建筑構(gòu)件的連接設(shè)計(jì)
在實(shí)際應(yīng)用中可發(fā)現(xiàn)，木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的膠合連接、釘連接、齒板連接對(duì)于原竹構(gòu)件并不適用。常規(guī)原竹建筑搭建時(shí)，銷(xiāo)、捆綁、榫卯等連接方式是長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累認(rèn)為較為合理的方式，但要在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行定位加工［5--8］。在預(yù)制房屋建設(shè)時(shí)，則需要更合理的設(shè)計(jì)減少現(xiàn)場(chǎng)施工的連接。本研究以盡量不破壞竹竿整體性為總體思路，選用薄型鋼帶、螺栓和螺桿等材料，共設(shè)計(jì)出4種構(gòu)件連接方法，實(shí)現(xiàn)了原竹的加寬、加長(zhǎng)、交叉等連接需求。桿件加寬、加長(zhǎng)的連接設(shè)計(jì)正8字或雙8字金屬箍將2根或4根竹竿捆綁在一起，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓長(zhǎng)度改變金屬箍對(duì)竹竿的環(huán)抱程度進(jìn)行竹竿的捆綁固定，達(dá)到建筑桿件加寬的目的。加長(zhǎng)同樣可利用8字箍在竹材端頭處緊固實(shí)現(xiàn)。原竹交叉構(gòu)件的連接采用2個(gè)半開(kāi)單環(huán)相套，可實(shí)現(xiàn)垂直構(gòu)件之間的交叉連接，如原竹桁架與檁條間的綁定。該連接件稱(chēng)之為異8字金屬箍。桿件與圍護(hù)結(jié)構(gòu)板材的連接當(dāng)達(dá)到一定長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，竹柱受壓易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。設(shè)計(jì)一種U型金屬箍把竹竿與墻體板連接，可有效防止竹竿受力時(shí)的偏移。同時(shí)U型箍也可用于原竹檁條與屋面板間的連接。節(jié)點(diǎn)的防裂加固利用市面上現(xiàn)有的單耳可調(diào)卡箍(防裂箍)，如美式透孔卡箍，在原竹各構(gòu)件的端頭、穿透節(jié)點(diǎn)附近進(jìn)行緊固加固處理，可對(duì)竹材的變形進(jìn)行一定的束縛，減少開(kāi)裂后構(gòu)件的局部破壞。通過(guò)以上4種連接件的設(shè)計(jì)與運(yùn)用，可基本滿足原竹預(yù)制構(gòu)件的制備需求。
建筑預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)與性能測(cè)試為實(shí)現(xiàn)
原竹建筑構(gòu)件預(yù)制化，提高其產(chǎn)業(yè)化利用水平，本研究采用木結(jié)構(gòu)建筑模式中的箱式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以墻體與屋面2大部分形成受力整體，其中屋面最重要的受力構(gòu)件為屋架。預(yù)制屋架的設(shè)計(jì)與加工考慮到加工的方便性，屋面使用最常用的三角屋架，間距1.22m。采用縱向雙竹作弦桿，M16的鋼筋作腹桿，結(jié)點(diǎn)用竹膠合板固定，。屋架加工流程主要包括原竹弦桿加工、桿件節(jié)點(diǎn)加固以及桿件的結(jié)點(diǎn)連接。加工全部在工廠完成。弦桿的加工選擇竹徑相當(dāng)?shù)?根毛竹按規(guī)定長(zhǎng)度截?cái)嗪髮⒋笮☆^平行組合，2根竹竿的竹節(jié)和竹間交錯(cuò)排列，每隔0.5～1m用正8字箍緊固，保證雙竹的穩(wěn)定性和力傳遞。弦桿節(jié)點(diǎn)的加固上弦頂部和下弦2端采用木塊加固方法，將圓形木塊塞入竹筒灌入冷固化膠固化，上弦下端節(jié)點(diǎn)因是封閉竹筒則采用打孔灌漿方法增強(qiáng)。處理完畢后再進(jìn)行下一步的鉆孔等加工步驟，要求鉆孔外5cm處使用防裂箍加固，鉆孔位置距離端頭不小于8cm，同竹竿2孔距離不小于10cm。結(jié)點(diǎn)連接結(jié)點(diǎn)處采用25mm厚的竹膠板夾住弦桿，M10螺栓穿透弦桿和竹膠板固定，要求弦桿中心線控制在同一平面上。腹桿通過(guò)螺栓調(diào)節(jié)高度，保證力的傳遞。預(yù)制墻體的設(shè)計(jì)與加工為方便加工和搬運(yùn)，墻體設(shè)計(jì)成幅面1.22m×2.44m、厚度10cm的單元體，一側(cè)有凸出的方柱用于墻體的連接，如圖3所示。墻體的加工流程主要包括原料加工、墻骨的安裝加固、墻體連接等，這些全部在工廠完成。原料加工選擇直徑略小于10cm、尖削度較小的竹竿做墻骨，按照墻體設(shè)計(jì)高度截?cái)�，盡量保證竹節(jié)離端頭位置小于5cm，兩端用防裂箍保護(hù)。預(yù)制墻體的上下橫檔采用竹層積板，用釘固定在墻體板上。選用幅面1.22m×2.44m的高強(qiáng)度竹膠合板作墻體板。墻體的連接與安裝根據(jù)墻體設(shè)計(jì)方案，預(yù)先在墻體板定位打孔，采用U型金屬箍和螺栓將竹竿與墻體板連接。高度方向的U型箍間距為0.5～1m。竹柱腳用2塊竹膠板夾住，通過(guò)螺栓夾緊，再用L型鋼連接件把柱腳固定在下橫檔，柱頭與上橫檔無(wú)連接件連接。墻體間的連接加固單元墻體通過(guò)側(cè)向凸出柱連接形成整體墻，該柱為自制竹膠板框架方柱，厚度與墻體相同，插入相鄰墻體后，用M12螺栓從上至下3組螺栓加固。墻體轉(zhuǎn)角處采用L型鋼將兩面墻體連接。預(yù)制屋架和墻體的性能測(cè)試預(yù)制屋架和墻體受載狀態(tài)下的力學(xué)性能測(cè)試在建筑構(gòu)件力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，用以驗(yàn)證建筑結(jié)構(gòu)的安全性。原竹屋架破壞試驗(yàn)測(cè)試屋架跨度4.88m，按照GB/T50329—2002［9］模擬施工和使用環(huán)境下屋架的變形、破壞以及其他可能發(fā)生的情況。用鋼絞繩加吊籃垂直加載，上弦設(shè)置側(cè)向支撐防止側(cè)偏，加載位置如圖4所示，按每級(jí)200kg逐級(jí)加載。在實(shí)際使用荷載下，屋架的下弦跨中撓度滿足木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中撓度小于L/250的要求［4］，當(dāng)載荷達(dá)到1800kg時(shí)屋架一側(cè)上弦被鋼絲繩壓潰，達(dá)到了強(qiáng)度極限值，卸載后有一定殘余撓度。試驗(yàn)結(jié)果表明:原竹屋架具有足夠的安全性能，可以在本研究設(shè)計(jì)的建筑中作為屋架使用。墻體抗剪試驗(yàn)測(cè)試了2個(gè)單元墻體框架連接后的抗剪性能，單元墻體面積1.22m×2.44m，墻體間的方柱用3組M12螺栓連接固定，測(cè)試裝置。按照ASTME2126—2009［10］的規(guī)定，以墻體發(fā)生明顯破壞時(shí)(如墻腳錨固構(gòu)件破壞、墻體發(fā)生了超出正常使用要求的變形)作為其破壞的標(biāo)志。最終墻體的抗側(cè)承載力為0.78t，可以在1～2層住宅中替代木墻體或輕鋼龍骨隔墻使用。
預(yù)制原竹房屋的建造
在本研究試驗(yàn)基地按照建筑防火、節(jié)能、隔聲［11--13］等要求設(shè)計(jì)了一座建筑面積約50m2的單層房屋，房屋有寬1.3m的外廊，屋內(nèi)凈長(zhǎng)8.54m，凈寬4.88m，屋頂坡度24°，其結(jié)構(gòu)和成品如圖6所示。計(jì)算出房屋所需的原料后進(jìn)行備料和加工，在工廠把原竹屋架和墻體制備完成后運(yùn)到工地。做好地基后，將墻體下橫檔通過(guò)地腳螺栓固定直立，再將相鄰墻體連接。4面墻體固定連接后，采用竹層積材做圈梁，用釘固定在墻體的上橫檔。屋架兩側(cè)對(duì)稱(chēng)使用L型鋼與圈梁連接。原竹檁條采用異8字型箍與竹屋架固定，屋頂板用U型箍與竹檁條連接固定。房屋主體結(jié)構(gòu)完成后，屋頂進(jìn)行防水處理并鋪瓦，外墻貼防潮紙后涂抹水泥砂漿。墻體內(nèi)部釘木橫檔用以擱置保溫材料，再用防火石膏板覆蓋，最后進(jìn)行找平和裝飾。室內(nèi)屋頂采用輕鋼吊頂，吊頂上鋪設(shè)保溫材料。當(dāng)房屋竣工后，原竹已被完全包覆，與外界隔離，有效延長(zhǎng)了竹材的使用壽命。
結(jié)論與討論
竹材是一種歷史悠久的傳統(tǒng)建材，但其在建筑中采用預(yù)制化、模塊化設(shè)計(jì)和應(yīng)用尚屬首創(chuàng)。本研究充分發(fā)揮了原竹輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)并建造出預(yù)制化程度高的現(xiàn)代原竹結(jié)構(gòu)房屋。這種建造方式與傳統(tǒng)竹建筑相比，具有建造速度快、房屋壽命長(zhǎng)、居住舒適性好等優(yōu)點(diǎn)，值得廣泛推廣和應(yīng)用。通過(guò)屋架和墻體的性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)還需在結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)和成本等方面進(jìn)行研究和改善，以便進(jìn)行市場(chǎng)推廣�？傮w來(lái)看，原竹預(yù)制構(gòu)件房屋在全世界對(duì)低碳經(jīng)濟(jì)日益重視而木材資源供不應(yīng)求的今天，是民用建筑的發(fā)展方向之一，它為環(huán)保建筑提供了一種新的建筑材料和建筑模式。
