土木建筑网首页 > 学术活动 > 课题研究 > 基于叠合式节点连接的弹性曲弯网壳绿色施工分析

阅读 2126 次 基于叠合式节点连接的弹性曲弯网壳绿色施工分析

摘要:文章对弹性曲弯网壳两种常用施工模式包括顶升法和沉降法的各自特点分别作了深入分析井与高空散蓑等传统网壳建造方法作了横向对比,同时揭示了弹性曲弯施工这种非常规空间结构建造方式中的生态可持续发展理念。...

基于叠合式节点连接的弹性曲弯网壳绿色施工分析

方立新 宣云干 左伟生

东南大学 江苏南京210096 江苏省建筑科学研究院有限公司 江苏南京210008

1、概述

    网壳结构是曲面型的空间杆系结构,它是以杆件为基础,以一定规律组成网格按壳体结构布置的空间构架,其兼有杆系和薄壳结构的特性,结构力流均匀,具有重量轻,整体性强等优点,在各种大跨结构体系中很受关注。在网壳的建造过程中,大多数标准形态的网壳结构施工效率较高,但形体一般比较单一,体形变化不够丰富,未必能适应大跨建筑设计所需的各种平面和空间形态布置要求;因此发展各种异型网壳更受到建筑师欢迎,一般来讲,异型网壳的形态比较自由,与形态规则的网壳相比,由于存在大量的非标准单元,使得其建造效率相对较低,施工难度也相对较大,其中网壳节点的连接和建造往往成为施工关键。

    一般而言,异型网壳的节点如采用传统的连接方式将会使施工复杂化;传统网壳的节点连接方式通常为短直杆交汇型,例如板节点、焊接空心球节点、螺栓球节点、嵌人式毂式节点、卡盘螺栓节点、焊接空心鼓节点等等,这些节点类型大多适应标准化作业;而对异型空问网壳的非标准节点采用焊接作业时,则各交汇构件的定位误差必须得到更高精度的控制,而如果构件截面为圆钢管,则还须保证杆件复杂相贯线焊缝的焊接质量,作业难度较大。

    针对异型网壳的上述施工难点,近年国外开始尝试一种称为弹性曲弯施工的网壳建造方法,这是一种基于特殊节点连接方式的网壳施工模式,其节点选择了叠合式连接方式,该连接方式本质上更接近于脚手架扣件的连接特征,与传统网壳各杆件中断后再文汇于节点一处的连接方式有很大不同。然而,就使用特性而言,尽管扣件连接本身属于叠合式节点类型,但叠合式节点用于弹性曲弯网壳却并非仅仅因为其能被轻松装拆的优点,而是这种连接还能够保证相交杆件之间具有较大的转动自由度,可以使杆件在罔壳结构建造过程中受到较少的转动约束以充分适应网壳特殊的弹性曲弯施工模式从而获得所期望的结构形态,这点在销钉型叠合式节点连接中表现的更为明显,其节点转动约束比扣件连接更弱,相交杆件构成的四边形网格变形更自由。

2、建造原理

    弹性曲弯网壳除了选用叠合式节点以外,让工程师觉得异乎寻常的还有其与常规网壳截然不同的形态生成过程。弹性曲弯网壳建造流程显示了一个从平面网格变形到空间网壳的生成过程,即结构并非由大量短直杆在空间精确定位后相互连接构成的三维曲面,也并非由通长的曲杆利用叠合式节点在空中交错编织形成,实际上弹性曲弯网壳首先是采用数l0m长的通长直杆(可以由很多段杆件接长)在平面状态下通过叠合式节点纵横相交连接成平面网格,每个四边形网格单元的边长通常控制在0.5m-1.5m左右,然后选用相应施工顶升机械或施工设备将平面网格曲弯成预期形态,最后将成形后的结构周边加以支座约束并拆去施工顶升或曲弯设施从而形成自支撑承重的空间网壳。

    在上述弹性曲弯网壳中,叠合式节点对同壳自由形态的适应能力并非表现在节点定位精度要求不高而相对容易建造和施工的层面,而是反映在网壳施工过程中节点对结构曲弯变形的应变能力上,即叠合式节点能够在一定程度上释放相交杆件的转动约束从而使得网壳在曲弯建造过程中能避免构件在过大的弯曲应力下发生材料破坏或杆件折断;常规上,叠合式节点的构造十分简单,可以按生活中捆扎或编织等连接节点形式来理解,虽然弹性曲弯网壳结构的所有杆件是同步曲弯而非像竹篮那样将每根竹条依次编织到篮网中,但根据其在平面状态下的建造过程和节点连接特征的本质,弹性曲弯网壳仍可视为一种特殊的柔杆编织结构,其所谓柔杆的定义就是杆件能在弹性状态下被适当的曲弯并能继续承载。

    作为柔杆编织结构,弹性曲弯网壳在施工中所要求的杆件弹性曲弯能力与其所选材料有一定关系;例如木构件被认为是最符合弹性曲弯网壳各项技术要求的可编织柔杆,考虑到木材的易腐朽特性,金属铝型材其实具有更优良的耐久性能,其弹性曲弯性能也毫不逊色,而当前进一步的发展趋势则是充分挖掘新型复合材料的潜力,如撑竿体育运动中的复合纤维撑杆已经被国外研究人员应用于弹性曲弯网壳的实验案例中;然而,一个基本的概念需要被澄清,对中大跨建筑而言,所谓柔杆只是一个相对的概念,并不需要按日常生活经验理解材料的柔性和刚性,能够应用于弹性曲弯网壳的材料选择范围完全不必局限于上述木、铝或复合纤维杆等具有相对较低弹性模量的建筑材料,因为构件的截面尺寸比材料性质能更显著影响杆件的曲弯能力,而一般情况下中大跨建筑结构在有限网壳高度下各弹性曲弯构件的曲率并不一定大,即实际上杆件可能只是处于小曲率曲弯状态.因此即使杆件材质较硬而要使其在弹性范围内被曲弯至期望的形态也并不困难,此外,杆件还可借助各种灵活的构造设计来调整抗弯剐度以符合弹性曲弯网壳的建造要求。因此所谓弹性曲弯网壳的特殊建造原理并非建立在杆件需要绝对柔性的基础之上。

3、施工特征

    弹性曲弯施工方法并不随网壳材料的不同选择而发生变化,根据已有相关实践,其施工方法可归纳成顶升法和沉降法两种基本模式,它们展示了弹性曲弯网壳施工特征的两个不同表达方式:一个是将网壳的建造完全从脚手架支撑中解放出来,另一个则是网壳建造与脚手架支撑更紧密的结合在一起,两种模式在实现思路上形成很有意思的对比。

    顶升法施工的实例图片,可以看出整个建造过程中未用到任何脚手架支撑,仅仅借助于一些简单的施工顶升设备或机械即可完成网壳的曲弯成形,这些施工机械通常可采用移动式升降机,更简单的甚至把杆、门架或吊车都能胜任;在施工初始阶段,通长杆件以叠合式节点构成纵横连接的网格并平铺在地面,选择网格的若干控制点进行施工顶升。利用各顶升点顶升进程的控制以调整杆件的曲弯弧度从而获得所需的网壳形态,当结构形态确定后以地面支座约束网壳周边并撤去网壳跨中的顶升设施,网壳即成为自支撑空间结构;上述施工流程非常简洁,建造效率很高,不依赖满堂脚手架支撑,这点与普通网架施工中的整体顶升法很类似。但后者的网架结构在施工顶升程序中保持平面网架形态不变。与弹性曲弯网壳在顶升过程中构件必须能充分挠曲的要求有着完全不同的施工目标,因此本质上网架结构的整体顶升法与弹性曲弯网壳并无可比性:同样,在普通网壳施工中不依赖满堂脚手架支撑的悬挑法施工也与弹性曲弯网壳顶升法施工存在质的不同,在悬挑法施工中网壳顺利建造的前提是结构必须满足较高的刚度要求。为了确保悬挑施工中不变形,所有网格单元应当是三角形,而三角形网格单元恰好是弹性曲弯网壳建造过程中最不期望选用的网格构成模式。

    顶升法施工相对比,弹性曲弯网壳还可以采用沉降法建造,其建造过程类似传统网壳满堂支撑的高空散装法,但对支撑系统作了很多调整改进:英国野地博物馆的弹性曲弯网壳建造中采用的沉降法施工过程,首先需要利用支撑架设工作平台,然后在平台上将通长的杆件以叠合式节点编织成纵横交错的平面网格,最后按严格组织的施工工序拆去相关位置的脚手架支撑,让网格悬空并下垂从而形成最终的网壳形态。相比于顶升法的施工模式,沉降法能适应更复杂形态弹性曲弯网壳的生成,在提高施工安全和降低施工难度方面均获得较大改善,而网壳沉降法在搭设支撑的效率方面也远远超过传统高空散装法的满堂支架搭设效率,具体而言,以上述英国野地博物馆为例,其弹性曲弯网壳的支撑搭设选择采用了德国PERI GmbH公司的PERl支撑体系,它的安装和拆卸都比传统扣件式支撑系统要更加方便快捷。

    在弹性曲弯网壳的沉降法施工流程中PEm支撑系统的操作步骤为:

  1)首先采用PERl UP Rosett构架模块搭设支撑,构架包括竖杆和横杆,但不采用常规脚手架的扣件连接,而是竖杆上设置有菊花盘,方便横杆两端弯角插头插人以组成排架系统,在排架横杆上铺设脚手板作为施工人员工作平台。

  2)排架顶部标高位置将设置天台以完成网壳结构的初始平面网格编织工作,该天台由专用桁架粱阵列组成.各桁架梁搁人支撑排架竖杆的顶部专用叉头,以扣式叠合型节点编织完成的直杆网格将置于桁架梁阵列构成的天台上;

  3)通过依次取消天台设定位置的部分桁架粱形成缺空从而使其上直杆网格发生沉降并形成曲弯形态,为了精确控制网格沉降行程,PERl系统配置了液压撑杆设备,各沉降控制点的网壳杆件将被液压撑杆支托,在MIJlPROP额定伸缩行程的距离内自由移动:

    4)随着沉降加大,工作平台也需要不断拆空并将相应位置的PERI UP Roaett的构架横杆拆除,而MULTIPROP液压设备将随着撑杆伸缩滑移行程的加大不断改变其倾斜角度以灵活控制网壳成形所需要的沉降位置。

  在PERI系统上述操作过程中.施工模式的特殊性不仅表现在需要将平面编织网格从高台上垂降下来这样一个逆反于传统网架或阿壳的异类建造方式,还表现在网壳主体结构和支撑体系各自连接方式的变化,即被建造的结构其节点需要采用类似脚手架扣件的叠合式连接模式,而用于建造施工的支撑脚手架连接却不再依靠传统的扣件节点,这与一般常规建筑结构的施工工艺形成很有意思的对比。

4、结语

  弹性曲弯网壳的施工模式与传统网壳有着很大差别,从整个设计到建造流程来看,在建筑初始设计甚至概念设计阶段就必须充分纳入对相关施工实现途径的考量并展开详细的施工分析,否则后续环节很难建造成功;对大多数普通的建筑工程而言,施工与设计环节的关系往往被定位为一种单向制约或者被实际操作为一种非深层整合型的简单双向反馈关系,建筑师很少真正关心结构的施工,即上游设计环节并不真正融合施工因素,而弹性曲弯网壳的建造则明显的提升了各环节相互介入的深度,真正反映了施工与设计的整合,从目前的几个已建弹性曲弯网壳实例来看,建筑设计师甚至比结构工程师更关心结构的施工,因为忽视任何施工细节都有可能影响到网壳的建筑造型,例如野地博物馆弹性曲弯网壳的施工工艺就是建筑师亲自咨询多家建造公司后讨论确定的,这是一个非常值得称道的现象。

  自2003年以来,已经有多项国际性建筑大奖被授予野地博物馆等以弹性曲弯网壳形式建成的建筑,这里面值得深思的不单是施工模式的创新,如果仅从标新立异的角度来关注弹性曲弯网壳的施工是不够的,倘若单以施工的成熟和可接受程度判断,通过竖立高架平台即以沉降法建造弹性曲弯网壳未必能比网壳满堂支撑的高空散装法有很大优势,而建造完成的网壳结构在力学效率上还有所下降,但为何该建造方法不仅未成为孤例,反而被誉为可持续发展的模式而成为被复制的对象?答案是今天绿色生态观念下建筑的建造和施工评判的标准已经发生了潜移默化的改变,而弹性曲弯网壳恰好是迄今为止很少的几种可以让结构工程师能在当前现实环境下实际操作并进行真正意义上绿色建造的结构形式之一,它与传统网壳的结构效率比较是基于建筑全寿命周期来衡量的,即包括从材料生产、构件制造、结构建造乃至最终建筑被拆除等各个环节。它涉及到用可持续发展理念代替纯粹机械力学作为效率评价标准的一种观念转换,而这正是弹性曲弯网壳建造与施工创新中的魅力所在。

(本文来源:陕西省土木建筑学会  文径网络:温红娟  刘红娟  尹维维 编辑 文径 审核)