模塊化理念下的鋼束柱結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)研究＊

陳宇 黃勇 王超 張龍巍

模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑是一種高度工業(yè)化的建筑，具有施工速度快、效率高、質(zhì)量高、安全性高、建設(shè)周期短等優(yōu)勢(shì)[1-2]。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造是模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因此發(fā)掘的梁柱節(jié)點(diǎn)模塊化系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)建筑裝配化及確保整體性能至關(guān)重要[3-4]。辛善超、王志強(qiáng)對(duì)模塊化建筑的連接部件進(jìn)行了系統(tǒng)分析與研究[2]；孫瑛志等提出一種采用槽形截面鋼拼接而成的模塊建筑[5]；張愛(ài)林團(tuán)隊(duì)提出了模塊化裝配式桁架梁＋方鋼管柱結(jié)構(gòu)體系，對(duì)體系、桁架梁、方鋼管柱和桁架梁柱節(jié)點(diǎn)及柱法蘭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)研究[6]。然而，國(guó)內(nèi)外對(duì)模塊化結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施的研究仍處于初始階段[7,9]，本文通過(guò)“模塊構(gòu)件——連接構(gòu)件——整體系統(tǒng)”三個(gè)層級(jí)模塊系統(tǒng)的疊加轉(zhuǎn)換、并置陣列，構(gòu)建了一套由榫卯插接構(gòu)成的鋼束柱結(jié)構(gòu)體系。

1 模塊化鋼束柱的體系構(gòu)成

中國(guó)古建筑最早以規(guī)格化和模數(shù)化規(guī)范建筑的形制，現(xiàn)代建筑的模塊化設(shè)計(jì)運(yùn)用圖解生成與轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)解析建筑原型，形成標(biāo)準(zhǔn)化桿件、連接部件以及構(gòu)成模塊，并運(yùn)用疊加、陣列、轉(zhuǎn)換、并置等操作方法將其有效重組[10-11]。其中，裝配圖解生成是指通過(guò)一幅或一組圖解構(gòu)建整個(gè)裝配體的幾何結(jié)構(gòu)信息，可用于說(shuō)明裝配體的組織結(jié)構(gòu)，對(duì)裝配行為起指導(dǎo)作用[11]。

1.1 系統(tǒng)建構(gòu)

將獨(dú)立梁柱體系分解為多根相距一定水平距離的垂直單元柱，并通過(guò)法蘭緊固盤(pán)系統(tǒng)和接榫梁構(gòu)成模塊化鋼束柱單元（以下簡(jiǎn)稱“束柱”）（圖1）。這一模式的思考來(lái)源于格構(gòu)柱，其形式是將兩根或兩根以上的單元柱拉開(kāi)一定距離，通過(guò)綴板或綴條連綴在一起，在相同軸向抗力條件下，強(qiáng)化整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎性能[12]。

束柱各子模塊在整體系統(tǒng)中各盡其職，單元柱為豎向受力構(gòu)件，由上旋柱、下旋柱、連接柱以及拼接綴板構(gòu)成，連接柱將上、下旋柱固定。法蘭緊固盤(pán)作為核心連接轉(zhuǎn)換部件，其內(nèi)部設(shè)置勻質(zhì)的柱孔，在不同的設(shè)計(jì)條件下，根據(jù)不同的荷載和空間需要，將不同數(shù)量的單元柱緊固于法蘭緊固盤(pán)上。接榫梁為橫向受力構(gòu)件，通過(guò)端部的放大翼緣以及中心的接榫孔和接榫腹板將其與單元柱和法蘭緊固盤(pán)連接。榫卯鎖則是將三部分構(gòu)件系統(tǒng)緊固成為整體的必要構(gòu)件（圖2）。

1.2 組合生長(zhǎng)

束柱的優(yōu)勢(shì)在于其可塑性，結(jié)構(gòu)單元的多樣組合方式使模塊適應(yīng)不同的設(shè)計(jì)條件和環(huán)境特征。從荷載強(qiáng)度的角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)梁柱系統(tǒng)的自由調(diào)配和法蘭緊固盤(pán)的疊合布置，模塊化梁柱體系具備多向連接方式，運(yùn)用結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)與變形為結(jié)構(gòu)的荷載強(qiáng)度和形態(tài)變化提供更多可能，從而提升結(jié)構(gòu)的精確性和高效性，為不同的荷載要求提供多種結(jié)構(gòu)配置方式。

從高度調(diào)控角度來(lái)講，單元柱的榫卯式插接設(shè)計(jì)將各單元柱轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化的“竹節(jié)”，并通過(guò)接榫插銷和榫卯鎖完成自鎖式結(jié)構(gòu)模式，實(shí)現(xiàn)空間高度的自由轉(zhuǎn)換（圖3）。從空間跨度角度來(lái)講，法蘭緊固盤(pán)的自由疊加和靈活調(diào)整方向的特性為空間跨度的延展提供了更多可能（圖4），通過(guò)頂部嵌入拉索為空間的形式增添了自由度（圖5a），在法蘭緊固盤(pán)上連接結(jié)構(gòu)支座，使結(jié)構(gòu)銜接桁架、空間網(wǎng)架等，塑造多種大空間形式（圖5b）。從功能復(fù)合角度來(lái)講，通過(guò)法蘭緊固盤(pán)的自由拼裝，嵌入排水立管、空調(diào)水管和消防立管等綜合設(shè)備系統(tǒng)，將管線與單元柱結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備系統(tǒng)的消隱（圖5c）。

1.3 節(jié)點(diǎn)集成

在結(jié)構(gòu)搭建這一領(lǐng)域大多采用螺栓鉚接或金屬焊接等方式對(duì)鋼結(jié)構(gòu)梁柱體系固定連接，這些方式會(huì)對(duì)梁柱結(jié)構(gòu)造成損壞，使結(jié)構(gòu)的整體剛性和荷載能力發(fā)生變化[3-4]。榫卯式構(gòu)造措施能滿足隨時(shí)拆卸與組裝的需求，使構(gòu)件之間的連接節(jié)點(diǎn)兼具操作性與藝術(shù)性。法蘭緊固盤(pán)通過(guò)插接方式將各獨(dú)立單元柱與多維度構(gòu)造梁連接，榫卯鎖由不同構(gòu)件形成。拼接通過(guò)插接和自鎖的方式完成，單元柱上、下部為對(duì)接榫，將梁緊固其中，通過(guò)榫卯鎖固定接榫梁，再插入接榫鎖，最后扣緊外扣。榫卯鎖隱藏在結(jié)構(gòu)之中，不僅起到了固定作用，同時(shí)兼顧保護(hù)作用，被稱為自鎖式構(gòu)造體系（圖6,7）。

束柱的自鎖式構(gòu)造方式所構(gòu)成的是獨(dú)立的空間系統(tǒng)。實(shí)體單元柱體向桿件的模塊化過(guò)程不再受單量度的限制，通過(guò)桿件模塊的陣列形成一定的空間效果。相對(duì)于實(shí)體單元的厚重、封閉，陣列化的桿件構(gòu)成空間更顯輕盈、通透，視覺(jué)連續(xù)性更強(qiáng)。

2 模塊化鋼束柱的力學(xué)性能

每個(gè)模塊單元都由單元柱、法蘭緊固盤(pán)、接榫梁等部件組成，相鄰的模塊通過(guò)端部的連接節(jié)點(diǎn)傳遞荷載、協(xié)調(diào)變形，使多個(gè)單元形成具有一定規(guī)模的整體結(jié)構(gòu)。若沒(méi)有可靠的結(jié)構(gòu)技術(shù)措施，模塊的拼接就會(huì)發(fā)生變形、破壞甚至倒塌，因此模塊連接節(jié)點(diǎn)對(duì)保證最終結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性起著關(guān)鍵性作用。

2.1 強(qiáng)柱弱梁

強(qiáng)柱弱梁的基本原理是結(jié)構(gòu)在受力時(shí)梁端先于柱出現(xiàn)纖維屈服但未破壞，從而提高結(jié)構(gòu)的變形能力，防止結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下倒塌[13]。

束柱通過(guò)多根單元柱的陣列均勻布置代替單根結(jié)構(gòu)柱，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)柱體的變形能力，滿足結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)剛度和承載力要求。鋼支撐束柱各部件均采用殼單元S4R。其中，“S”為通用殼單元，“4”為單元節(jié)點(diǎn)數(shù)，“R”為單元為減縮積分沙漏控制模式。這種單元為有限應(yīng)變單元，允許殼截面厚度尺寸的改變，因此它適合大應(yīng)變分析，允許殼截面泊松比不為0。在束柱上方施加500KN的載荷，在橫板上施加150KN的載荷，最大應(yīng)力出現(xiàn)在橫板與圓柱連接處，為234.3MPa，小于材料的許用應(yīng)力350Mpa。模型的變形云圖顯示最大變形為3.561mm，其運(yùn)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)需求。

2.2 強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件

節(jié)點(diǎn)是模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的重要部位，盡管節(jié)點(diǎn)的體積小，但它作為受力的關(guān)鍵點(diǎn)是連接其他鋼結(jié)構(gòu)的核心部件。節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)極為復(fù)雜，包括柱子傳來(lái)的軸壓力、彎矩和水平剪力、局部的擠壓力、梁傳遞來(lái)的彎矩和豎向剪力以及結(jié)構(gòu)處于偏心狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的局部扭矩。復(fù)雜的受力體系會(huì)給節(jié)點(diǎn)帶來(lái)一定的負(fù)擔(dān)，倘若節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度不足，可能會(huì)導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)連接失敗，影響模塊化建筑的承重能力[14-15]。因此，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)與構(gòu)件施工時(shí)，應(yīng)強(qiáng)化節(jié)點(diǎn)，保證承受力。

本研究將鑄鋼節(jié)點(diǎn)內(nèi)向轉(zhuǎn)化形成內(nèi)凹式法蘭緊固盤(pán)，該節(jié)點(diǎn)由兩個(gè)平行布置的圓形翼緣以及中心多向腹板構(gòu)成，其中腹板將翼緣相互連接形成抗剪鍵，提升抵抗剪切力破壞的極限能力，并構(gòu)成抵抗軸壓力、彎矩和水平剪力以及局部擠壓力的內(nèi)向型“鑄鋼式節(jié)點(diǎn)”。接榫梁的端部擴(kuò)大中間的腹板，延伸構(gòu)成抗剪鍵，并在抗剪鍵內(nèi)部設(shè)置榫卯插接孔，將鉸接轉(zhuǎn)換為剛性交接，使接榫梁的翼緣與腹板和單元柱相互連接，從而傳遞彎矩和剪力，使結(jié)構(gòu)更具穩(wěn)定性。在束柱的末端設(shè)置翼緣形成蓋板與法蘭緊固盤(pán)的上下面緊密貼合，在安裝時(shí)起到定位的作用，同時(shí)放大柱體的最弱部分，起到抗剪力的作用。豎向的加固懸板承受橫向剪力，與法蘭緊固盤(pán)相輔相成，加強(qiáng)了各單元柱的整體性和柱體的剛度（圖8）。

作為固定件的榫卯鎖由上、下榫銷和固定榫卯銷構(gòu)成。上、下榫銷均設(shè)置在上、下弦柱插接頭的兩個(gè)榫卯鎖卡接槽內(nèi)，通過(guò)固定榫卯銷來(lái)限制其在榫卯插接孔的位置。固定榫卯銷的豎向受力與單元柱一致，消解了軸向壓力，橫向與榫卯梁的腹板相連消減了橫向的水平剪力，榫卯鎖隱藏于法蘭緊固盤(pán)內(nèi)，消解了彎矩（圖9）。

3 模塊化鋼束柱的應(yīng)用形式

束柱具有模塊自由調(diào)配和安裝可逆性的優(yōu)勢(shì)，多樣組合方式和多向的連接模式為空間的選擇、形態(tài)的變化提供了更高的自由度。

3.1 框架組合

束柱應(yīng)用于框架體系中有兩種模式，一種是通過(guò)梁柱的自由轉(zhuǎn)換，形成形態(tài)復(fù)雜的大空間建筑（圖10）；另一種是將框架結(jié)構(gòu)建筑轉(zhuǎn)換為“類集裝箱式建筑”（圖11）?！邦惣b箱式建筑”由多個(gè)高度集成化的盒子單元構(gòu)成，每個(gè)盒子單元嵌入自鎖式束柱系統(tǒng)、設(shè)備管線以及內(nèi)外裝飾[18]。這一模式使各盒子單元形成獨(dú)立的自穩(wěn)式結(jié)構(gòu)體，箱體之間采用自鎖式連接方式，無(wú)論是拆卸還是重新安裝都非常方便，未來(lái)既可以獨(dú)立使用也可以重新組合。

1 “束柱”的成因

2 單元模塊拆解圖

3 單元柱拼接方法

4 支座與拉索的構(gòu)造形式

5 自鎖式結(jié)構(gòu)適應(yīng)性分析

3.2 空間拓展

束柱的空間拓展主要體現(xiàn)在“空間內(nèi)部重組”，當(dāng)既有大空間建筑已無(wú)法滿足現(xiàn)有功能需求時(shí)，運(yùn)用束柱體系與快速拼裝的墻體進(jìn)行空間的重組[18]，包括水平重組、垂直重組和組合重組。

大空間建筑的內(nèi)部功能轉(zhuǎn)換成為現(xiàn)階段一個(gè)熱門話題，新冠疫情期間，要求將大空間建筑轉(zhuǎn)換為方艙醫(yī)院為醫(yī)療體系提供有效支持，力爭(zhēng)低成本、短時(shí)間，解決大量輕癥患者的收治問(wèn)題，疫情結(jié)束后同樣以快速拆卸、整體回收的方式復(fù)原建筑功能[19]。束柱體系的自由拼裝和快速搭建符合臨時(shí)建筑的設(shè)計(jì)需求，可以更好地為大空間建筑的內(nèi)部功能轉(zhuǎn)換提供服務(wù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)模塊化鋼束柱體系展開(kāi)深入研究，從模塊拆分與重組、結(jié)構(gòu)合理性分析以及空間適應(yīng)性設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。首先，鋼束柱結(jié)構(gòu)體系通過(guò)自鎖式構(gòu)造形成了整體化拼裝的構(gòu)造措施，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的施工工序無(wú)需焊接與螺栓緊固，完全通過(guò)榫卯插銷的方式完成，有效提升了施工速度，降低了人工成本，實(shí)現(xiàn)了全綠色施工。其次，自鎖式鋼束柱結(jié)構(gòu)體系滿足了結(jié)構(gòu)的可拓性、形態(tài)的可調(diào)性和空間的適應(yīng)性，梁柱體系的榫卯拼接方式使建筑在完成后仍然能對(duì)結(jié)構(gòu)荷載、建筑高度進(jìn)行改造。最后，自鎖式模塊將外圍護(hù)體系與設(shè)備系統(tǒng)集成處理，從而整合多重系統(tǒng)，使鋼束柱結(jié)構(gòu)體系具備廣泛的適應(yīng)性。

6 自鎖式構(gòu)造體系的拼裝方式

7 自鎖式構(gòu)造體系的固定方式

8 法蘭緊固盤(pán)構(gòu)成原理

9 榫卯鎖工作原理

10 復(fù)雜形態(tài)下的束柱體系的高大空間建筑模擬

11 類集裝箱系統(tǒng)的搭建方法

圖片來(lái)源作者自繪

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