鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接設(shè)計

 

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接構(gòu)件類型設(shè)計約束設(shè)計方法

 

Abstract:Thebeautyofsteelarchitectureliesinmarvelousspanandfinedetail:ourincessantdesirekeepusonseekinghigherandfarther;theexposedstructureaffectsmaterial'stectonic,logic,hierarchy,andvitalappearance.Largenumbersofexistingsteelconstructionsindicatesourproficiencyinlongspansteelarchitecturedesign,butitalwayscomeswithmonotonetypeandobscureconceptinconnection.Whilekeepingonresearchingintothestructureandformofsteelconstruction,thereisaneedtostudyandreducetheprototypesofconnection,aswellasdesignmethodsandprinciples,whichishelpfultoreadanddeveloptheformofsteel.

KeyWords:SteelStructureElement,Connection,ElementType,DesignRestrict,DesignMethod

 

伴隨著我國鋼材產(chǎn)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(xiàn)手段的同時，也帶來更多的設(shè)計要求。

 

盡管結(jié)構(gòu)形式的選擇通常是結(jié)構(gòu)工程師的工作，建筑師也必須對影響結(jié)構(gòu)和連接設(shè)計的因素有一定的了解；即使國內(nèi)絕大多數(shù)鋼連接構(gòu)件的設(shè)計由制造商完成，建筑師也必須對于現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接方法、控制性原則和導(dǎo)致因素有一個清醒的認(rèn)識。

 

一、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及特點

 

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的另外一個特點是截面多樣性：一方面，鋼材的各向勻質(zhì)性使得它可以被加工成各種形狀，這與木材的各向非勻質(zhì)性區(qū)別顯著：同為線性結(jié)構(gòu)構(gòu)件，鋼結(jié)構(gòu)的截面多樣性是木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中連接構(gòu)件幾乎全部是鋼也說明了這一點；另一方面，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面形狀也對連接設(shè)計也產(chǎn)生強(qiáng)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(dǎo)致不同形式的連接。

 

二、連接設(shè)計受到的約束

 

鋼材種類繁多，耐受力也不盡相同，連接設(shè)計通常受到以下因素的制約：

 

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

 

2．連接手段的限制：鋼結(jié)構(gòu)的施工特點之一是采用工廠加工、現(xiàn)場裝配。這是區(qū)別于傳統(tǒng)砌筑方式而產(chǎn)生大量節(jié)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(jié)構(gòu)建筑的早期多采用鉚接，施工簡單但需要在構(gòu)件上挖出洞口而降低了斷面性能，容易在節(jié)點處產(chǎn)生集中應(yīng)力，近來較少采用。采用焊接的節(jié)點，外觀簡潔而荷載傳遞效率連續(xù)，但施工作業(yè)要求較高。后期出現(xiàn)的高強(qiáng)度螺栓連接，同樣可以達(dá)到類似焊接的強(qiáng)度要求，在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中大量采用。

 

3．連接構(gòu)件具有層級性：鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)體系之間存在復(fù)雜而邏輯的層級關(guān)系，在連接層面，這種層級關(guān)系反映為構(gòu)件尺寸與安裝先后的差異。連接的目的是實現(xiàn)層級轉(zhuǎn)換，也是實現(xiàn)力由三維向二維轉(zhuǎn)化、最終傳遞到一維構(gòu)件的關(guān)鍵。復(fù)雜的連接通常由立體連接構(gòu)件、平面連接構(gòu)件組合完成。

 

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

 

三、連接對象的原型與連接的分類

 

鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)建包括桿件與索兩種基本類型，由此產(chǎn)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(jié)構(gòu)或是空間結(jié)構(gòu)，由于構(gòu)件單體的線性特質(zhì)，結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜與否并不會導(dǎo)致更多類型的連接，而復(fù)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(jié)構(gòu)體系中只承受拉力，內(nèi)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(xiàn)。（圖1）

 

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(shè)計新的節(jié)點，根據(jù)索與索結(jié)合方式的不同而各有差異：如常見的單層或雙層索結(jié)構(gòu)，根據(jù)布置方式的不同又可以出現(xiàn)平行或輻射等形式。索網(wǎng)的輕質(zhì)有效，迎合了人們對輕巧與透明的普遍追求。皮亞諾設(shè)計的位于意大利的BancaPopolarediLodi總部室外廣場的玻璃頂（圖2），受力結(jié)構(gòu)由上下兩組索網(wǎng)相互拉接而成，玻璃夾在結(jié)構(gòu)中間，并由水平向的聯(lián)系索加強(qiáng)穩(wěn)定，固定于四周混凝土墻體之上，所有節(jié)點均為索－索連接，輕盈而透明的屋頂表現(xiàn)了索在特定場合的優(yōu)勢。

 

2．桿件與桿件的連接

 

桿件較索更早出現(xiàn)，應(yīng)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(shè)計也較索更為復(fù)雜多變。決定桿件連接設(shè)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(jié)構(gòu)體系決定，后者可以在連接設(shè)計階段選擇不同型鋼或進(jìn)行組合，以方便連接構(gòu)件的設(shè)計。

 

在交角非垂直的情況下應(yīng)該謹(jǐn)慎選擇構(gòu)件截面，降低節(jié)點設(shè)計難度。在柏林某信息中心（圖3）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(jī)械而僵硬。與之形成對比，赫佐格設(shè)計的漢諾威展覽大廳（圖4）屋頂處梁柱連接設(shè)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(shè)計的美秀博物館（圖5）屋頂構(gòu)架中，多根桿件的立體交接沒有采用常規(guī)球形節(jié)點做法，而是設(shè)計了一個多方向板式鑄鋼節(jié)點構(gòu)件，橫向鋼管貫穿其間且保持截面不變，其余構(gòu)件在節(jié)點處轉(zhuǎn)化為鋼板與節(jié)點構(gòu)件用螺栓連接，從而保證了結(jié)構(gòu)面與屋頂面平行，取得簡潔平整的效果。如若用普通球形節(jié)點，那么龐大的節(jié)點勢必使屋頂構(gòu)架顯得沉重，也無法反映傳統(tǒng)木構(gòu)建筑中榫卯連接的簡潔，更難以取得這樣的藝術(shù)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(gòu)件，所以索與桿件結(jié)合組成的結(jié)構(gòu)體系可以取得輕盈與穩(wěn)定的雙重優(yōu)勢，如近年來在大跨領(lǐng)域十分流行的張拉弦結(jié)構(gòu)。即使在較小跨度建筑中，索與桿件組合的方式也相當(dāng)普遍。

 

連接設(shè)計根據(jù)索的連續(xù)與否，須采用不同的連接件以對應(yīng)：位于索端部的連接，需要通過索套、螺栓、焊片一系列構(gòu)件與桿件固定，此種連接程序構(gòu)造簡單合理，應(yīng)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(fā)項目中（圖6），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(shè)計與桿件直接結(jié)合，需要注意的是焊片的省略意味著索套必須承擔(dān)轉(zhuǎn)化索與桿件所成角度的功能，如吉芭歐文化中心（圖7）拉索與基座的連接：尺度夸張有力且旋轉(zhuǎn)了一定角度的索套整合了焊片的功能，使得這一節(jié)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(shù)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(mào)易交易大廳（圖8）魚腹梁中，上弦桿與下弦索的連接設(shè)計采用了索卡固定。

 

四、連接設(shè)計的方法

 

在相當(dāng)一部分的鋼結(jié)構(gòu)建筑中，結(jié)構(gòu)對于構(gòu)件形式與尺寸的要求并不十分苛刻，這就給構(gòu)件與連接設(shè)計帶來相當(dāng)大的設(shè)計余地。建筑師對于構(gòu)件形式與尺寸的選擇與連接設(shè)計或者說連接形式息息相關(guān)。對國內(nèi)設(shè)計師而言，實際情況常常是有限的型鋼選擇與為數(shù)不多的成型連接構(gòu)件，所以設(shè)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(xiàn)的色彩。

 

1.分解分解的對象是結(jié)構(gòu)概念中抽象的單一構(gòu)件，在實際連接中常表現(xiàn)為構(gòu)件數(shù)量的分解或截面形式的分解。這一手法在包括了鋼結(jié)構(gòu)的桿件體系的連接設(shè)計中頗為常見，如懸掛結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)受力的需要，有的僅僅是為了在構(gòu)件中制造間隙，方便連接。復(fù)雜節(jié)點采用分解設(shè)計有利于提煉出連接的基本形式，從而達(dá)到簡化連接概念，整合節(jié)點設(shè)計的目的。

 

位于美國休斯敦名為CyTwombly畫廊（圖9，圖10）的鋼結(jié)構(gòu)屋頂連接設(shè)計中，大量運(yùn)用了分解的概念，巧妙地將多層的屋頂結(jié)構(gòu)與遮陽系統(tǒng)結(jié)合起來。首先是由工字鋼組成的網(wǎng)格狀遮陽結(jié)構(gòu)，天窗結(jié)構(gòu)懸掛在遮陽結(jié)構(gòu)之下。由于受拉構(gòu)件更符合鋼材力學(xué)性質(zhì)而尺寸較小，因此懸掛的拉桿沒有分解，而鋼梁受力較為復(fù)雜（受彎、剪），故尺寸較大且由一根分解作兩根。整個屋頂設(shè)計邏輯清晰，與屋頂功能上的分層概念相得益彰。

 

2.轉(zhuǎn)化截面形式的考量與尺寸的轉(zhuǎn)化也是連接設(shè)計的主要問題。轉(zhuǎn)化的目的是為了縮小構(gòu)件截面，方便連接設(shè)計。構(gòu)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(wǎng)架球節(jié)點處的縮小了的實心鋼管。后者之間的連接通常對構(gòu)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(shè)計相結(jié)合。除了改變構(gòu)件截面形狀外，沿垂直于構(gòu)件軸線的面將構(gòu)件切斷后，再設(shè)計新的節(jié)點去連接也是經(jīng)常使用的方法。如前面討論過的美秀博物館（圖2）屋頂構(gòu)架節(jié)點中，鋼管截面的轉(zhuǎn)化不僅帶來連接的便利，也使得節(jié)點設(shè)計的靈活性得以體現(xiàn)，在表達(dá)傳力的同時，利用雕塑似的造型設(shè)計將力的流動視覺化、藝術(shù)化。

3.整合整合設(shè)計立足于減少構(gòu)件種類及數(shù)量，簡化連接方式，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)形式方面的整體性，使得這類設(shè)計作品往往具有優(yōu)雅的形象。這種方法有兩個前提：1）各節(jié)點受力方式相同。2）結(jié)構(gòu)構(gòu)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(xué)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(shè)計的由鋼和玻璃組成的英國劍橋法律系樓（圖11）的外表皮，模糊了窗、墻、屋頂之間的概念，構(gòu)件間的連接采用整合設(shè)計正好表達(dá)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(jié)構(gòu)，所有構(gòu)件皆為圓形鋼管焊接，整個結(jié)構(gòu)顯得勻質(zhì)而典雅。無獨有偶，OMA設(shè)計的西雅圖中央圖書館（圖12）的表皮設(shè)計運(yùn)用了同樣原理。為了達(dá)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(lián)結(jié)方式也統(tǒng)一采用鉚接，經(jīng)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(jié)語

 

盡管類型可以分析歸納，方法可以分類總結(jié)，但這并不意味著設(shè)計成了教條，也不意味著獲得優(yōu)秀設(shè)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(dǎo)致連接設(shè)計包含了大量的技術(shù)性因素，即使這樣，連接構(gòu)件的設(shè)計也不應(yīng)成為工程師或構(gòu)件商的責(zé)任，因為技術(shù)的扎實儲備始終是建筑師獲得優(yōu)秀連接設(shè)計的無法超越的漸進(jìn)步驟。雖然符合鋼材性質(zhì)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(nèi)進(jìn)行設(shè)計，但是優(yōu)秀的設(shè)計仍然能夠找到優(yōu)美的連接的形式而不會因為受到約束而產(chǎn)生刻板的機(jī)械產(chǎn)品。即使美觀在各個時代的評價標(biāo)準(zhǔn)存在差異，但一種內(nèi)在的、符合材料邏輯的吸引力必然會突破風(fēng)格或理論的限定而達(dá)到美的真諦。

 

主要參考書目及文獻(xiàn)：

 

[1]PeterTrebilcock,MarkLawson，ArchitecturalDesigninSteel，2003

 

[2]Sutherland,MasterofStructure:EngineeringToday'sBuildings,LaurenceKing,2002

 

[3]CateerineSlessor,Eco-TechSustainableArchitectureandHighTechnology,ThamesHudson,1997

 

[4]［芬蘭］伊薩·皮羅寧，鋼的建筑造型，高輝、陳治國、王虹譯，天津大學(xué)，2004

 

[5]［日本］日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會，鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)總覽，陳以一，傅功義譯，中國建筑工業(yè)出版社，2003

 

[6]［德國］舒立茨等，鋼及結(jié)構(gòu)手冊，殷福新等譯，大連理工大學(xué)出版社，2004

 

[7]朱競翔，約束與自由——來自現(xiàn)代結(jié)構(gòu)先驅(qū)的啟示，東南大學(xué)建筑研究所博士論文，1999

 

[8]王靜，日本現(xiàn)代空間與材料表現(xiàn)，東南大學(xué)出版社，2005

 

圖表來源：

 

圖1：http://www.grimshaw-architects.com

 

圖2：http://www.rpwf.org

 

圖3：［德國］舒立茨等，鋼及結(jié)構(gòu)手冊，殷福新等譯，大連理工大學(xué)出版社，2004

 

圖4：CateerineSlessor,Eco-TechSustainableArchitectureandHighTechnology,ThamesHudson,1997

 

圖5：王靜，日本現(xiàn)代空間與材料表現(xiàn)，東南大學(xué)出版社，2005

 

圖6：RenzoPiano事務(wù)所網(wǎng)站

 

圖7：［芬蘭］伊薩·皮羅寧，鋼的建筑造型，高輝、陳治國、王虹譯，天津大學(xué)，2004

 

圖8：［德國］舒立茨等，鋼及結(jié)構(gòu)手冊，殷福新等譯，大連理工大學(xué)出版社，2004

 

圖9：CateerineSlessor,Eco-TechSustainableArchitectureandHighTechnology,ThamesHudson,1997

 

圖10：CateerineSlessor,Eco-TechSustainableArchitectureandHighTechnology,ThamesHudson,1997

 

圖11：CateerineSlessor,Eco-TechSustainableArchitectureandHighTechnology,ThamesHudson,1997

 

圖12：a+u建筑與都市中文版002期，寧波出版社，2005