建筑結(jié)構(gòu)形式選擇的實踐淺論

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摘要:為厘清結(jié)構(gòu)在建筑中所起到的作用,文章以“結(jié)構(gòu)是什么”為題,從“結(jié)構(gòu)是身體”“結(jié)構(gòu)是外衣”和“結(jié)構(gòu)即建筑”三個角度,結(jié)合多個主持項目的結(jié)構(gòu)方案,推演實例與V形折板結(jié)構(gòu)、幕墻化清水磚墻、鏤空清水磚墻、空間扭板結(jié)構(gòu)和裝飾清水混凝土結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用,證明結(jié)構(gòu)不只是承載,還能滿足建筑的多樣性需要。建議結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)一步發(fā)揮創(chuàng)造力,積極參與建筑創(chuàng)作過程,共同為提升建筑品質(zhì)作出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)方案推演;V形折板結(jié)構(gòu);清水磚墻;鏤空磚墻;裝飾清水混凝土;空間扭板結(jié)構(gòu)

0引言

著名結(jié)構(gòu)藝術(shù)家約格·施萊希(JörgSchlaic)認(rèn)為:“作為結(jié)構(gòu)技術(shù)人員不應(yīng)該僅僅在技術(shù)上傾注全力,還應(yīng)該抓住一切機(jī)會努力發(fā)揮其創(chuàng)造性,為在文化領(lǐng)域的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。”[1]本文從“結(jié)構(gòu)是身體”“結(jié)構(gòu)是外衣”和“結(jié)構(gòu)即建筑”三個層面,探討筆者在項目實踐中對“結(jié)構(gòu)是什么”這個問題的認(rèn)識,以期對結(jié)構(gòu)從業(yè)者有所啟發(fā)。

1結(jié)構(gòu)是身體

1.1某幼兒園實例。1.1.1項目概況。該項目坐落于廈門市翔安區(qū)新圩鎮(zhèn),為一所12班全日制幼兒園,總建筑面積近3900m2。主體結(jié)構(gòu)為地上3層框架,總高度約11.3m,抗震等級為二級。項目為重點設(shè)防類建筑,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。建筑方案圖如圖1所示。1.1.2順應(yīng)流線的中庭布置方案。單體方案呈方盒狀,其間掏出一大一小2個圓形天井,大天井為公共活動空間,小天井內(nèi)則種樹,以引入四季的變化。方案配合階段,建筑師提出兩點需求:①為激發(fā)小朋友們的好動天性,建筑內(nèi)構(gòu)建了一種無止境追逐嬉戲的活動場景,結(jié)構(gòu)專業(yè)必須作出響應(yīng)。②由于預(yù)算限制,中庭的結(jié)構(gòu)構(gòu)件必須直接外露,希望結(jié)構(gòu)方案能夠輕巧靈動。在領(lǐng)會方案意圖的基礎(chǔ)上,筆者調(diào)整了天井直徑與圓心位置,讓洞口邊環(huán)梁(粗虛線)直接支撐于框架環(huán)梁(粗實線)之上,中庭內(nèi)圓柱自然而然的落定下來。原本影響跑動路徑的三立柱方案,也就順勢調(diào)整為圖2所示的雙立柱方案。而這種順應(yīng)流線的布置方案所帶來的問題是,必需進(jìn)一步研究該方案的結(jié)構(gòu)可行性。1.1.3“剪壓分離”的框架體系。眾所周知,常規(guī)框架體系通過梁柱節(jié)點剛接,改善了豎向荷載下柱的抗壓屈性能;且在側(cè)向荷載下,框架梁通過反彎約束住框架柱的轉(zhuǎn)動,從而提高整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度,減少了水平荷載下的變形。隨之產(chǎn)生的問題是,柱端彎矩逐層疊加增大(圖3),加之柱受彎效率遠(yuǎn)低于受壓效率,使得建筑高度越高,底部柱截面尺寸越大。因此,對本項目而言,外露圓柱也將難以輕巧纖細(xì)。為此,筆者設(shè)計了一種“剪壓分離”框架體系(圖3),其基本邏輯為:由于雙立柱分體系的面外抗側(cè)剛度遠(yuǎn)弱于周邊教室內(nèi)的主抗側(cè)力框架體系,本應(yīng)由分體系承擔(dān)的側(cè)向荷載通過樓蓋橫隔作用轉(zhuǎn)移到主抗側(cè)力體系之上。因此,分體系內(nèi)各層柱的柱端彎矩變化不大,以承壓受力為主,材料利用效率高,截面尺寸也易于統(tǒng)一。經(jīng)試算,雙立柱直徑取500mm即可滿足設(shè)計要求。為使圓柱尺寸與環(huán)梁高度相協(xié)調(diào),根據(jù)建筑專業(yè)需要,最終將柱直徑增大至600mm,結(jié)構(gòu)平面布置如圖4所示。特別需要注意的是,該體系中連接分體系與主抗側(cè)力體系間的樓蓋必須大體是剛性的,且主抗側(cè)力體系必須留有一定的承載力儲備,兩者屬于重點加強(qiáng)部位。在施工圖階段,將中庭區(qū)域樓板厚度增大到120mm,板筋雙層雙向拉通且配筋率不小于0.25%;同時適當(dāng)加大周邊框架柱的配筋。該項目已竣工并投入使用,中庭實景圖如圖5所示。

1.2某公建單體實例

1.2.1項目概況。該項目位于廈門市集美區(qū)海岸沿線,由眾多造型與功能不一的公建小單體組成。本案例為單層的配套服務(wù)點,主要功能為自行車停車棚兼小賣部,首輪方案概念圖如圖6所示。方案設(shè)計的基本理念為:干凈的板、且無梁柱感。主要需求為:①屋面為整塊平板,不能布梁,且厚度盡量輕薄;②豎向構(gòu)件均為片墻;③板上開天井,懸挑端需開洞。1.2.2結(jié)構(gòu)形式與建筑功能相統(tǒng)一不難發(fā)現(xiàn),無梁平板的平面外抗彎剛度小,開洞進(jìn)一步削弱其跨越與懸挑性能,原方案不甚合理。與建筑師溝通后,筆者調(diào)整了屋面的幾何形狀,將之上折成V形變厚度板,板厚由根部的300mm漸變至端部的150mm,以實現(xiàn)雙側(cè)對挑3.15m的需求。受限于凈矢高(僅800mm),取消了屋面洞口。結(jié)構(gòu)剖面如圖7所示。從自重下的豎向變形(圖8)可以看出,結(jié)構(gòu)縱向為兩端懸挑的雙跨V形空間折板連續(xù)梁。通過調(diào)整支撐墻體位置,控制合理挑跨比[2](懸挑距離與支撐墻體間距之比)為2.5/7.0=0.36,有效降低連續(xù)梁的峰值彎矩與最大撓度。1.2.3V形折板屋蓋的研究。結(jié)構(gòu)幾何形式變換在獲得跨越與懸挑能力的同時,其他方面的能力必然有所削弱,應(yīng)重點研究。(1)折板的屈曲問題分析常規(guī)V形折板連續(xù)梁上各斷面的拉壓力分布(圖9)可知:支座處上(兩翼)拉、下(波谷)壓,受壓區(qū)兩端被受拉區(qū)所約束,不易出現(xiàn)屈曲問題。而跨中則轉(zhuǎn)變?yōu)樯蠅合吕?受壓區(qū)一端約束一端自由,自由邊易局部失穩(wěn)導(dǎo)致側(cè)向斷裂[3],常使結(jié)構(gòu)未能達(dá)到理論承載能力。必須警惕的是,由于結(jié)構(gòu)通過斷面上的拉壓軸力與力臂共同抗彎,外荷不變的情況下,矢高降低導(dǎo)致力臂減少,使得受壓區(qū)內(nèi)力被迫增加,將導(dǎo)致低矢高的折板結(jié)構(gòu)更容易壓曲失效。鑒于上述情況,設(shè)計階段采用Midasgen軟件補(bǔ)充進(jìn)行線性有限元特征法下的屈曲分析,荷載組合取1.2D+1.4L,得到屈曲模態(tài)為整體失穩(wěn),屈曲因子λ=112,說明穩(wěn)定性具有充足的安全儲備,如圖10所示。(2)屋蓋平面內(nèi)剛度減弱問題屋蓋彎折后面外剛度提高,但面內(nèi)剛度則明顯降低,故水平橫隔作用自然減弱,使得側(cè)向力下各墻肢難以完全協(xié)同受力。因此,模型分析時屋面板采用彈性板6單元,以模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的實際內(nèi)力分布。(3)屋蓋防墜落問題豎向構(gòu)件布置時,考慮到中部片墻弱軸方向?qū)ξ菝娴募s束不足,拉長兩端的片墻以滿足整體雙向抗側(cè)力需求,并起到兼顧承托屋面板的功能,有效避免了極端情況下屋面發(fā)生墜落。該單體完成實景如圖11所示。

2結(jié)構(gòu)是外衣

2.1幕墻化的清水磚外墻

回到1.1節(jié)介紹過的幼兒園項目,建筑要求外立面采用清水燒結(jié)多孔磚砌筑,并結(jié)合內(nèi)凹、外凸和鏤圖11單體實景圖空等多種砌筑手法;要求除了窗洞口邊框外,所有主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件均不得外露,以實現(xiàn)幕墻化的清水磚外墻效果。

2.2內(nèi)外雙層填充墻體系

考慮下列因素,筆者設(shè)計了清水磚外墻+燒結(jié)多孔磚內(nèi)墻的雙層填充墻體系。(1)兼顧抗震構(gòu)造與外墻完成效果主體框架施工完成后,內(nèi)層墻采用粉煤灰燒結(jié)多孔磚先行砌筑,其內(nèi)按外層墻需要設(shè)置構(gòu)造柱及圈梁,這樣既滿足抗震構(gòu)造,也為外層墻提供了面外支點。兩者形成整體且無需考慮砌塊模數(shù)的匹配問題。(2)解決建筑防水問題根據(jù)建筑需要,外墻防水層應(yīng)完整包裹住建筑物。由于外層墻上存在大量的凹陷、突起與鏤空,無法為防水層提供相對平整的基層,通過設(shè)置內(nèi)層墻可以解決該問題。

2.3加強(qiáng)外墻穩(wěn)定性的構(gòu)造

清水磚必需在工廠定制,單塊磚尺寸為240mm×115mm×53mm,單片造價為粉煤灰燒結(jié)多孔磚的6倍左右?？紤]成本因素,外墻厚度不能太大。為保證近13m通高外墻的穩(wěn)定性,在豎向通過樓層梁上挑板進(jìn)行支撐與分隔;面外緊貼在內(nèi)墻構(gòu)造柱及圈梁上,兩者通過外層墻的水平拉墻筋進(jìn)行連接。上述措施即保證了外墻穩(wěn)定性,又實現(xiàn)了內(nèi)外雙層墻的整體性與受力協(xié)同性,同時還降低了結(jié)構(gòu)造價。最終實施方案的外墻厚度為115mm。

2.4鏤空磚墻的研究

鏤空磚墻的抗震性能與穩(wěn)定性較普通磚墻更為不利。砌塊排布時,提前考慮了水平拉墻筋的設(shè)置方案;且布置成雙層墻以保證墻體穩(wěn)定性;并設(shè)置片墻間拉結(jié)箍以提高其整體性,具體構(gòu)造如圖12所示。為研究現(xiàn)行《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[4]的高厚比驗算方法是否適用于鏤空磚墻,筆者利用Midasgen軟件,分析了典型墻體(3.38m長×3.28m高×0.24m厚)在連續(xù)性單元模型[5]下,鏤空磚墻與同尺寸磚墻的臨界屈曲荷載比值。對比兩者屈曲形態(tài),可以發(fā)現(xiàn)(圖13),驗算公式仍然適用,但必須對鏤空墻體的厚度進(jìn)行適當(dāng)折減。因此,本項目的折減系數(shù)取臨界屈曲荷載比值0.5。經(jīng)復(fù)核,雙層鏤空磚墻的穩(wěn)定性可滿足砌體規(guī)范要求。項目外墻實景見圖14,完成度達(dá)到了設(shè)計預(yù)期。

3結(jié)構(gòu)即建筑

3.1某驛站實例

3.1.1項目概況。前文1.2節(jié)提到的公建單體中,還有一個值得一提的驛站。它既是一種結(jié)構(gòu)又是一種建筑完成態(tài),單體由幾片多義的鋼筋混凝土墻構(gòu)成,這些墻既能當(dāng)支座、又能當(dāng)屋蓋,以達(dá)到一墻多用的目的。整體建筑形似三片葉子,以60°角互為支撐,每片葉子由平板在空間扭轉(zhuǎn)90°后形成,跨距約為17.5m~19.3m,且末端帶5.0m~6.5m的懸挑,方案概念圖如圖15所示。3.1.2鋼筋混凝土空間扭板結(jié)構(gòu)。考慮到建筑位于濱海環(huán)境,為減少日后維護(hù),確定采用清水鋼筋混凝土空間扭板結(jié)構(gòu)。設(shè)計采用YJK軟件整體計算,并采用Midasgen軟件進(jìn)行補(bǔ)充復(fù)核,最終確定扭板厚度為400mm。準(zhǔn)永久荷載組合下,結(jié)構(gòu)最大豎向位移出現(xiàn)在大跨區(qū)域,數(shù)值為13.44mm,約為其跨度的1/1370。換算成撓度后,結(jié)構(gòu)剛度仍有較大富余;懸挑位置的撓度亦能滿足設(shè)計要求。整體變形如圖16所示。項目圖紙已順利通過施工圖審查,但由于方案調(diào)整,本單體無緣實施落地。

3.2某住宅實例

3.2.1項目概況。項目位于福建省東山縣內(nèi),為地上兩層、地下一層的剪力墻結(jié)構(gòu)住宅。剪力墻均采用清水混凝土墻,以裝飾清水混凝土為主,其上拓印上木紋和竹紋的裝飾紋理;其余部分墻體采用飾面清水混凝土。方案建筑模型如圖17所示。3.2.2“自轉(zhuǎn)換”剪力墻結(jié)構(gòu)方案要求沿海景觀面開敞、隱私面封閉,導(dǎo)致上下層墻體交錯疊放,為滿足功能需要,筆者設(shè)計了一種“自轉(zhuǎn)換”剪力墻結(jié)構(gòu)體系。該體系的特點是,下層墻體被設(shè)計為雙向抗側(cè)支座,以保證穩(wěn)定性;上層墻體被設(shè)計為同時支撐樓、屋蓋的深梁,利用自身剛度以實現(xiàn)跨越和轉(zhuǎn)換。結(jié)構(gòu)方案的演化過程如圖18所示。3.2.3“低延性,高彈性承載力”的設(shè)計思路。結(jié)構(gòu)為兩層剪力墻結(jié)構(gòu),整體剛度大,故采用“低延性,高彈性承載力”[6]的抗震設(shè)計思路。全樓構(gòu)件按中震彈性進(jìn)行設(shè)計,中震下的結(jié)構(gòu)頂點位移極小,雙向僅為0.7mm左右。主體結(jié)構(gòu)封頂后,經(jīng)受住了2018年11月26日07時57分發(fā)生在臺灣海峽(北緯23.37度,東經(jīng)118.61度)里氏6.2級地震的考驗,未發(fā)現(xiàn)明顯損傷。3.2.4裝飾清水混凝土墻的實現(xiàn)為實現(xiàn)清水混凝土墻的裝飾紋理,將模板分為內(nèi)外雙層。外層模板為木膠合板;內(nèi)層模板采用小尺寸松木板錯縫拼接或半圓竹緊靠拼接而成,內(nèi)模拼裝完成后固定在外模之上,如圖19所示。采用該套模板方案后,清水混凝土墻能實現(xiàn)良好的紋理飾面效果,如圖20所示。目前項目已完成竣工驗收,在參建各方的共同努力下,完成度達(dá)到設(shè)計預(yù)期,如圖21所示。

4結(jié)語

本文通過多個案例,證明了結(jié)構(gòu)不應(yīng)僅被局限于支撐起建筑物的慣常需求內(nèi),還應(yīng)更加積極地參與建筑形式、空間和質(zhì)感的營造與創(chuàng)建。具體實踐過程中,結(jié)構(gòu)工程師要嘗試以結(jié)構(gòu)方案和方案內(nèi)所蘊(yùn)含的結(jié)構(gòu)邏輯來說服所有的參與方,從而保證項目能夠順利實施并高完成度落地。

作者:白若冰 單位:廈門合立道工程設(shè)計集團(tuán)股份有限公司