模块化理念下的钢束柱结构体系设计研究＊

2021-02-17陈宇黄勇王超张龙巍

建筑技艺 2021年10期

陈宇黄勇王超张龙巍

模块化钢结构建筑是一种高度工业化的建筑，具有施工速度快、效率高、质量高、安全性高、建设周期短等优势[1-2]。节点构造是模块化钢结构建筑设计的关键，因此发掘的梁柱节点模块化系统对实现建筑装配化及确保整体性能至关重要[3-4]。辛善超、王志强对模块化建筑的连接部件进行了系统分析与研究[2]；孙瑛志等提出一种采用槽形截面钢拼接而成的模块建筑[5]；张爱林团队提出了模块化装配式桁架梁＋方钢管柱结构体系，对体系、桁架梁、方钢管柱和桁架梁柱节点及柱法兰节点进行了系统研究[6]。然而，国内外对模块化结构建筑节点构造措施的研究仍处于初始阶段[7,9]，本文通过“模块构件——连接构件——整体系统”三个层级模块系统的叠加转换、并置阵列，构建了一套由榫卯插接构成的钢束柱结构体系。

1 模块化钢束柱的体系构成

中国古建筑最早以规格化和模数化规范建筑的形制，现代建筑的模块化设计运用图解生成与转换设计解析建筑原型，形成标准化杆件、连接部件以及构成模块，并运用叠加、阵列、转换、并置等操作方法将其有效重组[10-11]。其中，装配图解生成是指通过一幅或一组图解构建整个装配体的几何结构信息，可用于说明装配体的组织结构，对装配行为起指导作用[11]。

1.1 系统建构

将独立梁柱体系分解为多根相距一定水平距离的垂直单元柱，并通过法兰紧固盘系统和接榫梁构成模块化钢束柱单元（以下简称“束柱”）（图1）。这一模式的思考来源于格构柱，其形式是将两根或两根以上的单元柱拉开一定距离，通过缀板或缀条连缀在一起，在相同轴向抗力条件下，强化整体结构构件的抗弯性能[12]。

束柱各子模块在整体系统中各尽其职，单元柱为竖向受力构件，由上旋柱、下旋柱、连接柱以及拼接缀板构成，连接柱将上、下旋柱固定。法兰紧固盘作为核心连接转换部件，其内部设置匀质的柱孔，在不同的设计条件下，根据不同的荷载和空间需要，将不同数量的单元柱紧固于法兰紧固盘上。接榫梁为横向受力构件，通过端部的放大翼缘以及中心的接榫孔和接榫腹板将其与单元柱和法兰紧固盘连接。榫卯锁则是将三部分构件系统紧固成为整体的必要构件（图2）。

1.2 组合生长

束柱的优势在于其可塑性，结构单元的多样组合方式使模块适应不同的设计条件和环境特征。从荷载强度的角度出发，通过对梁柱系统的自由调配和法兰紧固盘的叠合布置，模块化梁柱体系具备多向连接方式，运用结构的扭转与变形为结构的荷载强度和形态变化提供更多可能，从而提升结构的精确性和高效性，为不同的荷载要求提供多种结构配置方式。

从高度调控角度来讲，单元柱的榫卯式插接设计将各单元柱转换为标准化的“竹节”，并通过接榫插销和榫卯锁完成自锁式结构模式，实现空间高度的自由转换（图3）。从空间跨度角度来讲，法兰紧固盘的自由叠加和灵活调整方向的特性为空间跨度的延展提供了更多可能（图4），通过顶部嵌入拉索为空间的形式增添了自由度（图5a），在法兰紧固盘上连接结构支座，使结构衔接桁架、空间网架等，塑造多种大空间形式（图5b）。从功能复合角度来讲，通过法兰紧固盘的自由拼装，嵌入排水立管、空调水管和消防立管等综合设备系统，将管线与单元柱结合，从而实现设备系统的消隐（图5c）。

1.3 节点集成

在结构搭建这一领域大多采用螺栓铆接或金属焊接等方式对钢结构梁柱体系固定连接，这些方式会对梁柱结构造成损坏，使结构的整体刚性和荷载能力发生变化[3-4]。榫卯式构造措施能满足随时拆卸与组装的需求，使构件之间的连接节点兼具操作性与艺术性。法兰紧固盘通过插接方式将各独立单元柱与多维度构造梁连接，榫卯锁由不同构件形成。拼接通过插接和自锁的方式完成，单元柱上、下部为对接榫，将梁紧固其中，通过榫卯锁固定接榫梁，再插入接榫锁，最后扣紧外扣。榫卯锁隐藏在结构之中，不仅起到了固定作用，同时兼顾保护作用，被称为自锁式构造体系（图6,7）。

束柱的自锁式构造方式所构成的是独立的空间系统。实体单元柱体向杆件的模块化过程不再受单量度的限制，通过杆件模块的阵列形成一定的空间效果。相对于实体单元的厚重、封闭，阵列化的杆件构成空间更显轻盈、通透，视觉连续性更强。

2 模块化钢束柱的力学性能

每个模块单元都由单元柱、法兰紧固盘、接榫梁等部件组成，相邻的模块通过端部的连接节点传递荷载、协调变形，使多个单元形成具有一定规模的整体结构。若没有可靠的结构技术措施，模块的拼接就会发生变形、破坏甚至倒塌，因此模块连接节点对保证最终结构的整体性和稳定性起着关键性作用。

2.1 强柱弱梁

强柱弱梁的基本原理是结构在受力时梁端先于柱出现纤维屈服但未破坏，从而提高结构的变形能力，防止结构在强烈地震作用下倒塌[13]。

束柱通过多根单元柱的阵列均匀布置代替单根结构柱，强化结构柱体的变形能力，满足结构体系的抗侧刚度和承载力要求。钢支撑束柱各部件均采用壳单元S4R。其中，“S”为通用壳单元，“4”为单元节点数，“R”为单元为减缩积分沙漏控制模式。这种单元为有限应变单元，允许壳截面厚度尺寸的改变，因此它适合大应变分析，允许壳截面泊松比不为0。在束柱上方施加500KN的载荷，在横板上施加150KN的载荷，最大应力出现在横板与圆柱连接处，为234.3MPa，小于材料的许用应力350Mpa。模型的变形云图显示最大变形为3.561mm，其运算结果符合设计需求。

2.2 强节点弱构件

节点是模块化钢结构建筑的重要部位，尽管节点的体积小，但它作为受力的关键点是连接其他钢结构的核心部件。节点的受力状态极为复杂，包括柱子传来的轴压力、弯矩和水平剪力、局部的挤压力、梁传递来的弯矩和竖向剪力以及结构处于偏心状态时产生的局部扭矩。复杂的受力体系会给节点带来一定的负担，倘若节点强度不足，可能会导致该节点连接失败，影响模块化建筑的承重能力[14-15]。因此，进行节点与构件施工时，应强化节点，保证承受力。

本研究将铸钢节点内向转化形成内凹式法兰紧固盘，该节点由两个平行布置的圆形翼缘以及中心多向腹板构成，其中腹板将翼缘相互连接形成抗剪键，提升抵抗剪切力破坏的极限能力，并构成抵抗轴压力、弯矩和水平剪力以及局部挤压力的内向型“铸钢式节点”。接榫梁的端部扩大中间的腹板，延伸构成抗剪键，并在抗剪键内部设置榫卯插接孔，将铰接转换为刚性交接，使接榫梁的翼缘与腹板和单元柱相互连接，从而传递弯矩和剪力，使结构更具稳定性。在束柱的末端设置翼缘形成盖板与法兰紧固盘的上下面紧密贴合，在安装时起到定位的作用，同时放大柱体的最弱部分，起到抗剪力的作用。竖向的加固悬板承受横向剪力，与法兰紧固盘相辅相成，加强了各单元柱的整体性和柱体的刚度（图8）。

作为固定件的榫卯锁由上、下榫销和固定榫卯销构成。上、下榫销均设置在上、下弦柱插接头的两个榫卯锁卡接槽内，通过固定榫卯销来限制其在榫卯插接孔的位置。固定榫卯销的竖向受力与单元柱一致，消解了轴向压力，横向与榫卯梁的腹板相连消减了横向的水平剪力，榫卯锁隐藏于法兰紧固盘内，消解了弯矩（图9）。

3 模块化钢束柱的应用形式

束柱具有模块自由调配和安装可逆性的优势，多样组合方式和多向的连接模式为空间的选择、形态的变化提供了更高的自由度。

3.1 框架组合

束柱应用于框架体系中有两种模式，一种是通过梁柱的自由转换，形成形态复杂的大空间建筑（图10）；另一种是将框架结构建筑转换为“类集装箱式建筑”（图11）。“类集装箱式建筑”由多个高度集成化的盒子单元构成，每个盒子单元嵌入自锁式束柱系统、设备管线以及内外装饰[18]。这一模式使各盒子单元形成独立的自稳式结构体，箱体之间采用自锁式连接方式，无论是拆卸还是重新安装都非常方便，未来既可以独立使用也可以重新组合。

1 “束柱”的成因

2 单元模块拆解图

3 单元柱拼接方法

4 支座与拉索的构造形式

5 自锁式结构适应性分析

3.2 空间拓展

束柱的空间拓展主要体现在“空间内部重组”，当既有大空间建筑已无法满足现有功能需求时，运用束柱体系与快速拼装的墙体进行空间的重组[18]，包括水平重组、垂直重组和组合重组。

大空间建筑的内部功能转换成为现阶段一个热门话题，新冠疫情期间，要求将大空间建筑转换为方舱医院为医疗体系提供有效支持，力争低成本、短时间，解决大量轻症患者的收治问题，疫情结束后同样以快速拆卸、整体回收的方式复原建筑功能[19]。束柱体系的自由拼装和快速搭建符合临时建筑的设计需求，可以更好地为大空间建筑的内部功能转换提供服务。

4 结语

本文对模块化钢束柱体系展开深入研究，从模块拆分与重组、结构合理性分析以及空间适应性设计进行探讨。首先，钢束柱结构体系通过自锁式构造形成了整体化拼装的构造措施，结构系统的施工工序无需焊接与螺栓紧固，完全通过榫卯插销的方式完成，有效提升了施工速度，降低了人工成本，实现了全绿色施工。其次，自锁式钢束柱结构体系满足了结构的可拓性、形态的可调性和空间的适应性，梁柱体系的榫卯拼接方式使建筑在完成后仍然能对结构荷载、建筑高度进行改造。最后，自锁式模块将外围护体系与设备系统集成处理，从而整合多重系统，使钢束柱结构体系具备广泛的适应性。