伴隨著我國鋼材產(chǎn)量的不斷攀升與價(jià)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(xiàng)目中,甚至在各種中小跨度的項(xiàng)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(shí)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(shí),也帶來更多的設(shè)計(jì)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(duì)影響結(jié)構(gòu)和連接設(shè)計(jì)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(jì)由制造商完成,建筑師也必須對(duì)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(gè)清醒的認(rèn)識(shí)。
一、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及特點(diǎn)
鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的另外一個(gè)特點(diǎn)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(diǎn);另一方面,鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面形狀也對(duì)連接設(shè)計(jì)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(jì)受到的約束
鋼材種類繁多,耐受力也不盡相同,連接設(shè)計(jì)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(xiàng)目中,結(jié)構(gòu)構(gòu)件與連接構(gòu)件總會(huì)受到現(xiàn)實(shí)條件的制約。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師通常選擇容易獲得,方便安裝的型鋼,并設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)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(diǎn)之一是采用工廠加工、現(xiàn)場(chǎng)裝配。這是區(qū)別于傳統(tǒng)砌筑方式而產(chǎn)生大量節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)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(diǎn)處產(chǎn)生集中應(yīng)力,近來較少采用。采用焊接的節(jié)點(diǎn),外觀簡(jiǎn)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(jí)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(jí)關(guān)系,在連接層面,這種層級(jí)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(shí)現(xiàn)層級(jí)轉(zhuǎn)換,也是實(shí)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(gè)線性結(jié)構(gòu)構(gòu)件總是處在一個(gè)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(gè)平面內(nèi)的應(yīng)力、彎矩或剪力,常常設(shè)計(jì)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(gè)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(duì)應(yīng)。
三、連接對(duì)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(huì)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(huì)因長度變化而變化。其連接特點(diǎn)如下:
a. 位于端部的連接必須通過索套來實(shí)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(jì)新的節(jié)點(diǎn),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(duì)輕巧與透明的普遍追求。皮亞諾設(shè)計(jì)的位于意大利的Banca Popolare di Lodi總部室外廣場(chǎng)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(diǎn)均為索-索連接,輕盈而透明的屋頂表現(xiàn)了索在特定場(chǎng)合的優(yōu)勢(shì)。
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(jì)也較索更為復(fù)雜多變。決定桿件連接設(shè)計(jì)的因素主要有以下兩個(gè)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(jì)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(jì)。
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(diǎn)設(shè)計(jì)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?cái)?,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(duì)比,赫佐格設(shè)計(jì)的漢諾威展覽大廳(圖4)屋頂處梁柱連接設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)做法,而是設(shè)計(jì)了一個(gè)多方向板式鑄鋼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)處轉(zhuǎn)化為鋼板與節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)潔平整的效果。如若用普通球形節(jié)點(diǎn),那么龐大的節(jié)點(diǎn)勢(shì)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(jiǎn)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(shì),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(jì)根據(jù)索的連續(xù)與否,須采用不同的連接件以對(duì)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(jiǎn)單合理,應(yīng)用也十分普遍,同時(shí)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(xiàng)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(jí)中采用了上述兩種方式。但也可以通過索套的特殊設(shè)計(jì)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(diǎn)在此類連接中獨(dú)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(jì)采用了索卡固定。
四、連接設(shè)計(jì)的方法
在相當(dāng)一部分的鋼結(jié)構(gòu)建筑中,結(jié)構(gòu)對(duì)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(jì)帶來相當(dāng)大的設(shè)計(jì)余地。建筑師對(duì)于構(gòu)件形式與尺寸的選擇與連接設(shè)計(jì)或者說連接形式息息相關(guān)。對(duì)國內(nèi)設(shè)計(jì)師而言,實(shí)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(jì)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(duì)象是結(jié)構(gòu)概念中抽象的單一構(gòu)件,在實(shí)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(jì)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(diǎn)采用分解設(shè)計(jì)有利于提煉出連接的基本形式,從而達(dá)到簡(jiǎn)化連接概念,整合節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的目的。
位于美國休斯敦名為Cy Twombly 畫廊(圖9,圖10)的鋼結(jié)構(gòu)屋頂連接設(shè)計(jì)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(gè)屋頂設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)。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(diǎn)處的縮小了的實(shí)心鋼管。后者之間的連接通常對(duì)構(gòu)件做簡(jiǎn)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(jì)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(jì)新的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)中,鋼管截面的轉(zhuǎn)化不僅帶來連接的便利,也使得節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的靈活性得以體現(xiàn),在表達(dá)傳力的同時(shí),利用雕塑似的造型設(shè)計(jì)將力的流動(dòng)視覺化、藝術(shù)化。
3. 整合 整合設(shè)計(jì)立足于減少構(gòu)件種類及數(shù)量,簡(jiǎn)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(jì)作品往往具有優(yōu)雅的形象。這種方法有兩個(gè)前提:1)各節(jié)點(diǎn)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(jì)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(jì)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(gè)結(jié)構(gòu)顯得勻質(zhì)而典雅。無獨(dú)有偶,OMA設(shè)計(jì)的西雅圖中央圖書館(圖12)的表皮設(shè)計(jì)運(yùn)用了同樣原理。為了達(dá)到整合的效果,整個(gè)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(jì)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(jì)成了教條,也不意味著獲得優(yōu)秀設(shè)計(jì)有了方程式。由于對(duì)鋼材性能的挖掘與對(duì)形式極致的追求,導(dǎo)致連接設(shè)計(jì)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(jì)也不應(yīng)成為工程師或構(gòu)件商的責(zé)任,因?yàn)榧夹g(shù)的扎實(shí)儲(chǔ)備始終是建筑師獲得優(yōu)秀連接設(shè)計(jì)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(jì),但是優(yōu)秀的設(shè)計(jì)仍然能夠找到優(yōu)美的連接的形式而不會(huì)因?yàn)槭艿郊s束而產(chǎn)生刻板的機(jī)械產(chǎn)品。即使美觀在各個(gè)時(shí)代的評(píng)價(jià)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(huì)突破風(fēng)格或理論的限定而達(dá)到美的真諦。
"歡迎大家轉(zhuǎn)摘!轉(zhuǎn)載須注明中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)建筑
鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)(www.szsmartbridge.com)謝謝合作!"