从北戴河碧螺塔谈形态仿生建筑的结构技术.pdf

房 屋 建 筑 从北戴河碧螺塔谈形态仿生建筑的结构技 陈诗 白 中铁工程设计 咨询集 团有限公司 ，北京 1 0 0 0 5 5 摘要 为 促 进铁 路 房 屋 形 态 的 文 化 性 和 先 进 性 ， 针 对 目前 国 内虽然 已经开始 关注形 态仿生建筑 建筑造型仿 生 ， 但 对于形 态仿 生建筑 中的核 心课 题 结构技术 的探 讨 尚处于起 步阶 段的现状 ， 对形态仿生建筑的结构技术展 开讨 论。作为我 国形 态仿 生建筑先例“ 北戴河碧螺塔” 的结构设计师， 以北戴河碧螺 塔为具体 工程 实例 ， 探讨 了结构师如何用结构技术 实现 建筑的 仿 生 造 型 ， 如 何 实现 结 构 体 系 与 仿 生 形 态的 一 致 化 ； 结 合 对 国 内外有代表性 的形 态仿生建筑其他 范例 的结构技术分析 ， 归纳 总 结 出形 态仿 生 建 筑 中的 结构 设 计 若 干 要 点 ， 分 析 目前 制 约 结 构技 术在形 态仿生建筑 中开拓发展的原 因， 分析结构技 术在 形 态仿 生建 筑中的发展 前景。 关键词 北戴 河碧螺塔 ；形态仿 生建 筑；结构技 术 ；设计要点 中图分类号 T U 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 42 9 5 4 2 0 1 0 1 0～ O 1 2 8 一O 4 1 概述 形态仿 生建筑 也称 建 筑形 式 仿 生口 ， 或 称 造 型 仿生建 筑 ， 近几 十 年来 开 始 在 国 内外起 步 。它 的 研究 意义是 为 了建 筑应 用类 比的方法从 自然 界吸取 灵感进 行创新 。 形 态万 千 的 自然 界蕴 藏 着海 螺 、 贝壳 、 骨 骼 、 林木 花草、 蜘蛛网、 巢穴等无数优美的可供人类建筑模仿的 自然生物结构。我国形态仿生建筑先例“ 北戴河碧螺 收稿 日期 2 0 1 0一 O 42 6 ； 修 回日期 2 0 1 0 0 51 7 作者简介 陈诗白 1 9 5 7 一 ， 女， 高级 工程师 ， 1 9 8 1年 毕业于 西南交 通 大学研究生部铁 道建筑专业 ， E m a i l c h e n s h i b a i0 1 1 6 3 ． c o rn。 ●Il L , ◆◆i●◆◆ 力 ， 以获得更好 的充填 效果 。 4 在 富含 水 地 层 中注浆 要 求 能 迅 速 阻 水 ， 快 速 充填 。故 要求浆 液凝 固时 间短 ， 黏 性 大 ， 保水 性 强 ， 不 离析 ， 凝 胶 时 间 在 4～ 6 h ， 若 掘 进 时 建 立 了土 压 或 气 压 ， 则应尽 量确 保盾尾 密封完好 ， 以防止仓 中的水 由盾 尾被压入管片背后。当管片背后已被水充填 ， 则需要 提 高注浆压 力 ， 以便将 地 下水 随着 浆 液 的推进 被 挤 入 土体 中。 5 在盾 构 始 发 和 到达 段 ， 总 体 上 要 求 缩 短 浆 液 凝胶时间， 以便在填充地层 的同时能尽早获得浆液固 结体强度， 保证开挖面安全并防止从洞 口处漏浆 。 参考 文献 [ 1 ] 邹狲． 广州地铁二号线盾构隧道 同步 注浆 技术 [ J ] ． 隧道建设 ， 2 0 0 2． 2 2 3 1 521 ． 1 2 8 塔 ” 图 1 已经建 塔 2 0年 了。作为世 界 海 螺形状 的螺旋 观光 塔 ， 碧 螺塔 飘入 客的相册 ， 也 引起 业 界不 断 的学 术关 注 。 方 块建筑形 成鲜 明对 比， 形 态仿 生建 筑 时 技术以其均衡 、 稳定的力学美感 ， 使建葫 舞 ， 和谐 而悠远 。 一 譬 誓 l 图 1 北戴河碧螺塔 形 态仿生建 筑 中成 功 的结 构 技术 ， 模 仿而 升华为结 构技术 扩展创 新 的一种文 模 仿 的 自然生物 和被 设 计 的建 筑 结构 ， 有 的理 性思维 ， 致力 于力学 与美学 的转化 部地对二者进行类比， 从 中萃取二者的结 结 构安全 适用 、 经济合理 。 2 形 态仿 生建筑 的结构 技术 实例 北 2 ． 1 碧 螺塔工 程简 介 北戴 河碧螺 塔位 于北 戴 河 海滨 小 东 2 1 ． 8 m， 主体建 筑 面积 约 8 5 0 I T I ， 共 7 层 。 师 旨在通 过其近 似海螺 、 远若 帆轮 ， 与三硅 邹 狲． 盾构 隧道 同步注 浆技 术 [ J ] ． 现代 隧 1 2 63 O ． 郑鹏武， 谭忠盛 ， 吴金刚． 齐岳 山隧道注浆必要性 证 [ J ] ． 铁道建筑 ， 2 0 0 6 1 2 02 3 ． 蒋忠信 ， 王衡． 南昆铁路岩溶洞 穴预报技术 [ J 地质 ， 2 0 0 2 2 3 53 7 ． 唐雨． 齐岳山隧道大型充填溶腔处理施工技术 计 ， 2 0 0 6 5 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方 案思路 逐 渐拓宽 各种天然海螺壳是 凭借 着其空 间螺旋构 造得 以 承受水压力、 弯矩和其他外力的。用这样的类比分析思 路， 在其后的多个碧螺塔结构方案探索中致力于用螺旋 结构技术本身来直接表达海螺的主螺旋形态 ， 最终， 大 胆而审慎地构思 出“ 空 间螺旋悬 挑结构体 系” 方案。 “ 空 间螺旋悬挑结 构体系 ” 方案和它 的具体深化 设计 ， 在 当时无类 似国内外应用先例可鉴 ， 甚 至至今都 没有现 成 的结构技术模式或设计规范可直接套用 ， 这是对螺旋结 构技术和悬挑结构技术 的扩展创新应用 。 “ 空间螺旋悬 挑结构 体系 ” 方 案在 碧螺塔 上部 结构 的应用 ， 摈弃 了最 初保 守方 案 中许 多 的梁 、 柱 和外 包构 件， 满足了碧螺塔形态仿生需求和建筑空问使用需求。 2 ． 3碧螺塔 重点 采用 的结构技 术 1 空间螺旋悬挑结构技术。空间螺旋悬挑结构 体系是构成北戴河碧螺塔海螺造型的关键结构技术 。 空问螺旋悬挑结构体系的主要结构构件之一是钢筋混 凝土螺旋悬挑板。沿竖 向圆滑渐变上升 的螺旋悬挑 板 ， 或袒露 ， 或遮掩 ， 在 结 构体 系 中是做 为各 楼 层 的基 本承重传力构件； 于形态仿生造型意义是直接展现 了 海螺的主螺旋基线 ； 在建筑使用功能上既是作为观赏 楼梯 ， 又是作 为每层 房屋 的楼盖 或地板 ， 碧螺塔空间螺旋悬挑结构体系中的另一主要结构 构件是竖向钢筋混凝土核芯筒。核芯筒在碧螺塔结构 铁道 标准 设计R AI L W AY S T A ND A RD D E S I G N 2 0 1 0 1 0 房 屋 建 筑 分析中被假定为刚体 ， 作为螺旋悬挑板 的支撑传力构 件， 使螺旋悬挑板 自核芯筒盘旋悬出； 于形态仿生造型 意义上 ， 核芯简直接模仿海螺若隐若现的躯体 ； 其建筑 使用功能， 是作为水电、 维修等设备用房和仓库。 2 异 型轻 钢小 刚架 结构 技 术 。为 呈现 海螺 壳 的 一 条条起伏波纹棱褶和一个个螺壳分区， 结构技术采 用 长短 、 高度 、 弧度无 一 相 同 的数 十 组 小 型轻 钢 刚架 ， 上覆轻钢檩条和异型钢板 ， 这种结构 自重轻 ， 受力性能 好 ， 使各层局部屋面荷载 由此逐步传人螺旋悬挑板。 由于尺寸相 异 ， 为达到线 条顺 滑 的效果 ， 对 于数 十组小 型轻钢刚架 ， 逐一编号 ， 单独计算、 设计并焊接成型。 3 钢筋混凝土异型拱结构技术。为表达海螺外 伸软体组织的蜿蜒性和飘逸感 ， 结构技术采用了钢筋 混凝土异型拱体系作为另一类室外观海楼梯 。在异型 拱 形状 突变之 处配 以局 部 加 强钢 筋 、 加 强 带 等结 构 技 术 措施 。异型 拱基 础与主 体结构 基础 分离 。 4 耐久 性结 构 措施 。针对 碧 螺塔 三 面 临海 、 位 置孤 立等 工况 特征 ， 采 用 了抗 海水 侵蚀 、 抗裂 等耐久性 结构 技术措 施 。 5 施工配合。在工程施工 中， 结构师注重现场 配合指导 ， 严格掌控空间螺旋悬挑板结构体系 中关键 部位的钢筋接头位置、 比例、 搭接长度和混凝土浇筑与 拆 模 时间 ， 力求 结 构技 术 与仿 生 造 型 的对 话 安 全 、 隽 永 、 完美 。 2 ． 4 碧螺塔 结构计 算重 点 1 碧 螺塔 上部结 构 的计 算 重点 。对 于 承受 较 大 活荷载和较大集 中荷载的空间螺旋悬挑板的计算 ， 当 时无 国内外应用先例可鉴 ， 其结构 内力计算及构造要 求等 ， 至今 尚无统 一 的标 准规 范 。结 构师 为 此 做 了多 种结构设计计算方法的对比分析 ， 例如用悬臂梁法、 平 面圆环板近似法 、 空间有限元法等方式进行。 空 间螺旋 悬挑板 结构 的 内力 关键 要素在 于径 向和 切向弯矩 。若取值偏小 ， 则直接影响结构安全 ； 若取值 过 大 ， 会 造成 结 构 构 件 截 面 和配 筋 加 大 ， 不 仅 是 不 经 济 ， 也严重影 响海螺造型需求和建筑空 间使用需求。 表 1是 用 3种计 算方 法计算 出 的螺 旋悬 挑板最 不利位 置最大径向弯矩值的比值。 表 1 螺旋悬挑板最大径 向弯矩计算结果比值 从表 1的比值可以看 出， 各种计算方法的计算结 果差异很大。用悬臂梁法计算的结果最大， 而用空间 有限元法计算的结果最小。 悬臂 梁法 是 取 出空 间螺 旋 悬 挑 板 水 平 面 投 影 的 1 ／ 81 ／ 4扇区作为计算模型 ， 是假设扇区两侧切 口处 1 2 9 房屋 建 筑 陈诗白 一从北戴河碧螺塔谈形态仿生建筑的结构技术 完全 自由的 ， 而实 际上切 口处受有 环 向弯矩 、 竖 向剪力 等约 束 ， 这种 释放 约束 的计 算 模 型 ， 无 疑 会 使 位 移 加 大 ， 内力也随 之增加 ， 造 成 结构 构 件 截 面和 配 筋过 大 。 因而这 一计算 方法 的结果是 有缺 陷的 ， 需要 调整 。 平面圆环板近似法 ， 考虑了空 间螺旋悬挑板环 向 弯矩 、 竖向剪力等约束的影响， 但没有考虑空间螺旋悬 挑 板水平 投影平 面 内 的跨 度 变 化 和实 际 开 口影 响 ， 没 有 考虑螺距 的空间约束 影响 。因而这 一方 法的计算 结 果 同样是 有缺 陷的 ， 需要 调整 。 而空 问有 限元 法 的 理论 计 算假 定 、 计 算 机数 值 计 算模 型存在 着与碧 螺塔 空间螺旋 悬挑 板实 际工程结构 的许多差异 ， 其 中有些差 异难 以细化 分析 ， 因而采用 这 一 计算方法 的结果 时更需 谨慎 。 如此 ， 对 于这样 没有设 计计算 规 范可依据 、 没有成 熟 的计算方 法 、 没有 计 算先 例 可 借鉴 的空 间螺 旋 悬挑 板 的结构计 算 ， 结构 师 采用 了基 于概 念 分 析 的综 合调 整取 值方法 。即 结 构师 以结构受 力概 念为宏 观依据 ， 认真分 析各种 计算 方法 的前提 假 定 和计 算 过 程 ， 分析 它们与碧螺塔空问螺旋悬挑板实际工程结构的差异性 质 ， 然后 综合 调整确 定 内力取 值 。用 这样 基 于 概 念分 析 的综 合调 整取值 方法设计 的碧 螺塔空 间螺旋 悬挑板 结构 ， 满足 了安全 、 经济 理念 ， 满足 了海螺 造 型 需求 和 空 间使 用需求 ， 历经 了漫长 岁月 的验 证 。 2 碧螺塔基础结构的计算重点。形态仿生的碧 螺塔 整体概貌 为上 大下小 、 非轴线对 称结 构 ， 因此基础 设 计计算 重点在 于解 决 主体 结 构 在 自重 和 风荷 载 、 地 震 力等工 况组合 作 用下 的抗倾 覆 稳 定 问题 。此 外 ， 还 在 基础工 程 中采 用 了抗 震 、 抗 倾覆 的结构构 造措施 。 3 形态 仿生 建筑的 结构设计 要点 形态仿生建筑的结构设计不仅需要满足常规的建 筑结构功能 ， 还承担着将结构技术向仿生建筑美学意 境转化的重任。笔者通过形态仿生建筑的结构设计实 践 ， 通 过对 中外形态 仿 生建 筑 代 表作 品结构 技 术 的学 习与研 究 ， 归 纳 出形 态仿生 建筑 的结构设 计要点 如下 。 1 力求 以结 构体系本身直接表 达形 态仿生建 筑 ， 不外 包 ， 不装 饰 。这是结 构技术 用于形 态仿生建 筑 的高境 界 。如 前 所 述 ， 北 戴 河 碧 螺 塔 的 “ 空 间螺 旋 悬 挑结构 体 系 ” 就 是 对 这 种 高境 界 的探 索 尝试。近 2 0年来 ， 国内外相继涌现 了一些体现出这种 高境界的 范例。例如 圣地亚哥 卡拉特拉瓦 叫的许多经典工 程 。他 主持设计 的法 国里 昂机 场高 速铁 路 客运 站 图 2 ， 于 1 9 9 4年建 成 ， 由通往机 埸 的长 廊 、 上 部钢结构 站 厅层和下部横穿的钢筋混凝土结构站 台层三大主要部 分构成。站台层采用坦裸 的预制混凝土 Y形构件， 支 撑 顶部钢 筋混凝 土 的拱 梁架 ， 梁 架 构件 之 间 的斜 向交 叉 ， 自然形 成奇妙 的 图形 ； 站 厅 层 钢结 构 护翼 ， 由一 系 列锥 形钢肋 支撑 ， 倾 斜 钢肋 固定 在 巨大 的 混凝 土 格构 梁上 ， 像展 开双翅 的 雄鹰 。卡 拉 特 拉 瓦还 将裸 露 的异 型 刚架结构 技术用 于西 班牙 瓦伦西亚 科学城 的骨骼形 态 图 3 和葡萄牙里斯本东方车站植物蔟群形态 图 4 ， 淋 漓尽致 地展示 不外包 ， 不装饰 的结 构技术美 感 。 图 2 法国里昂机场高速铁路客运站 图 3 瓦伦西亚科学城 图 4 葡萄牙里斯本东方车站 北京 国家体 育馆 ， 采 用裸 露 的钢 桁 架 “ 编织 ” 成 整 体的巨型空间曲面“ 鸟巢” 结构 ， 其结构 即外观， 实现 了结构技 术与仿 生建筑 造型 的完美转 换 。 为展现“ 千年鹤归” 的远观效果 ， 已开通的我 国铁 路武 广铁路 客运专 线武汉 站 图 5 以大跨度 钢结 构 异 型 曲面格构 网壳展 示 大面 积 的 弧型 屋顶 ； 主站 房 拱 形 门及 裸露 的 内外立 柱像 一 束 束 天然 树枝 ， 主干 与 支叉 1 3 0 囤 5 施工中的铁路武广客运专线武汉站 均在发挥着承重传力作用和形态仿生作用 ， 实现了结 构技术 与建 筑美学 的和谐统 一 。 2 对结构技术进行扩 展和创 新应 用 ， 是形 态仿生 建筑满足空间需求的必经之路。仅就满足建筑造型来 说 ， 用于常规建 筑的结构体 系 ， 例如框 、 排架 ， 剪 力墙 ， 筒 体 ， 桁架 ， 壳体 ， 等等， 均可用于形态仿生建筑， 并且可采 用混凝土、 钢材、 石材、 砌块等常规材料。配之以围护、 装饰构件 ， 这些结构体系主要起着间接仿生作用。 然而 ， 形态仿生 建筑 的空 间需 求 ， 用上 述 常规 的结 构体系往往无法实现。从小建筑规模的北戴河碧螺塔， 到大建筑规模的“ 鸟巢” ， 几乎每一座成功的形态仿生建 筑的空问使用需求都基于对结构技术的扩展创新应用。 铁 道 标 准 设 计R A儿 WAY ST ANDARD DES I GN 2 0 1 0 j 0 陈诗 白一 从北 戴河碧螺塔谈形态仿生建筑 的结构技术 目前， 大跨度刚架结构、 网壳结构 、 索拱结构 、 管桁 架结构 、 拱型结构等新型结构技术已经在新北京南站、 武汉站 “ 鹤 归 ” 形 态 、 广 州 站 “ 芭 蕉 叶 ” 穹 顶 、 上 海虹桥站、 天津西站等铁路大型客站被广泛采用 ， 其 中 蕴含了大量的对结构技术的扩展创新 ， 营造了高大 、 开 敞 的站 房空 问环境 。无 疑 ， 对 大跨 度 空 间 结构 技 术 的 进一步扩展创新应用 ， 是形态仿生建筑满足大空间需 求 的必经 之路 。 3 关于结构技术与被模仿 的自然生物结构形态 的对应关系。一座形态仿生建筑的实现 ， 究竟采用哪 种结构技术 ， 理论上没有唯一解 。可资借鉴的经验是 仿螺旋生物形态的可采用螺旋结构技术并扩展创新 ， 例如 北戴河 碧螺塔 ； 仿 树 枝 、 骨 骼 、 巢 穴形 态 的可 采用 刚架结构技术并扩展创新 ， 例如北京“ 鸟巢 ” ； 仿 飞鸟 翅膀 形态 的的可采 用 网壳 结 构技 术 、 刚架 结 构技 术 或 拱形结构技术并扩展创新 ， 例如法国里 昂机场高速铁 路客运 站 、 武 汉新客 站 。 4 结构体系需适应施工技术。例如北戴河碧螺 塔 ， 对 于每层 上部起翘 的海 螺壳造 型 ， 原 设计方 案是 采 用异 型网壳结 构 ， 但 由于 当时 施工 条 件 的 限制 而 不 能 实施， 最后改为采用异型轻钢小刚架结构。 5 形 态仿生 建筑 中结 构构 件 的平 、 竖 向布 局 ， 既 要精 致地表 达仿 生建 筑 的形 态 造 型 ， 又要 把 握 好 结构 抗震概念设计原则。北戴河碧螺塔的设计中， 对体 系 转换 之处 、 刚度突 变之处 、 受力 集 中之 处等 薄弱部 位增 设了各种补强措施或抗震构造措施 ， 严格保证 “ 大震 不倒 ” 三水准抗 震设 防 目标 。 6 形态仿 生建 筑 若 采 用 绿 色 环 保 型 结 构 ， 会 获 得 仿生 、 环保 “ 双赢 ” 的效果 。 钢结 构 钢 材不仅 自重轻 、 抗震 性 能好和有 利 于构 建大空间， 且革除了生产或加工砖、 瓦、 石、 灰 、 水泥等 建 材对环境 的破 坏与影 响 ， 材 料 的回收 和再利 用率高 ， 是 人与 自然 和谐 可持续 发展 的绿色建 材 。上述 的形态 仿生建筑工程范例 ， 不仅仅是结构体系与仿生形态一 致化的范例 ， 而且也几乎都是结构技术与绿色环保钢 结构材 料和谐 统一 的范例 。 清 水混凝 土结 构 这种 结构 技术显 示 的是 天然 、 厚 重与清雅 的美感 。它舍 去 了 大量 的抹 灰 、 饰 面等 化 工 产 品 ， 减少 了建 筑 垃 圾 和 污 染 ， 因此 是 绿 色 环保 型 结 构 。这种结构在 国外尤其在 日本应用较多 ； 在我 国也 得到了一定的应用。武汉新客站的高架桥将清水混凝 土结构技术寓于其中， 取得了良好效果。 7 目前 ， 形态仿生建筑的结构技术仅仅是 对 自 然生物结构的借鉴性模仿、 重构， 但还不是复制 。虽然 可以做到“ 形似” 和“ 神似”自然生物结构 ， 其结构力学 状态有的较吻合 ， 有的却差异甚大。 铁道标准设计R A I L W AY S T A N D A R D DE S I G N 2 0 1 0 1 0 4 目前的 局 限与限 制 房 屋 建 筑 1 国内外有关仿生建筑的论述 尚未形成思想或 体系 。而从结构技术 的角度探讨仿生建筑 ， 国内外 仍不多见 。也就是说 ， 形态仿生建筑 的结构技术应用 与研究 ， 尚处于潜意识起步阶段。 2 施 工技 术 的局 限 性 ， 也 是 制 约 形 态仿 生 建 筑 结构技 术发 展 的重要 因素 。 3 形态 仿 生 建 筑 的 结构 技 术 发 展 前 景 ， 应 是 实 现生态建筑 、 绿色建筑 或进化式建筑 。不仅“ 形 态” 意义的仿生， 整体组织机理和使用功能也应仿生 ， 但 这 目前首 先受 限于仿生 材料 技术 。大 自然 中的生物 以最少 的材料 构建 了坚 固 、 美 观 的外形 和实 用 的生 存 空间 ， 往往令以力学为基本视点 的结构师们惊叹和 困 惑 ， 因为 对天 然生物 材 料 的构 造 性 能和 生 长 机理 进 行 分析、 复制或超越 ， 研制出轻质高强的仿生建筑结构材 料 ， 往往需要生物工程 、 基因工程 、 高分子化学等多学 科 的交融 渗透 。 5 结语 从最近几年国外一些建筑事务所参与我国国际招 标工程所提供的设计方案来看， 建筑形态的仿生化、 结 构体系与仿生形态 的一致化是 明显 趋势 ， 以往 形态单一 方正的设计方案已没有竞争力。而设计难度远远高于 常规的结构设计 ， 形态仿生建筑 的结构设计实践 ， 是对 结构 师的尖锐 挑战 。其意义 不 止于对 于建 筑结 构 技术 的扩 展与创新 ， 对 于建 造生 态建 筑 、 绿 色建 筑更 具极 大 推动力 。 参 考文献 [ 1 ] 高福聚． 空间结构仿生工程学研究[ D] ． 天津 天津大学 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 刘先觉． 仿生建筑文化的新趋向[ J ] ． 世界建筑 ， 1 9 9 6 4 5 55 9 ． [ 3 ] 刘静， 刘锡 良． 仿生建 筑在空 间结构 中的运用 [ J ] ． 工业建 筑 ， 2 0 0 5 增刊 1 4 0 4～1 4 1 1 ． [ 4 ] 百度 百 科．碧 螺 塔 [ E B ／ O L] ． 2 0 0 9 1 2 - 3 0[ 2 0 1 0 - 0 4 - 2 0] h t t p ／ ／b a i k e ． b a i d u ． c o mv i e w41 1 8 6 3． h t m． [ 5 ] 高福 聚． 刘锡 良． 建筑结构仿生研究初步[ J ] ．工业建筑 ， 2 0 0 1 增 刊 2 6 1 2 6 6 ． [ 6] 刘霄峰 ， 程玉中． 建筑与环境 的对话[ J ] ． 建筑 ， 2 0 0 4 2 8 1 ～8 3 ． [ 7 ] 鲁晖． 浅谈仿生 建 筑 与 仿 生 建 材 [ J ] ．四川 建 材 ， 2 0 0 6 4 7 67 7 ． [ 8 ] 亓萌 ， 徐力立． 螺旋结 构的启 示 [ J ] ． 华 中建筑 ， 2 0 0 7， 2 5 9 8 l一8 3． [ 9 ] 张戈． 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