新型參數(shù)化可變形單元體建筑結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用

徐孝源 賈慧娟 席槿雯

（金陵科技學院，江蘇 南京 211100）

0 引言

目前，建筑物大多以傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)形式為主，如砌體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)等形式，形式與結(jié)構(gòu)過于單一，存在環(huán)境適應(yīng)能力不強，建筑物建成后無法改變其內(nèi)部或外部形態(tài)結(jié)構(gòu)等不足?，F(xiàn)代建筑行業(yè)更需要環(huán)境適應(yīng)性強、施工步驟簡化、建設(shè)工期短的新型建筑結(jié)構(gòu)，更提倡向高端、綠色、可持續(xù)化方向發(fā)展。高品質(zhì)特殊鋼、高性能纖維和復(fù)合材料、3D打印金屬粉末等新型結(jié)構(gòu)材料不斷出現(xiàn)，相對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料更加輕質(zhì)高強，耐久性好；索膜結(jié)構(gòu)、空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)快速發(fā)展，鋼框架和混凝土筒體的混合結(jié)構(gòu)在超高層建筑上不斷應(yīng)用創(chuàng)新。面對近年來的疫情、洪水等重大災(zāi)害，應(yīng)急臨時建筑物對結(jié)構(gòu)的要求更高，需要結(jié)構(gòu)能夠高度適應(yīng)建筑需求以及擁有快速拆裝的施工技術(shù)。因此，具有快速拆裝性能的新型建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念成為當前研究的重要課題，相應(yīng)的建筑也是未來建筑業(yè)發(fā)展的重點和方向。本文就新型參數(shù)化可變形單元體建筑結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用進行介紹。

1 新型參數(shù)化可變形單元體建筑結(jié)構(gòu)概述

1.1 新型參數(shù)化可變形單元體結(jié)構(gòu)形式

針對傳統(tǒng)的建筑體系適應(yīng)環(huán)境能力弱，建筑結(jié)構(gòu)可變性差，建筑無法快速臨時搭建等問題，提出一種新型參數(shù)化可變形單元體建筑結(jié)構(gòu)（見圖1）。該結(jié)構(gòu)以單元參數(shù)化板件為基礎(chǔ)，通過板件連接方式以及改變各單元板件間連接角度，能夠?qū)崿F(xiàn)快速拆裝、可折疊變形的建筑結(jié)構(gòu)體系。基于單元化可變形體系，設(shè)定建筑物的單元結(jié)構(gòu)形態(tài)，采用相應(yīng)的建筑材料，使建筑物適應(yīng)不同的環(huán)境需求，以滿足建筑物的各種使用功能。此類結(jié)構(gòu)根據(jù)參數(shù)化可變形單元體的快速組裝，設(shè)計出可快速搭建的空間結(jié)構(gòu)形式，簡化施工步驟，縮短建設(shè)工期，實現(xiàn)建筑物快速搭建。新型參數(shù)化可變形單元體構(gòu)件，基于球鉸點連接進行快速組裝，可通過多種搭接方式組成不同的空間結(jié)構(gòu)，從而形成適用于不同環(huán)境和功能需求的建筑結(jié)構(gòu)。

圖1 新型參數(shù)化可變形建筑結(jié)構(gòu)單元體形式

1.2 單元體變形技術(shù)方案

新型參數(shù)化可變形單元體快速拆裝結(jié)構(gòu)，每個單元體由單元參數(shù)化板件（見圖2）、轉(zhuǎn)動連接軸（見圖3）及球鉸點（見圖4）組成。每片單元參數(shù)化板件為三角形板件，在兩條邊焊接直徑與板件厚度相等的空心圓管，基于板件拼裝角度，計算出斜邊與直角邊連接空心圓管的焊接位置，使兩板件間的空心圓管能夠相互拼接。在空心圓管之間穿插轉(zhuǎn)動連接軸，轉(zhuǎn)動連接軸為剛性桿件，包含轉(zhuǎn)動桿和頂部圓弧形固定裝置，通過穿插轉(zhuǎn)動連接軸，以此達到板件間轉(zhuǎn)動連接的效果，轉(zhuǎn)動連接軸在承擔建筑物荷載的同時也使建筑單元體能夠隨意變形折疊。單元體中的球鉸點為球形開孔節(jié)點，基礎(chǔ)板件首先通過剛性連接軸頂部圓弧固定裝置與球鉸點相連，其次用高強螺栓與球鉸點上圓弧滑軌中預(yù)留的螺栓孔連接，實現(xiàn)單元體固定及基礎(chǔ)板件間角度的確定。多個單元體之間通過圓形球鉸點固定或焊接的方式，實現(xiàn)能根據(jù)不同功能需求組成形態(tài)任意、整體空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、滿足力學受力特點的建筑物。

圖2 新型參數(shù)化可變形建筑結(jié)構(gòu)單元體基礎(chǔ)板件

圖3 新型參數(shù)化可變形建筑結(jié)構(gòu)單元體轉(zhuǎn)動連接軸

圖4 新型參數(shù)化可變形建筑結(jié)構(gòu)單元體球鉸點

1.3 新型參數(shù)化可變形單元體建筑的優(yōu)勢

新型參數(shù)化可變形單元體建筑充分體現(xiàn)新型建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，順應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展潮流，不斷朝著模塊化、智能化、多樣化、環(huán)?；较蛲黄苿?chuàng)新，是新型建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計體系的集大成者，有著眾多結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用優(yōu)勢。

（1）單元模塊化：打破常規(guī)建筑物的固有建筑思想，將結(jié)構(gòu)分為可活動的拆板單元，使建筑物實現(xiàn)單元化、模塊化。工廠預(yù)制化生產(chǎn)的單元模塊可以在車間進行大規(guī)模生產(chǎn)，而在現(xiàn)場進行最后的快速拼裝。工作流程簡單明了、施工操作容易、人員調(diào)度方便。

（2）單元參數(shù)化：基于標準的基本單元體的形式和尺寸，將單元體基礎(chǔ)板件面積與轉(zhuǎn)動軸的連接進行參數(shù)化計算。在多個單元體連接時，基本單元體面積和連接角度可調(diào)整，組成的空間結(jié)構(gòu)也隨之改變，提高了建筑結(jié)構(gòu)實際利用率，進一步開發(fā)了建筑結(jié)構(gòu)的使用功能，同時在空間中也展現(xiàn)出立體美感。

（3）組合多樣化：建筑結(jié)構(gòu)可以通過選擇多個單元體進行多樣化組合，搭建形成空間結(jié)構(gòu)不同的建筑物，滿足不同環(huán)境下的建筑需求。通過改變建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部布置，滿足建筑物實際應(yīng)用需求。

（4）快速拆裝式：預(yù)制板件可根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)需求及環(huán)境要求自由搭建，通過特制球鉸點和固定螺栓，在滿足結(jié)構(gòu)強度的同時，能夠快速進行拆卸組裝，高度實現(xiàn)現(xiàn)代化快速裝配式建造。

（5）結(jié)構(gòu)可變性：通過改變單元連接點的連接角度，即可實現(xiàn)單元板間的自由組裝以及整個結(jié)構(gòu)的折疊與變形，通過固定連接點即可將單元構(gòu)件由可變結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o定或超靜定結(jié)構(gòu)。

（6）持續(xù)發(fā)展性：采用裝配式建筑施工工藝，將單元板件在工廠進行預(yù)制，更加精準地確定生產(chǎn)數(shù)量，額外的材料會被當場回收并等待再次利用。板塊之間快速拼裝，在減少施工時間，降低運輸難度的同時，提高施工質(zhì)量，加快工程進度，有效緩解人力物力資源浪費等問題。

（7）綠色環(huán)保型：單元體板件可利用太陽能板材等新興綠色材料，同時靈活使用幕墻結(jié)構(gòu)，可提高建筑內(nèi)部的采光、美觀程度和通透性，減少白天因日光燈、裝飾燈等人工照明導(dǎo)致的能源浪費。

2 新型參數(shù)化可變形單元體建筑的快速拆裝性能

新型參數(shù)化可變形單元體建筑具有快速拆裝性能，配套了簡化施工步驟節(jié)約施工時間的快速拆裝施工技術(shù)?；A(chǔ)板件的材料從綠色、節(jié)能、環(huán)保等功能出發(fā)，自主選擇。每一塊三角形基礎(chǔ)板件的空心管均通過整體建筑的設(shè)計需求確定安裝位置：空心管中用轉(zhuǎn)動連接軸進行穿插，使兩塊基礎(chǔ)板件快速連接；轉(zhuǎn)動連接軸頂部的圓弧形固定裝置，通過球鉸點底部的圓形開孔滑入至球鉸點內(nèi)部預(yù)留位置；轉(zhuǎn)動連接軸頂部圓弧形面板兩端預(yù)留的螺栓孔，與球鉸點表面滑軌軌道兩邊預(yù)留的螺栓孔相互重合，最后用高強螺栓進行構(gòu)件連接，完成新型參數(shù)化可變形體系建筑結(jié)構(gòu)單元體的快速拼接。這樣的結(jié)構(gòu)可通過拆卸或再次組裝高強螺栓，實現(xiàn)整個建筑物快拆快裝的裝配式優(yōu)勢。

建筑物內(nèi)部根據(jù)各部分功能需求，自主布置建筑物層高、樓層平面設(shè)計、整體風格、空間布置等。依照建筑物周圍環(huán)境、建筑物整體風格與采光需求確定窗戶或幕墻安裝位置，確認尺寸后進行打孔，安裝膨脹螺栓固定窗體。最后制配防水漿料，在基礎(chǔ)板件上兩空心管間縫隙及與板件間縫隙進行加固涂刷處理，養(yǎng)護后通過防水檢測，則完成建筑物安裝全過程。

基于新型參數(shù)化可變形體系建筑結(jié)構(gòu)單元體形式，此類建筑結(jié)構(gòu)能進一步凸顯單元化快拆快裝建筑體系的應(yīng)用潛力和優(yōu)勢，輕松解決在實際工程現(xiàn)場環(huán)境受限制、結(jié)構(gòu)空間設(shè)計要求復(fù)雜、使用功能受約束時面對的不同問題。通過對基本單元體角度的計算及連接排布方式參數(shù)的調(diào)整，最終達到結(jié)構(gòu)、功能、環(huán)境、美感的四者統(tǒng)一。

3 新型參數(shù)化可變形單元體建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用實例

3.1 空間結(jié)構(gòu)應(yīng)用實例

新型可變形體系建筑空間結(jié)構(gòu)（見圖5）中八組兩兩平行間距相等的參數(shù)化可變形單元體，通過轉(zhuǎn)動連接軸對基本單元體折疊程度進行設(shè)計與調(diào)整，同時該結(jié)構(gòu)可利用基本單元體向外延伸，橫向縱向拓展外部結(jié)構(gòu)搭接形式，即實現(xiàn)單元體服務(wù)空間的調(diào)整，完善參數(shù)化可變形建筑體系，提高整體空間的利用率，以適應(yīng)不同的建筑應(yīng)用環(huán)境。

圖5 新型參數(shù)化可變形體系建筑結(jié)構(gòu)實例——空間結(jié)構(gòu)

該建筑主體結(jié)構(gòu)使用空間大、可利用率高，通過自由設(shè)置內(nèi)部結(jié)構(gòu)，劃分區(qū)域空間可用作于藝術(shù)館、博物館、服務(wù)中心等建筑，集中服務(wù)大批量、短時間停留人群。

3.2 大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)用實例

由新型的參數(shù)化可變形單元體組成的大跨度空間屋蓋的頂部為單元體，通過球鉸連接組成，在球鉸點正下方加裝立柱作為支撐，形成多樣性大跨度屋蓋形式（見圖6）。

圖6 新型參數(shù)化可變形體系建筑結(jié)構(gòu)實例——大跨度屋蓋

大跨度空間屋蓋結(jié)構(gòu)通過對基本單元體的參數(shù)化設(shè)計拼接，調(diào)整服務(wù)空間，使整體空間利用得當，功能分區(qū)明確，單元體長跨相連實現(xiàn)空間利用最大化，可用于空間需求大、可容人數(shù)多的工業(yè)廠房、體育場、車站、大型臨建設(shè)施等建筑結(jié)構(gòu)。

3.3 外墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用實例

由新型的參數(shù)化可變形單元體組成的外墻結(jié)構(gòu)如圖7所示，整個建筑物既具有空間立體美感，又有軸對稱的幾何美感，通過進一步深化對基本單元體進行參數(shù)化設(shè)計，調(diào)整基本單元體空間位置和布局，改變單元體轉(zhuǎn)動連接軸和板面材質(zhì)，最終達到適應(yīng)環(huán)境、滿足空間美感、形式多樣等需求。

圖7 新型參數(shù)化可變形體系建筑結(jié)構(gòu)實例——外墻結(jié)構(gòu)

新型的參數(shù)化可變形外墻結(jié)構(gòu)通過特定單元體模板可以組合出不同的幕墻形態(tài)，適用于工業(yè)化預(yù)制生產(chǎn)，批量化生產(chǎn)。同時通過參數(shù)化測算，使用不同新型材料和建筑幕墻能有效地控制節(jié)能、日照等因素，體現(xiàn)出幕墻系統(tǒng)對于環(huán)境因子的反饋。

4 結(jié)束語

隨著建筑行業(yè)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)的局限與不足日益凸顯，模塊化、智能化、多樣化、環(huán)保化的新型建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理念為未來建筑行業(yè)的發(fā)展提供了新思路。從本文的論述可以得出以下結(jié)論：

（1）提出新型參數(shù)化可變形單元體建筑結(jié)構(gòu)，通過參數(shù)化單元體的設(shè)計與調(diào)整，滿足力學基礎(chǔ)的同時，實現(xiàn)對建筑物整體空間與形態(tài)的靈活改變，提高整體空間的利用率。

（2）研究新型參數(shù)化可變形單元體建筑快速拆裝施工技術(shù)，簡化施工步驟節(jié)約施工時間，高度實現(xiàn)現(xiàn)代化可持續(xù)發(fā)展快速裝配式建造。

（3）探索新型參數(shù)化可變形單元體建筑結(jié)構(gòu)多樣化應(yīng)用方式，突出表現(xiàn)建筑物的靈活性、多變性，形成具有幾何美感、實用功能豐富的可變單元體空間結(jié)構(gòu)。