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摘要：大跨度精制鋼板肋玻璃幕墻，由于有著極高的透光性能和一般幕墻無以比擬的視覺效果，通常用于高層建筑頂部城市觀光造型、高檔售樓中心、展館等公共建筑的幕墻設計。大跨度精制鋼板（詞條“鋼板”由行業大百科提供）肋可以解決夾層玻璃（詞條“夾層玻璃”由行業大百科提供）肋作為幕墻結構支撐成本高、易破損、穩定性差、吊裝困難等缺陷，而逐漸被其替代。
關鍵詞：精制鋼板肋大跨度截面設計器有限元 結構設計
1 引言
大跨度精制鋼板肋玻璃幕墻，由于有著極高的透光性能和一般幕墻無以比擬的視覺效果，近年來應用漸漸多了起來，通常用于高層建筑頂部城市觀光造型、高檔售樓中心、展館等公共建筑的幕墻設計。由于跨度較大，如果采用超長夾層玻璃肋作為幕墻結構支撐不僅加工不易、成本非常高，且容易破損穩定性差、吊裝也困難等缺陷，而大跨度精制鋼板肋玻璃幕墻剛好可以解決這些問題，它可以和鋼板肋橫梁或不銹鋼（詞條“不銹鋼”由行業大百科提供）玻璃夾具組成隱框玻璃幕墻（詞條“隱框玻璃幕墻”由行業大百科提供）。本列采用SAP2000進行結構分析與設計。
2 工程設計條件
南京某售樓中心幕墻項目招標方案圖顯示：該地區建筑物類別：B類，抗震設防烈度為：7度(0.10 g);基本風壓:0.4 KN/m2。幕墻玻璃板塊設計為對邊簡支梁力學模型。
該幕墻最高處為23.2m，局部外立面采用了大跨度精制鋼板肋結構隱框玻璃幕墻，玻璃采用12mm+12A+12 mm雙鋼化超白LOW-E玻璃，玻璃板塊規格最大為4000 mm×2250 mm，用鋁合金（詞條“鋁合金”由行業大百科提供）附框形式，把玻璃板塊安裝在氟碳飾面處理的幕墻鋼板肋結構體系中。
2.1風荷載標準值的計算
3 建立分析模型
大跨度鋼板肋結構隱框玻璃幕墻招標方案圖顯示：幕墻采用鋼板肋(T346×100×20×20)立柱與鋼板肋(T181×100×20×20)橫梁作結構支撐，用鋁合金附框形式把中空雙鋼化玻璃，固定（詞條“固定”由行業大百科提供）安裝在氟碳飾面處理的幕墻鋼板肋結構體系中。幕墻跨度為12000mm、設計為單跨梁力學模型、玻璃板塊高度為4000mm，寬度為2250mm，玻璃幕墻尺寸見圖-1與圖-2鋼板肋結構玻璃幕墻CAD尺寸圖所示。
此例我們可以先定義軸網數據的命令方式建立模型，具體操作如下：
3.1創建模型
(1)初始化設置
啟動SAP2000軟件，顯示程序界面進行初始化設置(略)。
(2)定義軸網數據
軸網由坐標系組成，坐標系有兩種類型一種是笛卡爾坐標系(直角坐標系)，另一種是柱坐標系。在SAP2000中，定義的第一個坐標系被作為整體坐標系(GLOBAL)是不能更改的，它是生成其他附加坐標系的前提條件，通過添加附加笛卡爾坐標系就能生成我們所需要的軸網系統。
(3)繪制模型圖
3.2定義材料參數與屬性
(1)定義鋼板肋截面
3.3建立導荷“虛面”與指定鋼板肋截面
完成了鋼板肋截面的定義后，如果在建模時未指定，我們可以選擇指定已建模型中的鋼板肋立柱、鋼板肋橫梁及用于導荷載的所建立的“虛面”(無質量、無剛度（詞條“剛度”由行業大百科提供）)。
我們查看旋轉圖時，程序默認鋼板肋橫梁在鋼板肋立柱中間，還需把鋼板肋橫梁向-Y移動(346-181)/2=82.5mm，見圖-8移動對象所示。
點擊界面上工具條中的【編輯E】➩【移動】彈出“移動對象”對話框，輸入“增量”“Y=-82.5”點擊【應用】➩【確定】完成平移。
3.4節點支座約束
大跨度鋼板肋玻璃幕墻，不僅要滿足幕墻規范，還應要滿足鋼結構相關規范。為降低溫度效應作用而產生的應力，幕墻鋼板肋立柱設計為受拉鉸接狀態。那么，立柱上端可設置為約束3個平動自由度鉸接、立柱的下端部位設置為不約束Z軸向2個平動自由度鉸接形式。
命令路徑：首先用鼠標左鍵選擇模型上的第“1”～“13”號節點(立柱上端)，再點擊界面上工具條中的【指定A】下拉列表，選【節點】➩點擊【支座】彈出“指定節點支座”對話框，點擊“鉸接支座”按鈕，這樣就約束了3個平動自由度，而旋轉的3個自由度無約束。即完成了立柱上端為鉸接約束，見圖3-17指定節點支座。
同樣，用鼠標左鍵選擇模型上的第““14”～“26”號節點(立柱下端)，再點擊界面上工具條中的【指定A】下拉列表，選【節點】➩點擊【支座】彈出“指定節點支座”對話框，點擊“鉸接支座”按鈕，其中“平動3”不勾選(可以向Z軸平移活動)，這樣就只約束了2個平動自由度，而旋轉的3個自由度無約束。見圖3-18約束平動1平動2軸所示。
3.5構件連接釋放
由于本例大跨度鋼板肋幕墻立柱承受軸力、彎矩與剪力作用，因此無須進行桿件連接的釋放;橫梁承受彎矩與剪力作用，為增加框架體系穩定性，一般對對桿件也不進行連接釋放。
3.6定義荷載模式
鋼板肋玻璃幕墻所受力的主要荷載模式可定義為：恒載DL、迎風面水平荷載標準值wk、垂直幕墻面的地震荷載qEk。
命令路徑：點擊界面上工具條中【定義D】下拉列表，選【荷載模式】彈出“定義荷載模式”對話框，設置如下：
(1)定義恒載
在本例“定義荷載模式”對話框中，“名稱”欄輸入“DL”，“類型”欄選“Dead”，“自重乘數選”欄選“1”，“自動側向荷載”欄為“灰”色，再點擊【添加荷載模式】。
(2)定義垂直幕墻面風荷載標準值
在本例“定義荷載模式”對話框中，“名稱”欄輸入“wk”為垂直幕墻面風荷載標準值，“類型”欄選“Wind”，“自重乘數選”欄選“0”，由于本例已手工計算出相應的wk值，“自動側向荷載”欄選“無”，再點擊【添加荷載模式】。
(3)定義垂直幕墻面的地震作用（詞條“地震作用”由行業大百科提供）
在本例“定義荷載模式”對話框中，“名稱”欄輸入“qEk”為垂直幕墻面的地震作用，“類型”欄選“Quake”，“自重乘數選”欄選“0”，由于本例已手工計算出相應的qEk值，“自動側向荷載”欄選“無”。
以上選項完成之后，如果需要修改模式可點擊【修改荷載模式】，然后再按【確定】按鈕就完成了整個荷載模式的定義，見圖1-13定義荷載模式。
3.7定義荷載工況
荷載工況定義了荷載模式的作用方式和結構的響應方式、分析方等。
命令路徑：點擊界面上工具條中【定義D】下拉列表，選【荷載工況】彈出“定義荷載工況”對話框，點擊【添加荷載工況】彈出“定義荷載工況數據”對話框，在“工況名稱”項中填寫恒荷載DL;在“結構剛度”欄中選“零初始條件-無應力狀態”;“工況類型”選“Static靜態”;“分析類型”選“線性”;在“施加荷載”欄中“荷載類型”選“Load Pattern”(荷載工況)“荷載名稱”選已輸入的恒荷載DL“比例系數”選“1”;然后再按【添加】➩【確定】按鈕，這就完成了荷載DL的荷載工況數據選定。
按上述步驟分別選填完成迎風面水平荷載標準值wk、垂直幕墻面的地震荷載qEk的荷載工況數據，若需修改數據，可以點擊【修改】➩再【確定】按鈕。
由于本例不必進行抗震驗算，可不進行模態分析，也就無須定義質量源，因此程序自動生成的MODAL(模態)工況，可以刪除或后續設置運行工況時采用取消運行模式。
3.8定義荷載組合
荷載工況組合是包括構件節點在內的所有位移、力、單元的內力或應力。這里的組合是不同荷載工況結果的總和或包絡。組合數量我們可以任意指定，但每個組合需要定義一個不相同的名稱，且名稱不能與荷載工況的名稱相同。一般常用的是通過基于規范定義的組合方式來進行添加，也可以根據需要自行定義組合或選擇自動添加默認設計組合。
根據《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102-2003第“5.4.1”條，當作用和作用效應可按線性關系考慮時，幕墻構件承載力極限狀態設計的作用效應組合應按下列規定組合：
(3)添加默認設計組合
以上組合均根據《玻璃幕墻工程技術規范》(JGJ102-2003)設定，由于本幕墻同時也為鋼框架結構，為了便于按中國規范校核其強度和穩定性、方便結構設計，還要按鋼框架結構添加默認組合。
命令路徑：點擊界面上工具條中【定義D】➩【荷載組合】彈出“定義荷載組合”對話框，點擊“添加默認設計組合”彈出“添加默認設計組合”對話框， 見圖7-21a添加默認設計組合，在“結構設計類型”中選擇“鋼框架設計”，再點擊【設置荷載組合數據】，彈出“默認的鋼框架設計組合-chinese 2018”對話框，見圖7-21b與圖7-21c默認鋼框架設計組合所示，分別選擇“強度”與“撓度”中的“備選工況”DL、wk、qEk加入到“已選工況”中，點擊【確定】完成了添加默認組合為：DSTL1～DSTL19，見【實例7】中表a默認設計組合。
3.9施加荷載
定義的荷載模式，并且在已指定的荷載模式中再定義了荷載工況下，就需要對荷載進行指定施加。
命令路徑：用鼠標左鍵直接點擊選定迎風面(Y向)面板，點擊界面上工具條中【指定A】➩【面荷載】➩【導荷至框架的均布面荷載(殼)】彈出“指定導荷至框架的均布面荷載”對話框，分別施加重力荷載、風荷載、地震荷載過程如下。
命令路徑：點擊界面上工具條中【顯示P】➩【對象荷載】➩【荷載模式】彈出“基于荷載模式顯示荷載”對話框，勾選“導荷至框架的均布荷載”“合力”，見圖7-25基于荷載模式顯示荷載及圖-12顯示施加的重力荷載 、圖-13圖顯示施15
在運行結構分析之前，必須對模型進行指定剖分，一般可以用“自動剖分點”選項。
命令路徑：首先用鼠標左鍵將界面上模型圖形全選中，再點擊界面上工具條中【指定A】➩【框架】➩【自動剖分選項】彈出“指定框架的自動剖分選項”對話框，“剖分選項”選取“自動剖分”，在“自動剖分點”欄中，選取“框架的內部節點”、另“最大剖分長度”，選填“500mm”(經驗值，根據桿件長度，也便于讀取位移值)，再點擊【應用】➩【確定】，即完成了指定框架的自動剖分。
4 結構分析
當模型的幾何信息、荷載信息、框架剖分(“虛面”無須剖分)等設置完成并檢查無誤后，就可以進行分析選項進行設置與運行分析，對所建立的模型求解。
4.1自由度分析選項
在運行分析之前，還需要對所建模型進行分析選項設置，然后才可以有選擇行地運行荷載工況。
命令路徑：點擊界面上工具條中【分析N】➩【設置分析選項】彈出“分析選項”，對話框，通過勾選“有效自由度”勾選“UX、UY、UZ、RX、RY、RZ”6個自由度，或點擊“快速選擇”欄中的“空間框架”圖形按鈕選取自由度，點擊➩【確定】按鈕完成自由度分析選項。
4.2運行分析
命令路徑：點擊界面上工具條中【分析N】➩【運行分析】彈出“設置分析工況”選項對話框，再點擊【運行分析】按鈕，程序自動進行模型在重力恒荷載DL、荷載工況下的wk、qEk的分析與計算。另外“MODAL”可以選擇點擊“運行/取消運行”按鈕，再點擊➩【運行分析】按鈕完成運行工況分析。
(1)顯示框架最大撓度初步結果
(2)顯示框架最大應力初步結果
命令路徑：點擊界面上工具條中【設計G】➩【鋼框架設計】➩【開始結構設計/校核】，程序會對模型中的構件設計類型(立柱、梁)自動判斷、并自動進行了應力計算。再按上述步驟點擊【顯示設計信息】，便得到所建模型的應力比圖。用鼠標左鍵點選應力最大位置桿件，再點擊鼠標右鍵，彈出“鋼應力檢查信息(Steel Stress Check Information)Chinese2018”對話框，鋼框架圖顯示“全部飄紅色”，應力比高達104-105數量級。
在“顯示選擇的細節”選項，點擊【細節】，彈出“鋼應力檢查信息(Steel Stress Check Information)Chinese2018”對話框，可以看到：程序自動判斷豎向立柱默認為“Column柱”、程序自動判斷橫梁為“Beam梁”類型、建筑為高層建筑、抗震等級為“Ⅱ”級、橫梁部位顯示應力比超限值“Stress Check Message - Capacity ratio exceeds limit”、立柱部位顯示“Stress Check Message - lo/i exceeds seismic limit (GB50011-2010 8.3.1, JGJ99-2015 7.5.2)”長細比均超建筑抗震規范及高層建筑規范限值等類型信息。
通過以上的運行工況分析可知：已建立的幕墻模型中，鋼板肋所受應力極大，且結構極不穩定!必須重新對鋼板了截面進行設計。
由此而知，對于鋼板肋結構幕墻來說，不僅要按幕墻相關規范，還要按《鋼結構設計規范》GB50017等相關規范，根據強度和穩定性的要求進行校核計算。
5 結構設計
SAP2000對鋼框架進行了結構分析并得到了計算初步結果后。我們可以得知，原來顧問公司給業主提供的招標圖中，所設計的幕墻鋼板肋，無論是位移還是應力、尤其是穩定性，完全不符合相關規范要求，有著極大的安全隱患。因此我們還必須根據中國相應的規范，通過交互式人機對話，對構件進行結構設計。
5.1人機交互設計
(1)鋼框架設計首選項
命令路徑：點擊界面上工具條中【設計G】➩【鋼框架設計】➩【查看修改首選項】彈出“鋼框架設計首選項Chinese2018”對話框，在“設計規范”選“Chinese2018”、“框架類型”選“無側移框架體系NMF抗彎框架Non Sway Moment Frame NMF”、“高層建筑”選“否”、“抗震等級”選“非抗震”、“梁按壓彎構件設計”選“是”、“應力比限值”選“1”(校核是否滿足強度設計值)、其他均按程序自帶系數默認。
(2)鋼框架選擇設計組
命令路徑：點擊界面上工具條中【設計G】➩【鋼鋁框架設計】➩【查看修改首選項】彈出“選擇設計組”對話框，“對象組”添加“ALL”(分組TLZ、THL)，點擊【確定】，完成鋼框架選擇設計組。
(3)鋼框架選擇設計組合
命令路徑：點擊界面上工具條中【設計G】➩【鋼框架設計】➩【查看修改首選項】彈出“選擇設計組組合”對話框，“極限狀態”選“撓度”、“設計組合”添加“NDZH1”“NDZH2”，點擊【確定】完成選擇撓度設計計組合。
同樣，可以按上述操作，在“極限狀態”選“強度”;“設計組合”添加“QDZHS”、同時也可以選擇“自動生成基于規范的設計組合”，點擊【確定】完成選擇強度設計計組合。
(4)鋼框架設計覆蓋項
SAP2000程序默認設計為水平放置的構件為“Beam梁”，忽略軸力的影響;豎直放置的構件為“Column柱”，按框架柱類型設計。在本幕墻鋼板肋結構模型中，程序默認“TLZ”分組設計為“Column柱”(計算，軸力、彎矩、剪力)、默認“THL”分組設計為“Beam梁”(計算彎矩、剪力)，那么我們按此構件類型無需進行修正。
另外，在鋼框架設計覆蓋項中，“選項”類別：
a.“軋制截面?”：如果型材是軋制截面是型鋼（詞條“型鋼”由行業大百科提供），選擇“是”;如果型材是焊接型鋼，選擇“否”。本例選擇“否”。
b.“翼緣焰切的焊接截面?”：如果型材翼緣是焰切邊，選擇“是”;如果型材翼緣切割是其他工藝，選擇“否”。
c.“梁按壓彎構件設計?”：對于水平放置的構件，一般情況下其設計類型默認為“梁”，如果水平放置的“梁”還承載壓力時，應選擇“是”，則按《鋼結構設計規范》GB50017與《高層民用建筑鋼結構技術規程》(JGJ 99)中的壓彎構件進行驗算(與幕墻規范一般只按純彎構件驗算區別)，長細比沒有限值要求。設計覆蓋項中其他選項按默認設置。
(5)鋼板肋框架截面設計
如果鋼板肋還是按原來的單片鋼板設計思路，會產生幾個問題：第一，鋼板肋還要加厚變為實心體，導致重量增大;第二，單片鋼板肋不容易焊接平直;第三，單片鋼板肋穩定性相對較差。
因此，我們經過“SAP2000 Section Designer截面設計器”重新設計幕墻鋼板肋后，通過截面優選，鋼板肋立柱選擇為T450×100×48×12、鋼板肋橫梁選擇為T300×100×36×12，二者均由12mm鋼板焊接組合起來的空心肋板。
①鋼板肋T450×100×48×1立柱設計
命令路徑：在上面模型(或重新復制)中，點擊界面上工具條中【定義D】下拉列表，選【截面屬性】➩【框架截面】➩【添加框架截面】彈出“添加框架截面”對話框，“截面類型”選擇“Other(其他)”，點擊“其他截面”欄中“SD截面”圖案，彈出“SD截面數據”對話框，見圖-15 SD截面數據在“截面名稱”中輸入T450×100×48×12顏色可任意)，“基本材料”欄中可以暫選“Q235”，“設計類型”選“通用鋼截面”，再點擊➩【截面設計器】彈出“SAP2000 Section Designer截面設計器”對話框，見 SAP2000 Section Designer所示。
首先，在SAP2000 Section Designer截面設計器界面工具條中，點擊【選項O】彈出圖首選項與指定顯示顏色對話框，首選項“Dimensions( 尺寸)”中，“Background Guideline Spacing背景向導線間距”可以任意調整，本例為“250mm”，其他項也可以選擇默認;在顏色對話框中，根據個人習慣，“XY軸”可選藍色、“向導線”可選灰色、“局部軸”可選紅色、“背景”可選白色。
命令路徑：點擊截面設計器界面上工具條中【繪制R】下拉列表，選【繪結構外形】➩【板】，用左鍵點擊界面上X 、Y軸坐標原點，屏幕跳出“板”形截面圖，此時把鼠標移動到“板”形截面圖陰影部位(截面部位)點擊鼠標右鍵，彈出“Shape Properties-Plate”對話框，見圖-16a設置板屬性，輸入相關數據：“Materaial材料”選填“Q235”、“XCenter”填“18”(原點到右邊肋中心距)、“YCenter”填“0”“Height高”填“450”(肋高)、“Width寬”填“12”(肋板厚度)，點擊【OK】按鈕完成右邊肋板設置。另為便于視圖操作，可以點擊界面放大或縮小按鈕。
同樣操作，按圖-16b設置板屬性，可以完成左邊肋板的設置。
同樣操作，按圖-16c設置板屬性，可以完成肋立柱橫向頂肋板(100mm)的設置。
同樣操作，按圖-16d設置板屬性，可以完成豎向肋夾板（詞條“夾板”由行業大百科提供）(80mm)的設置。
同樣操作，按圖-16e設置板屬性，可以完成肋板間橫向支撐板(24mm)的設置。
最后完成鋼板肋立柱的設計，見圖-17鋼板肋立柱T450×100×48×12所示。
②鋼板肋T300×100×36×12橫梁設計
同樣，按上述步驟，也可以完成鋼板肋T300×100×36×12橫梁設計;鋼板肋橫梁高300mm、橫梁頂肋板100mm、橫梁夾板50mm、橫梁支撐板12mm。
最后完成鋼板肋橫梁的設計，見圖-18鋼板肋橫梁T300×100×36×12所示。
我們重新指定截面后，查看圖時，程序默認鋼板肋橫梁在鋼板肋立柱中間，因此還需把鋼板肋橫梁向-Y移動(450-300)/2=75mm，見移動對象設置所示。
命令路徑：點擊界面上工具條中的【編輯E】➩【移動】彈出“移動對象”對話框，輸入“增量”“Y=-75”點擊【應用】➩【確定】完成平移。
5.2計算結果分析
鋼板肋幕墻經過按《玻璃幕墻技術規范》(JGJ102)、《鋼結構設計規范》(GB50017)等規范的要求，進行人機交互設計后，則可以得到最終比較準確設計結果。
(1)人機交互后框架設計結果
命令路徑：點擊界面上工具條中【設計G】➩【鋼框架設計】➩【開始設計/校核】。經程序分析計算得到在不同工況或風荷載下最大位移與最大應力，再用鼠標左鍵分別選定立柱、橫梁桿件最大值位置，再點擊右鍵，得到下列圖示的數據。
①顯示鋼框架最大撓度初步結果
命令路徑：點擊界面上工具條中【顯示P】➩【變形圖】彈出“顯示變形圖”(或直接點擊界面上工具條中按鈕)對話框，在“工況/組合”名稱欄中，分別選擇已定義好了的撓度組合NDZH1和工況NDZH2下查看最大位移。另在“縮放比例”欄選擇自動計算;在“云圖選項”選擇“顯示位移云圖”、“云圖分量”分別選擇UX、UY、UZ向與“Resultant(合成)”;再選擇打鉤“三次曲線”，其他默認;點擊【應用】➩【確定】按鈕，經SAP2000進行結構分析、計算、比較得到在NDZH1組合下合成最大位移為：
②顯示鋼框架最大應力初步結果
命令路徑：點擊界面上工具條中【設計G】➩【鋼框架設計】➩【開始結構設計/校核】，程序會對模型中的構件設計類型(立柱、梁)自動判斷、并自動進行了應力計算。再按上述步驟點擊【顯示設計信息】，便得到所建模型的應力比圖。鋼框架圖顯示橫梁部位應力超標。其中橫梁“35”～“40”節點之間的“42”桿件，應力比高達1.503;左右外圍立柱應力比為0.468，但長細比超標;見圖-20鋼板肋框架應力圖所示。
(2)人機交互后鋼框架模型修正
為了不再增加材料截面，我們可以嘗修正模型約束形式的方式，即：縮小跨度，把框架桿件受力距離變短。如把左右邊鋼板肋立柱中部各增加二個，不約束Z向的鉸接點，這樣可以起到穩定立柱、減少應力的作用。
(3)人機交互后鋼框架最終設計結果
當完成了鋼板肋框架截面的最后修正后，再次運行SAP2000如下：
命令路徑：點擊界面上工具條中【分析N】➩【運行分析】，再點擊界面上工具條中【設計G】➩【鋼框架設計】➩【開始結構設計/校核】;再點擊界面上工具條中【設計G】➩【鋼框架設計】➩【顯示設計信息】查看構件應力信息。全部完成了結構模型的位移與應力的最后運算結果。
①鋼板肋框架最大撓度
命令路徑：點擊界面上工具條中【顯示P】➩【變形圖】彈出“顯示變形圖”(或直接點擊界面上工具條中按鈕)對話框，選項設置不變，點擊【應用】➩【確定】按鈕，得到在不同工況或風荷載下最大位移數據為：
6 結語
大跨度精制鋼板肋玻璃幕墻，無論是位移還是應力、尤其是穩定性，不僅要符合幕墻相關規范、還要同時滿足鋼結構的相關規范要求。
由于精制鋼具有優越的抗拉強度、彈性模量、沖擊韌性、冷彎性能、可焊性、冷熱加工性能等特性。因此完全能夠滿足大跨度幕墻結構的基本受力需求，廣泛應用于高層建筑頂部城市觀光造型、高檔售樓中心、展館等公共建筑的幕墻設計等裝飾領域，同時實現建筑外觀的藝術之美感，并逐漸取代了大跨度夾層玻璃肋作為幕墻結構支撐成本高、易破損、穩定性差、吊裝困難等缺陷。
參考文獻：
[1].《玻璃幕墻工程技術規范》 (JGJ102-2003)
[2].《建筑結構荷載規范》 (GB50009-2012)
[3].《SAP2000在建筑異形幕墻工程的設計實例解析》(屈 錚 編著 中南大學出版社)
作者單位：港湘建設有限公司
