現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接與設(shè)計(jì)

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眾所周知，“鳥(niǎo)巢”是我國(guó)第29屆奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)的主體育場(chǎng)。它是由2001年普利茨克獎(jiǎng)獲得者赫爾佐格、德梅隆與中國(guó)建筑師合作完成的。整個(gè)體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)的組件相互支撐，形成網(wǎng)格狀的構(gòu)架，外觀看上去就仿若樹(shù)枝織成的鳥(niǎo)巢，它是現(xiàn)代最先進(jìn)的完美地鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸、安裝和使用過(guò)程中的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和剛度要求，所以設(shè)計(jì)方法就顯得尤為重要，即使這些方法或手段常常帶有純粹表現(xiàn)的色彩。

　　1 分解

　　分解的對(duì)象是結(jié)構(gòu)概念中抽象的單一構(gòu)件，在實(shí)際連接中常表現(xiàn)為構(gòu)件數(shù)量的分解或截面形式的分解。這一手法在包括了鋼結(jié)構(gòu)的桿件體系的連接設(shè)計(jì)中頗為常見(jiàn)，如懸掛結(jié)構(gòu)中的受壓桿常分解成幾根桿的組合；柱子常分解為束柱等等。這些分解有的是出于結(jié)構(gòu)受力的需要，有的僅僅是為了在構(gòu)件中制造間隙，方便連接。復(fù)雜節(jié)點(diǎn)采用分解設(shè)計(jì)有利于提煉出連接的基本形式，從而達(dá)到簡(jiǎn)化連接概念，整合節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的目的。

　　2 轉(zhuǎn)化

　　截面形式的考量與尺寸的轉(zhuǎn)化也是連接設(shè)計(jì)的主要。轉(zhuǎn)化的目的是為了縮小構(gòu)件截面，方便連接設(shè)計(jì)。構(gòu)件截面一般可分為兩大類(lèi)：管狀類(lèi)截面（如圓鋼管）及非管狀類(lèi)截面（如工字鋼）。前者之間的連接往往需要縮小截面，如網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)處的縮小了的實(shí)心鋼管。后者之間的連接通常對(duì)構(gòu)件做簡(jiǎn)化處理，如去掉寬翼，只保留型鋼的高度部分，而且常與分解設(shè)計(jì)相結(jié)合。

　　3 整合

　　整合設(shè)計(jì)立足于減少構(gòu)件種類(lèi)及數(shù)量，簡(jiǎn)化連接方式，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)形式方面的整體性，使得這類(lèi)設(shè)計(jì)作品往往具有優(yōu)雅的形象。這種方法有兩個(gè)前提：①各節(jié)點(diǎn)受力方式相同。②結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面形狀類(lèi)似、尺度近似。受力方式相同保證了選擇相似截面的性，截面形式相似、尺度近似則保證了視覺(jué)的整體性。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的另外一個(gè)特點(diǎn)是截面多樣性：一方面，鋼材的各向勻質(zhì)性使得它可以被加工成各種形狀，這與木材的各向非勻質(zhì)性區(qū)別顯著：同為線(xiàn)性結(jié)構(gòu)構(gòu)件，鋼結(jié)構(gòu)的截面多樣性是木結(jié)構(gòu)所無(wú)法比擬的，這也是有工字鋼而沒(méi)有“工字木”的原因，桿件結(jié)構(gòu)中連接構(gòu)件幾乎全部是鋼也說(shuō)明了這一點(diǎn)；另一方面，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面形狀也對(duì)連接設(shè)計(jì)也產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。在受力范圍允許的情況下，不同型鋼的選擇可以導(dǎo)致不同形式的連接。鋼材種類(lèi)繁多，耐受力也不盡相同，連接設(shè)計(jì)通常受到以下因素的制約：

　　3.1 材料來(lái)源承重結(jié)構(gòu)的鋼材，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、連接方法、工作溫度等不同情況選擇其鋼號(hào)和材質(zhì)。

　　3.2 構(gòu)件的來(lái)源上鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件或是連接構(gòu)件具有任意加工性，但在各具體項(xiàng)目中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件與連接構(gòu)件總會(huì)受到現(xiàn)實(shí)條件的制約。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師通常選擇容易獲得，方便安裝的型鋼，并設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單有效的連接方式與連接構(gòu)件。

　　3.3 連接手段的限制鋼結(jié)構(gòu)的施工特點(diǎn)之一是采用工廠加工、現(xiàn)場(chǎng)裝配。這是區(qū)別于傳統(tǒng)砌筑方式而產(chǎn)生大量節(jié)點(diǎn)的原因。各種型鋼之間的連接，主要有三種手段：鉚接、焊接和栓接。鋼結(jié)構(gòu)建筑的早期多采用鉚接，施工簡(jiǎn)單但需要在構(gòu)件上挖出洞口而降低了斷面性能，容易在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生集中應(yīng)力，近來(lái)較少采用。采用焊接的節(jié)點(diǎn)，外觀簡(jiǎn)潔而荷載傳遞效率連續(xù)，但施工作業(yè)要求較高。后期出現(xiàn)的高強(qiáng)度螺栓連接，同樣可以達(dá)到類(lèi)似焊接的強(qiáng)度要求，在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中大量采用。

　　3.4 連接構(gòu)件具有層級(jí)性鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)體系之間存在復(fù)雜而邏輯的層級(jí)關(guān)系，在連接層面，這種層級(jí)關(guān)系反映為構(gòu)件尺寸與安裝先后的差異。連接的目的是實(shí)現(xiàn)層級(jí)轉(zhuǎn)換，也是實(shí)現(xiàn)力由三維向二維轉(zhuǎn)化、最終傳遞到一維構(gòu)件的關(guān)鍵。復(fù)雜的連接通常由立體連接構(gòu)件、平面連接構(gòu)件組合完成。連接構(gòu)件所處的平面在多個(gè)構(gòu)件的連接情況下，組合的平面構(gòu)件可以與立體的受力情況相對(duì)應(yīng)。鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)建包括桿件與索兩種基本類(lèi)型，由此產(chǎn)生的連接方式可分作索與索的連接，桿件與桿件的連接，索與桿件的連接。無(wú)論平面結(jié)構(gòu)或是空間結(jié)構(gòu)，由于構(gòu)件單體的線(xiàn)性特質(zhì)，結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜與否并不會(huì)導(dǎo)致更多類(lèi)型的連接，而復(fù)雜的連接可看作由這三種基本類(lèi)型組合而成。雖然符合鋼材性質(zhì)的連接方式（鉚接、焊接、拴接）必須要遵循這些定律并在鋼材的允許范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是優(yōu)秀的設(shè)計(jì)仍然能夠找到優(yōu)美的連接的形式而不會(huì)因?yàn)槭艿郊s束而產(chǎn)生刻板的機(jī)械產(chǎn)品。即使美觀在各個(gè)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)存在差異，但一種內(nèi)在的、符合材料邏輯的吸引力必然會(huì)突破風(fēng)格或限定而達(dá)到美的真諦。