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        鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接設(shè)計(jì)
        
                                  
                    
        作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    					
        
					時(shí)間：2009-12-22 20:26:15					[收藏]
        
               
        
                
        [摘要」鋼鐵建筑的美在于其不同尋常的跨度與精美的細(xì)部：更高、更遠(yuǎn)是人類矢志不渝的追求；暴露在外的結(jié)構(gòu)表達(dá)了構(gòu)造與材料的邏輯、層次和重要的外觀形象。雖然由國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)建成的眾多鋼結(jié)構(gòu)建筑在實(shí)現(xiàn)大跨度方面已經(jīng)				
        				
        

               
        
               
          
				[摘要」鋼鐵建筑的美在于其不同尋常的跨度與精美的細(xì)部：更高、更遠(yuǎn)是人類矢志不渝的追求；暴露在外的結(jié)構(gòu)表達(dá)了構(gòu)造與材料的邏輯、層次和重要的外觀形象。雖然由國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)建成的眾多鋼結(jié)構(gòu)建筑在實(shí)現(xiàn)大跨度方面已經(jīng)駕輕就熟，但在連接方面往往呈現(xiàn)出手法單調(diào)或概念上的含混不清。因此筆者認(rèn)為，在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)與形式進(jìn)行研究的同時(shí)，有必要對(duì)連接設(shè)計(jì)的原型、設(shè)計(jì)方法與控制性原則進(jìn)行系統(tǒng)地歸納與整理，這對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑形態(tài)的解讀與發(fā)展不無裨益。 
          

          
　　「關(guān)鍵詞」鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件 連接 構(gòu)件類型 設(shè)計(jì)約束 設(shè)計(jì)方法 
          

          
　　
          
　　伴隨著我國(guó)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(guó)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(zhǎng)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)。 
          

          
　　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，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，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(guó)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(guó)休斯敦名為Cy Twombly 畫廊的鋼結(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(yáng)系統(tǒng)結(jié)合起來。首先是由工字鋼組成的網(wǎng)格狀遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)，天窗結(jié)構(gòu)懸掛在遮陽(yáng)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(guó)劍橋法律系樓的外表皮，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(yǔ) 
          

          
　　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。 
          

          
　　
                    
		  
          				
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