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摘要：文章對(duì)彈性曲彎網(wǎng)殼兩種常用施工模式包括頂升法和沉降法的各自特點(diǎn)分別作了深入分析井與高空散蓑等傳統(tǒng)網(wǎng)殼建造方法作了橫向?qū)Ρ龋�同時(shí)揭示了彈性曲彎施工這種非常規(guī)空間結(jié)構(gòu)建造方式中的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展理念。...

基于疊合式節(jié)點(diǎn)連接的彈性曲彎網(wǎng)殼綠色施工分析

方立新　宣云干　左偉生

東南大學(xué)　江蘇南京210096　江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司　江蘇南京210008

1、概述

    網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是曲面型的空間桿系結(jié)構(gòu)，它是以桿件為基礎(chǔ)，以一定規(guī)律組成網(wǎng)格按殼體結(jié)構(gòu)布置的空間構(gòu)架，其兼有桿系和薄殼結(jié)構(gòu)的特性，結(jié)構(gòu)力流均勻，具有重量輕，整體性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在各種大跨結(jié)構(gòu)體系中很受關(guān)注。在網(wǎng)殼的建造過(guò)程中，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工效率較高，但形體一般比較單一，體形變化不夠豐富，未必能適應(yīng)大跨建筑設(shè)計(jì)所需的各種平面和空間形態(tài)布置要求；因此發(fā)展各種異型網(wǎng)殼更受到建筑師歡迎，一般來(lái)講，異型網(wǎng)殼的形態(tài)比較自由，與形態(tài)規(guī)則的網(wǎng)殼相比，由于存在大量的非標(biāo)準(zhǔn)單元，使得其建造效率相對(duì)較低，施工難度也相對(duì)較大，其中網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)的連接和建造往往成為施工關(guān)鍵。

    一般而言，異型網(wǎng)殼的節(jié)點(diǎn)如采用傳統(tǒng)的連接方式將會(huì)使施工復(fù)雜化；傳統(tǒng)網(wǎng)殼的節(jié)點(diǎn)連接方式通常為短直桿交匯型，例如板節(jié)點(diǎn)、焊接空心球節(jié)點(diǎn)、螺栓球節(jié)點(diǎn)、嵌人式轂式節(jié)點(diǎn)、卡盤(pán)螺栓節(jié)點(diǎn)、焊接空心鼓節(jié)點(diǎn)等等，這些節(jié)點(diǎn)類(lèi)型大多適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)；而對(duì)異型空問(wèn)網(wǎng)殼的非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)采用焊接作業(yè)時(shí)，則各交匯構(gòu)件的定位誤差必須得到更高精度的控制，而如果構(gòu)件截面為圓鋼管，則還須保證桿件復(fù)雜相貫線(xiàn)焊縫的焊接質(zhì)量，作業(yè)難度較大。

    針對(duì)異型網(wǎng)殼的上述施工難點(diǎn)，近年國(guó)外開(kāi)始嘗試一種稱(chēng)為彈性曲彎施工的網(wǎng)殼建造方法，這是一種基于特殊節(jié)點(diǎn)連接方式的網(wǎng)殼施工模式，其節(jié)點(diǎn)選擇了疊合式連接方式，該連接方式本質(zhì)上更接近于腳手架扣件的連接特征，與傳統(tǒng)網(wǎng)殼各桿件中斷后再文匯于節(jié)點(diǎn)一處的連接方式有很大不同。然而，就使用特性而言，盡管扣件連接本身屬于疊合式節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，但疊合式節(jié)點(diǎn)用于彈性曲彎網(wǎng)殼卻并非僅僅因?yàn)槠淠鼙惠p松裝拆的優(yōu)點(diǎn)，而是這種連接還能夠保證相交桿件之間具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，可以使桿件在罔殼結(jié)構(gòu)建造過(guò)程中受到較少的轉(zhuǎn)動(dòng)約束以充分適應(yīng)網(wǎng)殼特殊的彈性曲彎施工模式從而獲得所期望的結(jié)構(gòu)形態(tài)，這點(diǎn)在銷(xiāo)釘型疊合式節(jié)點(diǎn)連接中表現(xiàn)的更為明顯，其節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)約束比扣件連接更弱，相交桿件構(gòu)成的四邊形網(wǎng)格變形更自由。

2、建造原理

    彈性曲彎網(wǎng)殼除了選用疊合式節(jié)點(diǎn)以外，讓工程師覺(jué)得異乎尋常的還有其與常規(guī)網(wǎng)殼截然不同的形態(tài)生成過(guò)程。彈性曲彎網(wǎng)殼建造流程顯示了一個(gè)從平面網(wǎng)格變形到空間網(wǎng)殼的生成過(guò)程，即結(jié)構(gòu)并非由大量短直桿在空間精確定位后相互連接構(gòu)成的三維曲面，也并非由通長(zhǎng)的曲桿利用疊合式節(jié)點(diǎn)在空中交錯(cuò)編織形成，實(shí)際上彈性曲彎網(wǎng)殼首先是采用數(shù)l0m長(zhǎng)的通長(zhǎng)直桿(可以由很多段桿件接長(zhǎng))在平面狀態(tài)下通過(guò)疊合式節(jié)點(diǎn)縱橫相交連接成平面網(wǎng)格，每個(gè)四邊形網(wǎng)格單元的邊長(zhǎng)通常控制在0.5m-1.5m左右，然后選用相應(yīng)施工頂升機(jī)械或施工設(shè)備將平面網(wǎng)格曲彎成預(yù)期形態(tài)，最后將成形后的結(jié)構(gòu)周邊加以支座約束并拆去施工頂升或曲彎設(shè)施從而形成自支撐承重的空間網(wǎng)殼。

    在上述彈性曲彎網(wǎng)殼中，疊合式節(jié)點(diǎn)對(duì)同殼自由形態(tài)的適應(yīng)能力并非表現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)定位精度要求不高而相對(duì)容易建造和施工的層面，而是反映在網(wǎng)殼施工過(guò)程中節(jié)點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)曲彎變形的應(yīng)變能力上，即疊合式節(jié)點(diǎn)能夠在一定程度上釋放相交桿件的轉(zhuǎn)動(dòng)約束從而使得網(wǎng)殼在曲彎建造過(guò)程中能避免構(gòu)件在過(guò)大的彎曲應(yīng)力下發(fā)生材料破壞或桿件折斷；常規(guī)上，疊合式節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造十分簡(jiǎn)單，可以按生活中捆扎或編織等連接節(jié)點(diǎn)形式來(lái)理解，雖然彈性曲彎網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的所有桿件是同步曲彎而非像竹籃那樣將每根竹條依次編織到籃網(wǎng)中，但根據(jù)其在平面狀態(tài)下的建造過(guò)程和節(jié)點(diǎn)連接特征的本質(zhì)，彈性曲彎網(wǎng)殼仍可視為一種特殊的柔桿編織結(jié)構(gòu)，其所謂柔桿的定義就是桿件能在彈性狀態(tài)下被適當(dāng)?shù)那鷱澆⒛芾^續(xù)承載。

    作為柔桿編織結(jié)構(gòu)，彈性曲彎網(wǎng)殼在施工中所要求的桿件彈性曲彎能力與其所選材料有一定關(guān)系；例如木構(gòu)件被認(rèn)為是最符合彈性曲彎網(wǎng)殼各項(xiàng)技術(shù)要求的可編織柔桿，考慮到木材的易腐朽特性，金屬鋁型材其實(shí)具有更優(yōu)良的耐久性能，其彈性曲彎性能也毫不遜色，而當(dāng)前進(jìn)一步的發(fā)展趨勢(shì)則是充分挖掘新型復(fù)合材料的潛力，如撐竿體育運(yùn)動(dòng)中的復(fù)合纖維撐桿已經(jīng)被國(guó)外研究人員應(yīng)用于彈性曲彎網(wǎng)殼的實(shí)驗(yàn)案例中；然而，一個(gè)基本的概念需要被澄清，對(duì)中大跨建筑而言，所謂柔桿只是一個(gè)相對(duì)的概念，并不需要按日常生活經(jīng)驗(yàn)理解材料的柔性和剛性，能夠應(yīng)用于彈性曲彎網(wǎng)殼的材料選擇范圍完全不必局限于上述木、鋁或復(fù)合纖維桿等具有相對(duì)較低彈性模量的建筑材料，因?yàn)闃?gòu)件的截面尺寸比材料性質(zhì)能更顯著影響桿件的曲彎能力，而一般情況下中大跨建筑結(jié)構(gòu)在有限網(wǎng)殼高度下各彈性曲彎構(gòu)件的曲率并不一定大，即實(shí)際上桿件可能只是處于小曲率曲彎狀態(tài)．因此即使桿件材質(zhì)較硬而要使其在彈性范圍內(nèi)被曲彎至期望的形態(tài)也并不困難，此外，桿件還可借助各種靈活的構(gòu)造設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)整抗彎剮度以符合彈性曲彎網(wǎng)殼的建造要求。因此所謂彈性曲彎網(wǎng)殼的特殊建造原理并非建立在桿件需要絕對(duì)柔性的基礎(chǔ)之上。

3、施工特征

    彈性曲彎施工方法并不隨網(wǎng)殼材料的不同選擇而發(fā)生變化，根據(jù)已有相關(guān)實(shí)踐，其施工方法可歸納成頂升法和沉降法兩種基本模式，它們展示了彈性曲彎網(wǎng)殼施工特征的兩個(gè)不同表達(dá)方式：一個(gè)是將網(wǎng)殼的建造完全從腳手架支撐中解放出來(lái)，另一個(gè)則是網(wǎng)殼建造與腳手架支撐更緊密的結(jié)合在一起，兩種模式在實(shí)現(xiàn)思路上形成很有意思的對(duì)比。

    頂升法施工的實(shí)例圖片，可以看出整個(gè)建造過(guò)程中未用到任何腳手架支撐，僅僅借助于一些簡(jiǎn)單的施工頂升設(shè)備或機(jī)械即可完成網(wǎng)殼的曲彎成形，這些施工機(jī)械通常可采用移動(dòng)式升降機(jī)，更簡(jiǎn)單的甚至把桿、門(mén)架或吊車(chē)都能勝任；在施工初始階段，通長(zhǎng)桿件以疊合式節(jié)點(diǎn)構(gòu)成縱橫連接的網(wǎng)格并平鋪在地面，選擇網(wǎng)格的若干控制點(diǎn)進(jìn)行施工頂升。利用各頂升點(diǎn)頂升進(jìn)程的控制以調(diào)整桿件的曲彎弧度從而獲得所需的網(wǎng)殼形態(tài)，當(dāng)結(jié)構(gòu)形態(tài)確定后以地面支座約束網(wǎng)殼周邊并撤去網(wǎng)殼跨中的頂升設(shè)施，網(wǎng)殼即成為自支撐空間結(jié)構(gòu)；上述施工流程非常簡(jiǎn)潔，建造效率很高，不依賴(lài)滿(mǎn)堂腳手架支撐，這點(diǎn)與普通網(wǎng)架施工中的整體頂升法很類(lèi)似。但后者的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在施工頂升程序中保持平面網(wǎng)架形態(tài)不變。與彈性曲彎網(wǎng)殼在頂升過(guò)程中構(gòu)件必須能充分撓曲的要求有著完全不同的施工目標(biāo)，因此本質(zhì)上網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的整體頂升法與彈性曲彎網(wǎng)殼并無(wú)可比性：同樣，在普通網(wǎng)殼施工中不依賴(lài)滿(mǎn)堂腳手架支撐的懸挑法施工也與彈性曲彎網(wǎng)殼頂升法施工存在質(zhì)的不同，在懸挑法施工中網(wǎng)殼順利建造的前提是結(jié)構(gòu)必須滿(mǎn)足較高的剛度要求。為了確保懸挑施工中不變形，所有網(wǎng)格單元應(yīng)當(dāng)是三角形，而三角形網(wǎng)格單元恰好是彈性曲彎網(wǎng)殼建造過(guò)程中最不期望選用的網(wǎng)格構(gòu)成模式。

    頂升法施工相對(duì)比，彈性曲彎網(wǎng)殼還可以采用沉降法建造，其建造過(guò)程類(lèi)似傳統(tǒng)網(wǎng)殼滿(mǎn)堂支撐的高空散裝法，但對(duì)支撐系統(tǒng)作了很多調(diào)整改進(jìn)：英國(guó)野地博物館的彈性曲彎網(wǎng)殼建造中采用的沉降法施工過(guò)程，首先需要利用支撐架設(shè)工作平臺(tái)，然后在平臺(tái)上將通長(zhǎng)的桿件以疊合式節(jié)點(diǎn)編織成縱橫交錯(cuò)的平面網(wǎng)格，最后按嚴(yán)格組織的施工工序拆去相關(guān)位置的腳手架支撐，讓網(wǎng)格懸空并下垂從而形成最終的網(wǎng)殼形態(tài)。相比于頂升法的施工模式，沉降法能適應(yīng)更復(fù)雜形態(tài)彈性曲彎網(wǎng)殼的生成，在提高施工安全和降低施工難度方面均獲得較大改善，而網(wǎng)殼沉降法在搭設(shè)支撐的效率方面也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)高空散裝法的滿(mǎn)堂支架搭設(shè)效率，具體而言，以上述英國(guó)野地博物館為例，其彈性曲彎網(wǎng)殼的支撐搭設(shè)選擇采用了德國(guó)PERI GmbH公司的PERl支撐體系，它的安裝和拆卸都比傳統(tǒng)扣件式支撐系統(tǒng)要更加方便快捷。

    在彈性曲彎網(wǎng)殼的沉降法施工流程中PEm支撐系統(tǒng)的操作步驟為：

　　1)首先采用PERl UP Rosett構(gòu)架模塊搭設(shè)支撐，構(gòu)架包括豎桿和橫桿，但不采用常規(guī)腳手架的扣件連接，而是豎桿上設(shè)置有菊花盤(pán)，方便橫桿兩端彎角插頭插人以組成排架系統(tǒng)，在排架橫桿上鋪設(shè)腳手板作為施工人員工作平臺(tái)。

　　2)排架頂部標(biāo)高位置將設(shè)置天臺(tái)以完成網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的初始平面網(wǎng)格編織工作，該天臺(tái)由專(zhuān)用桁架粱陣列組成．各桁架梁擱人支撐排架豎桿的頂部專(zhuān)用叉頭，以扣式疊合型節(jié)點(diǎn)編織完成的直桿網(wǎng)格將置于桁架梁陣列構(gòu)成的天臺(tái)上；

　　3)通過(guò)依次取消天臺(tái)設(shè)定位置的部分桁架粱形成缺空從而使其上直桿網(wǎng)格發(fā)生沉降并形成曲彎形態(tài)，為了精確控制網(wǎng)格沉降行程，PERl系統(tǒng)配置了液壓撐桿設(shè)備，各沉降控制點(diǎn)的網(wǎng)殼桿件將被液壓撐桿支托，在MIJl皿PROP額定伸縮行程的距離內(nèi)自由移動(dòng)：

    4)隨著沉降加大，工作平臺(tái)也需要不斷拆空并將相應(yīng)位置的PERI UP Roaett的構(gòu)架橫桿拆除，而MULTIPROP液壓設(shè)備將隨著撐桿伸縮滑移行程的加大不斷改變其傾斜角度以靈活控制網(wǎng)殼成形所需要的沉降位置。

　　在PERI系統(tǒng)上述操作過(guò)程中．施工模式的特殊性不僅表現(xiàn)在需要將平面編織網(wǎng)格從高臺(tái)上垂降下來(lái)這樣一個(gè)逆反于傳統(tǒng)網(wǎng)架或阿殼的異類(lèi)建造方式，還表現(xiàn)在網(wǎng)殼主體結(jié)構(gòu)和支撐體系各自連接方式的變化，即被建造的結(jié)構(gòu)其節(jié)點(diǎn)需要采用類(lèi)似腳手架扣件的疊合式連接模式，而用于建造施工的支撐腳手架連接卻不再依靠傳統(tǒng)的扣件節(jié)點(diǎn)，這與一般常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)的施工工藝形成很有意思的對(duì)比。

4、結(jié)語(yǔ)

　　彈性曲彎網(wǎng)殼的施工模式與傳統(tǒng)網(wǎng)殼有著很大差別，從整個(gè)設(shè)計(jì)到建造流程來(lái)看，在建筑初始設(shè)計(jì)甚至概念設(shè)計(jì)階段就必須充分納入對(duì)相關(guān)施工實(shí)現(xiàn)途徑的考量并展開(kāi)詳細(xì)的施工分析，否則后續(xù)環(huán)節(jié)很難建造成功；對(duì)大多數(shù)普通的建筑工程而言，施工與設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的關(guān)系往往被定位為一種單向制約或者被實(shí)際操作為一種非深層整合型的簡(jiǎn)單雙向反饋關(guān)系，建筑師很少真正關(guān)心結(jié)構(gòu)的施工，即上游設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)并不真正融合施工因素，而彈性曲彎網(wǎng)殼的建造則明顯的提升了各環(huán)節(jié)相互介入的深度，真正反映了施工與設(shè)計(jì)的整合，從目前的幾個(gè)已建彈性曲彎網(wǎng)殼實(shí)例來(lái)看，建筑設(shè)計(jì)師甚至比結(jié)構(gòu)工程師更關(guān)心結(jié)構(gòu)的施工，因?yàn)楹鲆暼魏问┕ぜ?xì)節(jié)都有可能影響到網(wǎng)殼的建筑造型，例如野地博物館彈性曲彎網(wǎng)殼的施工工藝就是建筑師親自咨詢(xún)多家建造公司后討論確定的，這是一個(gè)非常值得稱(chēng)道的現(xiàn)象。

　　自2003年以來(lái)，已經(jīng)有多項(xiàng)國(guó)際性建筑大獎(jiǎng)被授予野地博物館等以彈性曲彎網(wǎng)殼形式建成的建筑，這里面值得深思的不單是施工模式的創(chuàng)新，如果僅從標(biāo)新立異的角度來(lái)關(guān)注彈性曲彎網(wǎng)殼的施工是不夠的，倘若單以施工的成熟和可接受程度判斷，通過(guò)豎立高架平臺(tái)即以沉降法建造彈性曲彎網(wǎng)殼未必能比網(wǎng)殼滿(mǎn)堂支撐的高空散裝法有很大優(yōu)勢(shì)，而建造完成的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在力學(xué)效率上還有所下降，但為何該建造方法不僅未成為孤例，反而被譽(yù)為可持續(xù)發(fā)展的模式而成為被復(fù)制的對(duì)象?答案是今天綠色生態(tài)觀念下建筑的建造和施工評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)生了潛移默化的改變，而彈性曲彎網(wǎng)殼恰好是迄今為止很少的幾種可以讓結(jié)構(gòu)工程師能在當(dāng)前現(xiàn)實(shí)環(huán)境下實(shí)際操作并進(jìn)行真正意義上綠色建造的結(jié)構(gòu)形式之一，它與傳統(tǒng)網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)效率比較是基于建筑全壽命周期來(lái)衡量的，即包括從材料生產(chǎn)、構(gòu)件制造、結(jié)構(gòu)建造乃至最終建筑被拆除等各個(gè)環(huán)節(jié)。它涉及到用可持續(xù)發(fā)展理念代替純粹機(jī)械力學(xué)作為效率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的一種觀念轉(zhuǎn)換，而這正是彈性曲彎網(wǎng)殼建造與施工創(chuàng)新中的魅力所在。

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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