新型参数化可变形单元体建筑结构研究与应用

徐孝源 贾慧娟 席槿雯

（金陵科技学院，江苏 南京 211100）

0 引言

目前，建筑物大多以传统的建筑结构形式为主，如砌体结构、框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构等形式，形式与结构过于单一，存在环境适应能力不强，建筑物建成后无法改变其内部或外部形态结构等不足。现代建筑行业更需要环境适应性强、施工步骤简化、建设工期短的新型建筑结构，更提倡向高端、绿色、可持续化方向发展。高品质特殊钢、高性能纤维和复合材料、3D打印金属粉末等新型结构材料不断出现，相对传统结构材料更加轻质高强，耐久性好；索膜结构、空间网壳结构快速发展，钢框架和混凝土筒体的混合结构在超高层建筑上不断应用创新。面对近年来的疫情、洪水等重大灾害，应急临时建筑物对结构的要求更高，需要结构能够高度适应建筑需求以及拥有快速拆装的施工技术。因此，具有快速拆装性能的新型建筑结构的设计理念成为当前研究的重要课题，相应的建筑也是未来建筑业发展的重点和方向。本文就新型参数化可变形单元体建筑结构及其应用进行介绍。

1 新型参数化可变形单元体建筑结构概述

1.1 新型参数化可变形单元体结构形式

针对传统的建筑体系适应环境能力弱，建筑结构可变性差，建筑无法快速临时搭建等问题，提出一种新型参数化可变形单元体建筑结构（见图1）。该结构以单元参数化板件为基础，通过板件连接方式以及改变各单元板件间连接角度，能够实现快速拆装、可折叠变形的建筑结构体系。基于单元化可变形体系，设定建筑物的单元结构形态，采用相应的建筑材料，使建筑物适应不同的环境需求，以满足建筑物的各种使用功能。此类结构根据参数化可变形单元体的快速组装，设计出可快速搭建的空间结构形式，简化施工步骤，缩短建设工期，实现建筑物快速搭建。新型参数化可变形单元体构件，基于球铰点连接进行快速组装，可通过多种搭接方式组成不同的空间结构，从而形成适用于不同环境和功能需求的建筑结构。

图1 新型参数化可变形建筑结构单元体形式

1.2 单元体变形技术方案

新型参数化可变形单元体快速拆装结构，每个单元体由单元参数化板件（见图2）、转动连接轴（见图3）及球铰点（见图4）组成。每片单元参数化板件为三角形板件，在两条边焊接直径与板件厚度相等的空心圆管，基于板件拼装角度，计算出斜边与直角边连接空心圆管的焊接位置，使两板件间的空心圆管能够相互拼接。在空心圆管之间穿插转动连接轴，转动连接轴为刚性杆件，包含转动杆和顶部圆弧形固定装置，通过穿插转动连接轴，以此达到板件间转动连接的效果，转动连接轴在承担建筑物荷载的同时也使建筑单元体能够随意变形折叠。单元体中的球铰点为球形开孔节点，基础板件首先通过刚性连接轴顶部圆弧固定装置与球铰点相连，其次用高强螺栓与球铰点上圆弧滑轨中预留的螺栓孔连接，实现单元体固定及基础板件间角度的确定。多个单元体之间通过圆形球铰点固定或焊接的方式，实现能根据不同功能需求组成形态任意、整体空间结构稳定、满足力学受力特点的建筑物。

图2 新型参数化可变形建筑结构单元体基础板件

图3 新型参数化可变形建筑结构单元体转动连接轴

图4 新型参数化可变形建筑结构单元体球铰点

1.3 新型参数化可变形单元体建筑的优势

新型参数化可变形单元体建筑充分体现新型建筑结构设计理念，顺应建筑结构发展潮流，不断朝着模块化、智能化、多样化、环保化方向突破创新，是新型建筑结构设计体系的集大成者，有着众多结构优势和广泛的应用优势。

（1）单元模块化：打破常规建筑物的固有建筑思想，将结构分为可活动的拆板单元，使建筑物实现单元化、模块化。工厂预制化生产的单元模块可以在车间进行大规模生产，而在现场进行最后的快速拼装。工作流程简单明了、施工操作容易、人员调度方便。

（2）单元参数化：基于标准的基本单元体的形式和尺寸，将单元体基础板件面积与转动轴的连接进行参数化计算。在多个单元体连接时，基本单元体面积和连接角度可调整，组成的空间结构也随之改变，提高了建筑结构实际利用率，进一步开发了建筑结构的使用功能，同时在空间中也展现出立体美感。

（3）组合多样化：建筑结构可以通过选择多个单元体进行多样化组合，搭建形成空间结构不同的建筑物，满足不同环境下的建筑需求。通过改变建筑结构内部布置，满足建筑物实际应用需求。

（4）快速拆装式：预制板件可根据建筑结构需求及环境要求自由搭建，通过特制球铰点和固定螺栓，在满足结构强度的同时，能够快速进行拆卸组装，高度实现现代化快速装配式建造。

（5）结构可变性：通过改变单元连接点的连接角度，即可实现单元板间的自由组装以及整个结构的折叠与变形，通过固定连接点即可将单元构件由可变结构转变为静定或超静定结构。

（6）持续发展性：采用装配式建筑施工工艺，将单元板件在工厂进行预制，更加精准地确定生产数量，额外的材料会被当场回收并等待再次利用。板块之间快速拼装，在减少施工时间，降低运输难度的同时，提高施工质量，加快工程进度，有效缓解人力物力资源浪费等问题。

（7）绿色环保型：单元体板件可利用太阳能板材等新兴绿色材料，同时灵活使用幕墙结构，可提高建筑内部的采光、美观程度和通透性，减少白天因日光灯、装饰灯等人工照明导致的能源浪费。

2 新型参数化可变形单元体建筑的快速拆装性能

新型参数化可变形单元体建筑具有快速拆装性能，配套了简化施工步骤节约施工时间的快速拆装施工技术。基础板件的材料从绿色、节能、环保等功能出发，自主选择。每一块三角形基础板件的空心管均通过整体建筑的设计需求确定安装位置：空心管中用转动连接轴进行穿插，使两块基础板件快速连接；转动连接轴顶部的圆弧形固定装置，通过球铰点底部的圆形开孔滑入至球铰点内部预留位置；转动连接轴顶部圆弧形面板两端预留的螺栓孔，与球铰点表面滑轨轨道两边预留的螺栓孔相互重合，最后用高强螺栓进行构件连接，完成新型参数化可变形体系建筑结构单元体的快速拼接。这样的结构可通过拆卸或再次组装高强螺栓，实现整个建筑物快拆快装的装配式优势。

建筑物内部根据各部分功能需求，自主布置建筑物层高、楼层平面设计、整体风格、空间布置等。依照建筑物周围环境、建筑物整体风格与采光需求确定窗户或幕墙安装位置，确认尺寸后进行打孔，安装膨胀螺栓固定窗体。最后制配防水浆料，在基础板件上两空心管间缝隙及与板件间缝隙进行加固涂刷处理，养护后通过防水检测，则完成建筑物安装全过程。

基于新型参数化可变形体系建筑结构单元体形式，此类建筑结构能进一步凸显单元化快拆快装建筑体系的应用潜力和优势，轻松解决在实际工程现场环境受限制、结构空间设计要求复杂、使用功能受约束时面对的不同问题。通过对基本单元体角度的计算及连接排布方式参数的调整，最终达到结构、功能、环境、美感的四者统一。

3 新型参数化可变形单元体建筑结构应用实例

3.1 空间结构应用实例

新型可变形体系建筑空间结构（见图5）中八组两两平行间距相等的参数化可变形单元体，通过转动连接轴对基本单元体折叠程度进行设计与调整，同时该结构可利用基本单元体向外延伸，横向纵向拓展外部结构搭接形式，即实现单元体服务空间的调整，完善参数化可变形建筑体系，提高整体空间的利用率，以适应不同的建筑应用环境。

图5 新型参数化可变形体系建筑结构实例——空间结构

该建筑主体结构使用空间大、可利用率高，通过自由设置内部结构，划分区域空间可用作于艺术馆、博物馆、服务中心等建筑，集中服务大批量、短时间停留人群。

3.2 大跨度屋盖结构应用实例

由新型的参数化可变形单元体组成的大跨度空间屋盖的顶部为单元体，通过球铰连接组成，在球铰点正下方加装立柱作为支撑，形成多样性大跨度屋盖形式（见图6）。

图6 新型参数化可变形体系建筑结构实例——大跨度屋盖

大跨度空间屋盖结构通过对基本单元体的参数化设计拼接，调整服务空间，使整体空间利用得当，功能分区明确，单元体长跨相连实现空间利用最大化，可用于空间需求大、可容人数多的工业厂房、体育场、车站、大型临建设施等建筑结构。

3.3 外墙结构应用实例

由新型的参数化可变形单元体组成的外墙结构如图7所示，整个建筑物既具有空间立体美感，又有轴对称的几何美感，通过进一步深化对基本单元体进行参数化设计，调整基本单元体空间位置和布局，改变单元体转动连接轴和板面材质，最终达到适应环境、满足空间美感、形式多样等需求。

图7 新型参数化可变形体系建筑结构实例——外墙结构

新型的参数化可变形外墙结构通过特定单元体模板可以组合出不同的幕墙形态，适用于工业化预制生产，批量化生产。同时通过参数化测算，使用不同新型材料和建筑幕墙能有效地控制节能、日照等因素，体现出幕墙系统对于环境因子的反馈。

4 结束语

随着建筑行业的不断创新与发展，传统建筑结构的局限与不足日益凸显，模块化、智能化、多样化、环保化的新型建筑结构设计理念为未来建筑行业的发展提供了新思路。从本文的论述可以得出以下结论：

（1）提出新型参数化可变形单元体建筑结构，通过参数化单元体的设计与调整，满足力学基础的同时，实现对建筑物整体空间与形态的灵活改变，提高整体空间的利用率。

（2）研究新型参数化可变形单元体建筑快速拆装施工技术，简化施工步骤节约施工时间，高度实现现代化可持续发展快速装配式建造。

（3）探索新型参数化可变形单元体建筑结构多样化应用方式，突出表现建筑物的灵活性、多变性，形成具有几何美感、实用功能丰富的可变单元体空间结构。