论文，查阅了大量国际专刊，依然没有找到预应力大跨度结构设计方法与安全控制指标。研究进一步发现欧美国家设计方法没有充分考虑到预应力大跨度结构“体系变形大而索构件延性小”的几何力学特征，并且就在当年，西方某国发生了一起预应力大跨度钢结构机库垮塌事件。为此，葛家琪判定欧美国家的相关规范标准并不完善。然而，此时挑明这一客观事实，等于向外方承认中国相关安全设计规范标准体系有漏洞，而争论国外规范标准问题同样没有意义。
“中国的城镇化建设已全面开启，必须尽快建立我国自主知识产权的相关安全规范标准，而且只能由中国人自己创新建立，才能实现新型技术在我国的发展应用。”葛家琪的声音透露着一种不甘、执着与自信。与此同时，葛家琪也清醒地认识到，仅凭自己及一个团队的力量无法实现这一迫切而又宏大的目标，他将目光投向北京工业大学张爱林教授团队。张爱林教授在我国率先建立了预应力钢结构学科，已进行了多年系统的理论与方法研究，是我国预应力钢结构学科带头人。葛家琪与张爱林在2003年某奥运工程评标会上相识，两人一拍即合，开启了两个团队预应力整体张拉结构产、学、研、用相结合的联合攻关。几十项的工程实践，大量的技术分析、仿真分析，花费近千万元的各式实验……十几年来，不管经历了何种困难和阻碍，项目团队始终坚持不懈。
守得云开见月明，长久的艰辛终于换来了丰硕的果实。葛家琪团队提出了预应力张拉与承载全过程性能化设计方法，并通过系列新体系大比例模型力学性能试验，揭示出该体系“弹性状态—径向索松弛—环索屈服—结构破坏”的多阶段受力特性及破坏机理。在国际上首次提出正常使用荷载弹性状态、超使用荷载弹塑性状态多阶段的承载力设计指标和变形设计指标，保证了该新型结构弹塑性大变形全过程安全，取得了突破性成果，填补了国内外相关规范空白。团队还建立了多次预应力弦支结构优化设计理论和方法，并首次提出了索穹顶结构预应力度的工程实用确定方法。不仅改变了靠经验比选方案的做法，使预应力弦支结构复杂设计问题建立在优化理论基础上，还在国际上首次提出了工程实用的“基于索穹顶张拉和承载全过程分析的预应力确定方法”，解决了工程设计关键技术难题。项目团队坚持产、学、研、用合作创新发展，共同完成科研课题13项，新体系大比例模型试验7项，工程项目15项，在此基础上对理论方法、创新体系、新节点、新产品成果进行集成创新，形成了我国具有自主知识产权的全产业链成套技术，建成了世界首个大跨度弦支穹顶结构和国内首个大跨度索穹顶结构等几十项工程，编制了我国首都《预应力钢结构技术规程》，对我国预应力整体张拉结构领域产生了开创性的影响。
价值回归：找到下一个技术的春天
“技术的发明创造只有得到应用并推广，它的价值才能真正得以实现。”葛家琪如数家珍地谈起自己的作品。
团队自主研发了V字型径向索弦支网格穹顶新型结构体系。该体系结合了索穹顶和单层网壳的优势，通过径向索系几何形态优化，解决了传统索撑体系环向扭转稳定承载力不足的问题；配套开发了一种索撑节点连接装置，实现了钢网壳多承压少受弯的优化形态效应，使该体系具有了更大的跨越能力。该新型体系应用于2008年奥运会羽毛球馆，建成了世界首个大跨度弦支穹顶结构工程，引领了我国大跨度弦支穹顶结构工程的快速发展和应用。团队还发明了一种索穹顶与外围大悬挑结构组合的新型结构体系。国外已建的大跨度索穹顶体育场馆，外圈均设置受力巨大的环梁结构，总体技术经济性未达到最优。项目提出的新型结构体系，通过优化连接构造和预应力度，使索穹顶产生的向内拉力与外围悬挑结构产生的向外拉力在环梁处达到自平衡，显著减小环梁受力，降低环梁结构用钢量。通过自主创新，设计并建成了鄂尔多斯伊金霍洛旗全民健身体育馆，成为国内第一个大跨度索穹顶结构工程，也是世界首个索穹顶与多层大悬挑结构组合的新型结构工程（2层43米悬挑），突破了欧美国家对预应力大跨度整体张拉结构长期的垄断局面。
团队的技术成果已成功应用于芜湖体育场、长春经济开发区体育场、河南艺术中心、贵阳奥体中心、北京金融街F7/9项目、金沙遗址博物馆、盘锦体育中心等国内外几十项工程，这让葛家琪感到尤其欣慰。说到创新技术的应用于与推广，葛家琪认为，与高新技术匹配的高品质产品制造企业的作用不容忽视，他对团队合作单位之一的广东坚朗五金制品股份有限公司给予了高度赞赏。预应力大跨度钢结构体系的基本单元是索产品，由多层钢丝相绞成型的索体构造特点，致使钢结构防腐措施不适用。传统索产品是在索外层包裹高分子材料护层（PE护层），该产品适用于斜拉桥等结构，但由于建筑结构索体间存在很多节点，PE护层的存在使节点处产生滑移，致使结构体系安全存在隐患。欧美等西方国家在20年前即已开发并广泛应用了铝锌加稀土镀层的Galfan索。新一代大直径高耐候性Galfan镀层拉索产品的缺失，已成为制约我国预应力钢结构发展的瓶颈之一。坚朗公司在开展建筑装饰索产品业务过程中，敏锐地看到了我国预应力大跨度钢结构对高钒索产品的巨大市场需求。坚朗公司以项目团队设计的鄂尔多斯伊旗体育馆索穹顶工程为切入点，在国内率先自主设计了大直径高耐候性Galfan镀层拉索专用生产设备，研发了智能循环捻制一体化技术，最大可捻制1×817-φ5的Galfan拉索。经过国家钢铁产品质量监督检验中心检测，通过了科技鉴定，填补了国内空白，并编制了国家相关产品规范标准。产品已成功应用于鄂尔多斯伊旗体育馆等国内外数百项工程，打破了此类拉索长期进口国外高价产品的局面，本产品的成功开发与应用，奠定了预应力整体张拉结构这一高新技术在我国产业化应用的基础。
“我国城镇化建设高潮已经过去，建筑市场正在大幅下行，团队将如何对科研成果进行下一步应用与推广？”面对记者的提问，葛家琪从容地说道：“没错，一个地方的体育中心最多只有一个，我国大型公共建筑行业不是冬天来了，而是不会再有春天了。国家经济发展到一定阶段出现转型是必然的事，它促使行业及相关产业也必须转型，而转型能否成功的关键又回到创新。”2013年，针对国务院《大气污染防治行动计划》对煤电、钢铁等行业超大跨度工业散料场抑尘封闭的国家战略要求，葛家琪主持完成了北京市科技计划课题《现代预应力钢结构技术集成创新与产业升级实践》，率领团队开展了新型预应力环保储煤罩棚技术集成创新与应用的攻关，成果获得“中关村国家自主创新示范区新技术新产品”认证。“工业散料场抑尘封闭改造的国家环境保护战略所带来的大跨度建筑市场总量，相当于国内体育博览建筑的总和。”葛家琪在冬天还没到来之前，已通过再次创新转型，找到了下一个春天。
