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    鋼結構構件的連接設計
    發布時間:2014-08-05

      伴隨著我國鋼材產量的不斷攀升與價格的下降,用鋼來建造房屋變得越來越普遍,這不僅反映在各類方興未艾的大跨項目中,甚至在各種中小跨度的項目里,選擇鋼材作為建筑材料或是裝飾材料也成為了一種時尚。材料的多樣性選擇為建筑師提供更多表現手段的同時,也帶來更多的設計要求。

      盡管結構形式的選擇通常是結構工程師的工作,建筑師也必須對影響結構和連接設計的因素有一定的了解;即使國內絕大多數鋼連接構件的設計由制造商完成,建筑師也必須對于現代鋼結構建筑結構構件的連接方法、控制性原則和導致因素有一個清醒的認識。

      一、鋼結構構件及特點

      鋼結構構件的另外一個特點是截面多樣性:一方面,鋼材的各向勻質性使得它可以被加工成各種形狀,這與木材的各向非勻質性區別顯著:同為線性結構構件,鋼結構的截面多樣性是木結構所無法比擬的,這也是有工字鋼而沒有“工字木”的原因,桿件結構中連接構件幾乎全部是鋼也說明了這一點;另一方面,鋼結構構件的截面形狀也對連接設計也產生強烈的影響。在受力范圍允許的情況下,不同型鋼的選擇可以導致不同形式的連接。

      二、連接設計受到的約束

      鋼材種類繁多,耐受力也不盡相同,連接設計通常受到以下因素的制約:

      1.構件的來源:理論上鋼結構構件或是連接構件具有任意加工性,但在各具體項目中,結構構件與連接構件總會受到現實條件的制約。有經驗的設計師通常選擇容易獲得,方便安裝的型鋼,并設計出簡單有效的連接方式與連接構件。

      2.連接手段的限制:鋼結構的施工特點之一是采用工廠加工、現場裝配。這是區別于傳統砌筑方式而產生大量節點的原因。各種型鋼之間的連接,主要有三種手段:鉚接、焊接和栓接。鋼結構建筑的早期多采用鉚接,施工簡單但需要在構件上挖出洞口而降低了斷面性能,容易在節點處產生集中應力,近來較少采用。采用焊接的節點,外觀簡潔而荷載傳遞效率連續,但施工作業要求較高。后期出現的高強度螺栓連接,同樣可以達到類似焊接的強度要求,在現代鋼結構中大量采用。

      3.連接構件具有層級性:鋼結構建筑結構體系之間存在復雜而邏輯的層級關系,在連接層面,這種層級關系反映為構件尺寸與安裝先后的差異。連接的目的是實現層級轉換,也是實現力由三維向二維轉化、最終傳遞到一維構件的關鍵。復雜的連接通常由立體連接構件、平面連接構件組合完成。

      4.連接構件所處的平面:兩個線性結構構件總是處在一個平面內,該平面為構件應力的發生平面,連接構件為了有效抵抗這個平面內的應力、彎矩或剪力,常常設計在此平面內,如鋼管與拉索的焊片總處在這兩者構成的平面中;在多個構件的連接情況下,組合的平面構件可以與立體的受力情況相對應。

      三、連接對象的原型與連接的分類

      鋼結構建筑的結構構建包括桿件與索兩種基本類型,由此產生的連接方式可分作索與索的連接,桿件與桿件的連接,索與桿件的連接。無論平面結構或是空間結構,由于構件單體的線性特質,結構體系的復雜與否并不會導致更多類型的連接,而復雜的連接可看作由這三種基本類型組合而成。

      1.索與索的連接

      索在結構體系中只承受拉力,內力沿索的軸線不變,索的截面不會因長度變化而變化。其連接特點如下:

      a. 位于端部的連接必須通過索套來實現。

      b. 位于索中部的連接可由各類夾具來完成。

      c. 多根索的連接需要設計新的節點,根據索與索結合方式的不同而各有差異:如常見的單層或雙層索結構,根據布置方式的不同又可以出現平行或輻射等形式。索網的輕質有效,迎合了人們對輕巧與透明的普遍追求。皮亞諾設計的位于意大利的Banca Popolare di Lodi總部室外廣場的玻璃頂,受力結構由上下兩組索網相互拉接而成,玻璃夾在結構中間,并由水平向的聯系索加強穩定,固定于四周混凝土墻體之上,所有節點均為索-索連接,輕盈而透明的屋頂表現了索在特定場合的優勢。

      2.桿件與桿件的連接

      桿件較索更早出現,應用也更廣泛,由于桿件既可受拉也可受壓,這使得桿件之間的連接設計也較索更為復雜多變。決定桿件連接設計的因素主要有以下兩個方面:

      a.桿件之間的交角。

      b.桿件各自的截面形式。前者由結構體系決定,后者可以在連接設計階段選擇不同型鋼或進行組合,以方便連接構件的設計。

      在交角非垂直的情況下應該謹慎選擇構件截面,降低節點設計難度。在柏林某信息中心的梁柱連接中,圓鋼管柱被突兀地截斷,然后與多塊鋼板焊接于工字鋼梁,交接顯得十分機械而僵硬。與之形成對比,赫佐格設計的漢諾威展覽大廳屋頂處梁柱連接設計中,一方面,選擇拉索避免了桿件間的非垂直交接;另一方面,方形鋼管柱在連接處的分解與圓形變化,使其與圓形鋼管梁之間的連接過渡的自然合理。

      在貝聿銘設計的美秀博物館屋頂構架中,多根桿件的立體交接沒有采用常規球形節點做法,而是設計了一個多方向板式鑄鋼節點構件,橫向鋼管貫穿其間且保持截面不變,其余構件在節點處轉化為鋼板與節點構件用螺栓連接,從而保證了結構面與屋頂面平行,取得簡潔平整的效果。如若用普通球形節點,那么龐大的節點勢必使屋頂構架顯得沉重,也無法反映傳統木構建筑中榫卯連接的簡潔,更難以取得這樣的藝術效果。

      3.索與桿件的連接

      雖然索最符合鋼材的材料性能,但由于它是只具備單向抗拉性能的柔性構件,所以索與桿件結合組成的結構體系可以取得輕盈與穩定的雙重優勢,如近年來在大跨領域十分流行的張拉弦結構。即使在較小跨度建筑中,索與桿件組合的方式也相當普遍。

      連接設計根據索的連續與否,須采用不同的連接件以對應:位于索端部的連接,需要通過索套、螺栓、焊片一系列構件與桿件固定,此種連接程序構造簡單合理,應用也十分普遍,同時可以選擇索套夾焊片或是焊片夾索套兩種不同的方式。如意大利熱那亞舊海港的重新開發項目中,索膜與桿件的連接在分別涂以灰色和白色的不同的層級中采用了上述兩種方式。但也可以通過索套的特殊設計與桿件直接結合,需要注意的是焊片的省略意味著索套必須承擔轉化索與桿件所成角度的功能,如吉芭歐文化中心拉索與基座的連接:尺度夸張有力且旋轉了一定角度的索套整合了焊片的功能,使得這一節點在此類連接中獨樹一幟。位于索中部的連接,可以采用索夾,索卡(少數情況下也可采用焊接的辦法)來固定索與桿件的位置。漢諾威貿易交易大廳魚腹梁中,上弦桿與下弦索的連接設計采用了索卡固定。

      四、連接設計的方法

      在相當一部分的鋼結構建筑中,結構對于構件形式與尺寸的要求并不十分苛刻,這就給構件與連接設計帶來相當大的設計余地。建筑師對于構件形式與尺寸的選擇與連接設計或者說連接形式息息相關。對國內設計師而言,實際情況常常是有限的型鋼選擇與為數不多的成型連接構件,所以設計方法就顯得尤為重要,即使這些方法或手段常常帶有純粹表現的色彩。

      1. 分解 分解的對象是結構概念中抽象的單一構件,在實際連接中常表現為構件數量的分解或截面形式的分解。這一手法在包括了鋼結構的桿件體系的連接設計中頗為常見,如懸掛結構中的受壓桿常分解成幾根桿的組合;柱子常分解為束柱等等。這些分解有的是出于結構受力的需要,有的僅僅是為了在構件中制造間隙,方便連接。復雜節點采用分解設計有利于提煉出連接的基本形式,從而達到簡化連接概念,整合節點設計的目的。

      位于美國休斯敦名為Cy Twombly 畫廊的鋼結構屋頂連接設計中,大量運用了分解的概念,巧妙地將多層的屋頂結構與遮陽系統結合起來。首先是由工字鋼組成的網格狀遮陽結構,天窗結構懸掛在遮陽結構之下。由于受拉構件更符合鋼材力學性質而尺寸較小,因此懸掛的拉桿沒有分解,而鋼梁受力較為復雜(受彎、剪),故尺寸較大且由一根分解作兩根。整個屋頂設計邏輯清晰,與屋頂功能上的分層概念相得益彰。

      2. 轉化 截面形式的考量與尺寸的轉化也是連接設計的主要問題。轉化的目的是為了縮小構件截面,方便連接設計。構件截面一般可分為兩大類:管狀類截面(如圓鋼管)及非管狀類截面(如工字鋼)。前者之間的連接往往需要縮小截面,如網架球節點處的縮小了的實心鋼管。后者之間的連接通常對構件做簡化處理,如去掉寬翼,只保留型鋼的高度部分,而且常與分解設計相結合。除了改變構件截面形狀外,沿垂直于構件軸線的面將構件切斷后,再設計新的節點去連接也是經常使用的方法。如前面討論過的美秀博物館屋頂構架節點中,鋼管截面的轉化不僅帶來連接的便利,也使得節點設計的靈活性得以體現,在表達傳力的同時,利用雕塑似的造型設計將力的流動視覺化、藝術化。

      3. 整合 整合設計立足于減少構件種類及數量,簡化連接方式,強調結構形式方面的整體性,使得這類設計作品往往具有優雅的形象。這種方法有兩個前提:

      1)各節點受力方式相同。

      2)結構構件截面形狀類似、尺度近似。受力方式相同保證了選擇相似截面的科學性,截面形式相似、尺度近似則保證了視覺的整體性。

      福斯特設計的由鋼和玻璃組成的英國劍橋法律系樓的外表皮,模糊了窗、墻、屋頂之間的概念,構件間的連接采用整合設計正好表達了這一思想。編織狀的表皮是由許多高度極小的拱型空腹梁交織而成的結構,所有構件皆為圓形鋼管焊接,整個結構顯得勻質而典雅。無獨有偶,OMA設計的西雅圖中央圖書館的表皮設計運用了同樣原理。為了達到整合的效果,整個建筑的所有表面完全由相交成菱形的工字鋼組成,工字鋼截面形狀、尺度大小完全一致,聯結方式也統一采用鉚接,經過受力分析計算,在受力較大、需要加大截面高度的地方采用了兩根或三根工字鋼疊加完成,手法理性而又浪漫,成就了圖書館安靜祥和的氣氛。

      結語

      盡管類型可以分析歸納,方法可以分類總結,但這并不意味著設計成了教條,也不意味著獲得優秀設計有了方程式。由于對鋼材性能的挖掘與對形式極致的追求,導致連接設計包含了大量的技術性因素,即使這樣,連接構件的設計也不應成為工程師或構件商的責任,因為技術的扎實儲備始終是建筑師獲得優秀連接設計的無法超越的漸進步驟。雖然符合鋼材性質的連接方式(鉚接、焊接、拴接)必須要遵循這些定律并在鋼材的允許范圍內進行設計,但是優秀的設計仍然能夠找到優美的連接的形式而不會因為受到約束而產生刻板的機械產品。即使美觀在各個時代的評價標準存在差異,但一種內在的、符合材料邏輯的吸引力必然會突破風格或理論的限定而達到美的真諦。



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