钢结构构件的连接设计

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

【摘要】钢铁建筑的美在于其不同寻常的跨度与精美的细部：更高、更远是人类矢志不渝的追求；暴露在外的结构表达了构造与材料的逻辑、层次和重要的外观形象。虽然由国内设计建成的众多钢结构建筑在实现大跨度方面已经驾轻就熟，但在连接方面往往呈现出手法单调或概念上的含混不清。因此笔者认为，在对钢结构建筑结构与形式进行研究的同时，有必要对连接设计的原型、设计方法与控制性原则进行系统地归纳与整理，这对于钢结构建筑形态的解读与发展不无裨益。

  【关键词】钢结构构件连接构件类型设计约束设计方法   Abstract:Thebeautyofsteelarchitectureliesinmarvelousspanandfinedetail:ourincessantdesirekeepusonseekinghigherandfarther;theexposedstructureaffectsmaterial'stectonic,logic,hierarchy,andvitalappearance.Largenumbersofexistingsteelconstructionsindicatesourproficiencyinlongspansteelarchitecturedesign,butitalwayscomeswithmonotonetypeandobscureconceptinconnection.Whilekeepingonresearchingintothestructureandformofsteelconstruction,thereisaneedtostudyandreducetheprototypesofconnection,aswellasdesignmethodsandprinciples,whichishelpfultoreadanddeveloptheformofsteel. KeyWords:SteelStructureElement,Connection,ElementType,DesignRestrict,DesignMethod   伴随着我国钢材产量的不断攀升与价格的下降，用钢来建造房屋变得越来越普遍，这不仅反映在各类方兴未艾的大跨项目中，甚至在各种中小跨度的项目里，选择钢材作为建筑材料或是装饰材料也成为了一种时尚。材料的多样性选择为建筑师提供更多表现手段的同时，也带来更多的设计要求。   尽管结构形式的选择通常是结构工程师的工作，建筑师也必须对影响结构和连接设计的因素有一定的了解；即使国内绝大多数钢连接构件的设计由制造商完成，建筑师也必须对于现代钢结构建筑结构构件的连接方法、控制性原则和导致因素有一个清醒的认识。   一、钢结构构件及特点   钢结构构件的另外一个特点是截面多样性：一方面，钢材的各向匀质性使得它可以被加工成各种形状，这与木材的各向非匀质性区别显著：同为线性结构构件，钢结构的截面多样性是木结构所无法比拟的，这也是有工字钢而没有“工字木”的原因，杆件结构中连接构件几乎全部是钢也说明了这一点；另一方面，钢结构构件的截面形状也对连接设计也产生强烈的影响。在受力范围允许的情况下，不同型钢的选择可以导致不同形式的连接。   二、连接设计受到的约束   钢材种类繁多，耐受力也不尽相同，连接设计通常受到以下因素的制约：   1．构件的来源：理论上钢结构构件或是连接构件具有任意加工性，但在各具体项目中，结构构件与连接构件总会受到现实条件的制约。有经验的设计师通常选择容易获得，方便安装的型钢，并设计出简单有效的连接方式与连接构件。   2．连接手段的限制：钢结构的施工特点之一是采用工厂加工、现场装配。这是区别于传统砌筑方式而产生大量节点的原因。各种型钢之间的连接，主要有三种手段：铆接、焊接和栓接。钢结构建筑的早期多采用铆接，施工简单但需要在构件上挖出洞口而降低了断面性能，容易在节点处产生集中应力，近来较少采用。采用焊接的节点，外观简洁而荷载传递效率连续，但施工作业要求较高。后期出现的高强度螺栓连接，同样可以达到类似焊接的强度要求，在现代钢结构中大量采用。   3．连接构件具有层级性：钢结构建筑结构体系之间存在复杂而逻辑的层级关系，在连接层面，这种层级关系反映为构件尺寸与安装先后的差异。连接的目的是实现层级转换，也是实现力由三维向二维转化、最终传递到一维构件的关键。复杂的连接通常由立体连接构件、平面连接构件组合完成。   4．连接构件所处的平面：两个线性结构构件总是处在一个平面内，该平面为构件应力的发生平面，连接构件为了有效抵抗这个平面内的应力、弯矩或剪力，常常设计在此平面内，如钢管与拉索的焊片总处在这两者构成的平面中；在多个构件的连接情况下，组合的平面构件可以与立体的受力情况相对应。   三、连接对象的原型与连接的分类   钢结构建筑的结构构建包括杆件与索两种基本类型，由此产生的连接方式可分作索与索的连接，杆件与杆件的连接，索与杆件的连接。无论平面结构或是空间结构，由于构件单体的线性特质，结构体系的复杂与否并不会导致更多类型的连接，而复杂的连接可看作由这三种基本类型组合而成。   1．索与索的连接   索在结构体系中只承受拉力，内力沿索的轴线不变，索的截面不会因长度变化而变化。其连接特点如下：   a.位于端部的连接必须通过索套来实现。（图1）   b.位于索中部的连接可由各类夹具来完成。   c.多根索的连接需要设计新的节点，根据索与索结合方式的不同而各有差异：如常见的单层或双层索结构，根据布置方式的不同又可以出现平行或辐射等形式。索网的轻质有效，迎合了人们对轻巧与透明的普遍追求。皮亚诺设计的位于意大利的BancaPopolarediLodi总部室外广场的玻璃顶（图2），受力结构由上下两组索网相互拉接而成，玻璃夹在结构中间，并由水平向的联系索加强稳定，固定于四周混凝土墙体之上，所有节点均为索－索连接，轻盈而透明的屋顶表现了索在特定场合的优势。   2．杆件与杆件的连接   杆件较索更早出现，应用也更广泛，由于杆件既可受拉也可受压，这使得杆件之间的连接设计也较索更为复杂多变。决定杆件连接设计的因素主要有以下两个方面：a．杆件之间的交角，b．杆件各自的截面形式。前者由结构体系决定，后者可以在连接设计阶段选择不同型钢或进行组合，以方便连接构件的设计。   在交角非垂直的情况下应该谨慎选择构件截面，降低节点设计难度。在柏林某信息中心（图3）的梁柱连接中，圆钢管柱被突兀地截断，然后与多块钢板焊接于工字钢梁，交接显得十分机械而僵硬。与之形成对比，赫佐格设计的汉诺威展览大厅（图4）屋顶处梁柱连接设计中，一方面，选择拉索避免了杆件间的非垂直交接；另一方面，方形钢管柱在连接处的分解与圆形变化，使其与圆形钢管梁之间的连接过渡的自然合理。   在贝聿铭设计的美秀博物馆（图5）屋顶构架中，多根杆件的立体交接没有采用常规球形节点做法，而是设计了一个多方向板式铸钢节点构件，横向钢管贯穿其间且保持截面不变，其余构件在节点处转化为钢板与节点构件用螺栓连接，从而保证了结构面与屋顶面平行，取得简洁平整的效果。如若用普通球形节点，那么庞大的节点势必使屋顶构架显得沉重，也无法反映传统木构建筑中榫卯连接的简洁，更难以取得这样的艺术效果。   3．索与杆件的连接   虽然索最符合钢材的材料性能，但由于它是只具备单向抗拉性能的柔性构件，所以索与杆件结合组成的结构体系可以取得轻盈与稳定的双重优势，如近年来在大跨领域十分流行的张拉弦结构。即使在较小跨度建筑中，索与杆件组合的方式也相当普遍。   连接设计根据索的连续与否，须采用不同的连接件以对应：位于索端部的连接，需要通过索套、螺栓、焊片一系列构件与杆件固定，此种连接程序构造简单合理，应用也十分普遍，同时可以选择索套夹焊片或是焊片夹索套两种不同的方式。如意大利热那亚旧海港的重新开发项目中（图6），索膜与杆件的连接在分别涂以灰色和白色的不同的层级中采用了上述两种方式。但也可以通过索套的特殊设计与杆件直接结合，需要注意的是焊片的省略意味着索套必须承担转化索与杆件所成角度的功能，如吉芭欧文化中心（图7）拉索与基座的连接：尺度夸张有力且旋转了一定角度的索套整合了焊片的功能，使得这一节点在此类连接中独树一帜。位于索中部的连接，可以采用索夹，索卡（少数情况下也可采用焊接的办法）来固定索与杆件的位置。汉诺威贸易交易大厅（图8）鱼腹梁中，上弦杆与下弦索的连接设计采用了索卡固定。   四、连接设计的方法   在相当一部分的钢结构建筑中，结构对于构件形式与尺寸的要求并不十分苛刻，这就给构件与连接设计带来相当大的设计余地。建筑师对于构件形式与尺寸的选择与连接设计或者说连接形式息息相关。对国内设计师而言，实际情况常常是有限的型钢选择与为数不多的成型连接构件，所以设计方法就显得尤为重要，即使这些方法或手段常常带有纯粹表现的色彩。   1.分解分解的对象是结构概念中抽象的单一构件，在实际连接中常表现为构件数量的分解或截面形式的分解。这一手法在包括了钢结构的杆件体系的连接设计中颇为常见，如悬挂结构中的受压杆常分解成几根杆的组合；柱子常分解为束柱等等。这些分解有的是出于结构受力的需要，有的仅仅是为了在构件中制造间隙，方便连接。复杂节点采用分解设计有利于提炼出连接的基本形式，从而达到简化连接概念，整合节点设计的目的。   位于美国休斯敦名为CyTwombly画廊（图9，图10）的钢结构屋顶连接设计中，大量运用了分解的概念，巧妙地将多层的屋顶结构与遮阳系统结合起来。首先是由工字钢组成的网格状遮阳结构，天窗结构悬挂在遮阳结构之下。由于受拉构件更符合钢材力学性质而尺寸较小，因此悬挂的拉杆没有分解，而钢梁受力较为复杂（受弯、剪），故尺寸较大且由一根分解作两根。整个屋顶设计逻辑清晰，与屋顶功能上的分层概念相得益彰。   2.转化截面形式的考量与尺寸的转化也是连接设计的主要问题。转化的目的是为了缩小构件截面，方便连接设计。构件截面一般可分为两大类：管状类截面（如圆钢管）及非管状类截面（如工字钢）。前者之间的连接往往需要缩小截面，如网架球节点处的缩小了的实心钢管。后者之间的连接通常对构件做简化处理，如去掉宽翼，只保留型钢的高度部分，而且常与分解设计相结合。除了改变构件截面形状外，沿垂直于构件轴线的面将构件切断后，再设计新的节点去连接也是经常使用的方法。如前面讨论过的美秀博物馆（图2）屋顶构架节点中，钢管截面的转化不仅带来连接的便利，也使得节点设计的灵活性得以体现，在表达传力的同时，利用雕塑似的造型设计将力的流动视觉化、艺术化。 3.整合整合设计立足于减少构件种类及数量，简化连接方式，强调结构形式方面的整体性，使得这类设计作品往往具有优雅的形象。这种方法有两个前提：1）各节点受力方式相同。2）结构构件截面形状类似、尺度近似。受力方式相同保证了选择相似截面的科学性，截面形式相似、尺度近似则保证了视觉的整体性。 福斯特设计的由钢和玻璃组成的英国剑桥法律系楼（图11）的外表皮，模糊了窗、墙、屋顶之间的概念，构件间的连接采用整合设计正好表达了这一思想。编织状的表皮是由许多高度极小的拱型空腹梁交织而成的结构，所有构件皆为圆形钢管焊接，整个结构显得匀质而典雅。无独有偶，OMA设计的西雅图中央图书馆（图12）的表皮设计运用了同样原理。为了达到整合的效果，整个建筑的所有表面完全由相交成菱形的工字钢组成，工字钢截面形状、尺度大小完全一致，联结方式也统一采用铆接，经过受力分析计算，在受力较大、需要加大截面高度的地方采用了两根或三根工字钢叠加完成，手法理性而又浪漫，成就了图书馆安静祥和的气氛。 结语   尽管类型可以分析归纳，方法可以分类总结，但这并不意味着设计成了教条，也不意味着获得优秀设计有了方程式。由于对钢材性能的挖掘与对形式极致的追求，导致连接设计包含了大量的技术性因素，即使这样，连接构件的设计也不应成为工程师或构件商的责任，因为技术的扎实储备始终是建筑师获得优秀连接设计的无法超越的渐进步骤。虽然符合钢材性质的连接方式（铆接、焊接、拴接）必须要遵循这些定律并在钢材的允许范围内进行设计，但是优秀的设计仍然能够找到优美的连接的形式而不会因为受到约束而产生刻板的机械产品。即使美观在各个时代的评价标准存在差异，但一种内在的、符合材料逻辑的吸引力必然会突破风格或理论的限定而达到美的真谛。   主要参考书目及文献：   [1]PeterTrebilcock,MarkLawson，ArchitecturalDesigninSteel，2003   [2]Sutherland,MasterofStructure:EngineeringToday'sBuildings,LaurenceKing,2002   [3]CateerineSlessor,Eco-TechSustainableArchitectureandHighTechnology,ThamesHudson,1997   [4]［芬兰］伊萨·皮罗宁，钢的建筑造型，高辉、陈治国、王虹译，天津大学，2004   [5]［日本］日本钢结构协会，钢结构技术总览，陈以一，傅功义译，中国建筑工业出版社，2003   [6]［德国］舒立茨等，钢及结构手册，殷福新等译，大连理工大学出版社，2004   [7]朱竞翔，约束与自由——来自现代结构先驱的启示，东南大学建筑研究所博士论文，1999   [8]王静，日本现代空间与材料表现，东南大学出版社，2005   图表来源：   图1：http://www.grimshaw-architects.com   图2：http://www.rpwf.org   图3：［德国］舒立茨等，钢及结构手册，殷福新等译，大连理工大学出版社，2004   图4：CateerineSlessor,Eco-TechSustainableArchitectureandHighTechnology,ThamesHudson,1997   图5：王静，日本现代空间与材料表现，东南大学出版社，2005   图6：RenzoPiano事务所网站   图7：［芬兰］伊萨·皮罗宁，钢的建筑造型，高辉、陈治国、王虹译，天津大学，2004   图8：［德国］舒立茨等，钢及结构手册，殷福新等译，大连理工大学出版社，2004   图9：CateerineSlessor,Eco-TechSustainableArchitectureandHighTechnology,ThamesHudson,1997   图10：CateerineSlessor,Eco-TechSustainableArchitectureandHighTechnology,ThamesHudson,1997   图11：CateerineSlessor,Eco-TechSustainableArchitectureandHighTechnology,ThamesHudson,1997   图12：a+u建筑与都市中文版002期，宁波出版社，2005