建筑結構形式選擇的實踐淺論

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摘要:為厘清結構在建筑中所起到的作用,文章以“結構是什么”為題,從“結構是身體”“結構是外衣”和“結構即建筑”三個角度,結合多個主持項目的結構方案,推演實例與V形折板結構、幕墻化清水磚墻、鏤空清水磚墻、空間扭板結構和裝飾清水混凝土結構的實際應用,證明結構不只是承載,還能滿足建筑的多樣性需要。建議結構工程師進一步發揮創造力,積極參與建筑創作過程,共同為提升建筑品質作出貢獻。

關鍵詞:結構方案推演;V形折板結構;清水磚墻;鏤空磚墻;裝飾清水混凝土;空間扭板結構

0引言

著名結構藝術家約格·施萊希(JörgSchlaic)認為:“作為結構技術人員不應該僅僅在技術上傾注全力,還應該抓住一切機會努力發揮其創造性,為在文化領域的發展作出貢獻。”[1]本文從“結構是身體”“結構是外衣”和“結構即建筑”三個層面,探討筆者在項目實踐中對“結構是什么”這個問題的認識,以期對結構從業者有所啟發。

1結構是身體

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新圩鎮,為一所12班全日制幼兒園,總建筑面積近3900m2。主體結構為地上3層框架,總高度約11.3m,抗震等級為二級。項目為重點設防類建筑,結構重要性系數取1.1。建筑方案圖如圖1所示。1.1.2順應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為激發小朋友們的好動天性,建筑內構建了一種無止境追逐嬉戲的活動場景,結構專業必須作出響應。②由于預算限制,中庭的結構構件必須直接外露,希望結構方案能夠輕巧靈動。在領會方案意圖的基礎上,筆者調整了天井直徑與圓心位置,讓洞口邊環梁(粗虛線)直接支撐于框架環梁(粗實線)之上,中庭內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,也就順勢調整為圖2所示的雙立柱方案。而這種順應流線的布置方案所帶來的問題是,必需進一步研究該方案的結構可行性。1.1.3“剪壓分離”的框架體系。眾所周知,常規框架體系通過梁柱節點剛接,改善了豎向荷載下柱的抗壓屈性能;且在側向荷載下,框架梁通過反彎約束住框架柱的轉動,從而提高整體結構的抗側剛度,減少了水平荷載下的變形。隨之產生的問題是,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。為此,筆者設計了一種“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剛度遠弱于周邊教室內的主抗側力框架體系,本應由分體系承擔的側向荷載通過樓蓋橫隔作用轉移到主抗側力體系之上。因此,分體系內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,截面尺寸也易于統一。經試算,雙立柱直徑取500mm即可滿足設計要求。為使圓柱尺寸與環梁高度相協調,根據建筑專業需要,最終將柱直徑增大至600mm,結構平面布置如圖4所示。特別需要注意的是,該體系中連接分體系與主抗側力體系間的樓蓋必須大體是剛性的,且主抗側力體系必須留有一定的承載力儲備,兩者屬于重點加強部位。在施工圖階段,將中庭區域樓板厚度增大到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豎向構件均為片墻;③板上開天井,懸挑端需開洞。1.2.2結構形式與建筑功能相統一不難發現,無梁平板的平面外抗彎剛度小,開洞進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,以實現雙側對挑3.15m的需求。受限于凈矢高(僅800mm),取消了屋面洞口。結構剖面如圖7所示。從自重下的豎向變形(圖8)可以看出,結構縱向為兩端懸挑的雙跨V形空間折板連續梁。通過調整支撐墻體位置,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,有效降低連續梁的峰值彎矩與最大撓度。1.2.3V形折板屋蓋的研究。結構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,應重點研究。(1)折板的屈曲問題分析常規V形折板連續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,受壓區兩端被受拉區所約束,不易出現屈曲問題。而跨中則轉變為上壓下拉,受壓區一端約束一端自由,自由邊易局部失穩導致側向斷裂[3],常使結構未能達到理論承載能力。必須警惕的是,由于結構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,矢高降低導致力臂減少,使得受壓區內力被迫增加,將導致低矢高的折板結構更容易壓曲失效。鑒于上述情況,設計階段采用Midasgen軟件補充進行線性有限元特征法下的屈曲分析,荷載組合取1.2D+1.4L,得到屈曲模態為整體失穩,屈曲因子λ=112,說明穩定性具有充足的安全儲備,如圖10所示。(2)屋蓋平面內剛度減弱問題屋蓋彎折后面外剛度提高,但面內剛度則明顯降低,故水平橫隔作用自然減弱,使得側向力下各墻肢難以完全協同受力。因此,模型分析時屋面板采用彈性板6單元,以模擬結構在地震作用下的實際內力分布。(3)屋蓋防墜落問題豎向構件布置時,考慮到中部片墻弱軸方向對屋面的約束不足,拉長兩端的片墻以滿足整體雙向抗側力需求,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生墜落。該單體完成實景如圖11所示。

2結構是外衣

2.1幕墻化的清水磚外墻

回到1.1節介紹過的幼兒園項目,建筑要求外立面采用清水燒結多孔磚砌筑,并結合內凹、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,所有主體結構構件均不得外露,以實現幕墻化的清水磚外墻效果。

2.2內外雙層填充墻體系

考慮下列因素,筆者設計了清水磚外墻+燒結多孔磚內墻的雙層填充墻體系。(1)兼顧抗震構造與外墻完成效果主體框架施工完成后,內層墻采用粉煤灰燒結多孔磚先行砌筑,其內按外層墻需要設置構造柱及圈梁,這樣既滿足抗震構造,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的匹配問題。(2)解決建筑防水問題根據建筑需要,外墻防水層應完整包裹住建筑物。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,通過設置內層墻可以解決該問題。

2.3加強外墻穩定性的構造

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多孔磚的6倍左右。考慮成本因素,外墻厚度不能太大。為保證近13m通高外墻的穩定性,在豎向通過樓層梁上挑板進行支撐與分隔;面外緊貼在內墻構造柱及圈梁上,兩者通過外層墻的水平拉墻筋進行連接。上述措施即保證了外墻穩定性,又實現了內外雙層墻的整體性與受力協同性,同時還降低了結構造價。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置方案;且布置成雙層墻以保證墻體穩定性;并設置片墻間拉結箍以提高其整體性,具體構造如圖12所示。為研究現行《砌體結構設計規范》[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,可以發現(圖13),驗算公式仍然適用,但必須對鏤空墻體的厚度進行適當折減。因此,本項目的折減系數取臨界屈曲荷載比值0.5。經復核,雙層鏤空磚墻的穩定性可滿足砌體規范要求。項目外墻實景見圖14,完成度達到了設計預期。

3結構即建筑

3.1某驛站實例

3.1.1項目概況。前文1.2節提到的公建單體中,還有一個值得一提的驛站。它既是一種結構又是一種建筑完成態,單體由幾片多義的鋼筋混凝土墻構成,這些墻既能當支座、又能當屋蓋,以達到一墻多用的目的。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構。考慮到建筑位于濱海環境,為減少日后維護,確定采用清水鋼筋混凝土空間扭板結構。設計采用YJK軟件整體計算,并采用Midasgen軟件進行補充復核,最終確定扭板厚度為400mm。準永久荷載組合下,結構最大豎向位移出現在大跨區域,數值為13.44mm,約為其跨度的1/1370。換算成撓度后,結構剛度仍有較大富余;懸挑位置的撓度亦能滿足設計要求。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,為地上兩層、地下一層的剪力墻結構住宅。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“自轉換”剪力墻結構方案要求沿海景觀面開敞、隱私面封閉,導致上下層墻體交錯疊放,為滿足功能需要,筆者設計了一種“自轉換”剪力墻結構體系。該體系的特點是,下層墻體被設計為雙向抗側支座,以保證穩定性;上層墻體被設計為同時支撐樓、屋蓋的深梁,利用自身剛度以實現跨越和轉換。結構方案的演化過程如圖18所示。3.2.3“低延性,高彈性承載力”的設計思路。結構為兩層剪力墻結構,整體剛度大,故采用“低延性,高彈性承載力”[6]的抗震設計思路。全樓構件按中震彈性進行設計,中震下的結構頂點位移極小,雙向僅為0.7mm左右。主體結構封頂后,經受住了2018年11月26日07時57分發生在臺灣海峽(北緯23.37度,東經118.61度)里氏6.2級地震的考驗,未發現明顯損傷。3.2.4裝飾清水混凝土墻的實現為實現清水混凝土墻的裝飾紋理,將模板分為內外雙層。外層模板為木膠合板;內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,完成度達到設計預期,如圖21所示。

4結語

本文通過多個案例,證明了結構不應僅被局限于支撐起建筑物的慣常需求內,還應更加積極地參與建筑形式、空間和質感的營造與創建。具體實踐過程中,結構工程師要嘗試以結構方案和方案內所蘊含的結構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:廈門合立道工程設計集團股份有限公司