建筑结构形式选择的实践浅论

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摘要:为厘清结构在建筑中所起到的作用,文章以“结构是什么”为题,从“结构是身体”“结构是外衣”和“结构即建筑”三个角度,结合多个主持项目的结构方案,推演实例与V形折板结构、幕墙化清水砖墙、镂空清水砖墙、空间扭板结构和装饰清水混凝土结构的实际应用,证明结构不只是承载,还能满足建筑的多样性需要。建议结构工程师进一步发挥创造力,积极参与建筑创作过程,共同为提升建筑品质作出贡献。

关键词:结构方案推演;V形折板结构;清水砖墙;镂空砖墙;装饰清水混凝土;空间扭板结构

0引言

著名结构艺术家约格·施莱希(JörgSchlaic)认为:“作为结构技术人员不应该仅仅在技术上倾注全力,还应该抓住一切机会努力发挥其创造性,为在文化领域的发展作出贡献。”[1]本文从“结构是身体”“结构是外衣”和“结构即建筑”三个层面,探讨笔者在项目实践中对“结构是什么”这个问题的认识,以期对结构从业者有所启发。

1结构是身体

1.1某幼儿园实例。1.1.1项目概况。该项目坐落于厦门市翔安区新圩镇,为一所12班全日制幼儿园,总建筑面积近3900m2。主体结构为地上3层框架,总高度约11.3m,抗震等级为二级。项目为重点设防类建筑,结构重要性系数取1.1。建筑方案图如图1所示。1.1.2顺应流线的中庭布置方案。单体方案呈方盒状,其间掏出一大一小2个圆形天井,大天井为公共活动空间,小天井内则种树,以引入四季的变化。方案配合阶段,建筑师提出两点需求:①为激发小朋友们的好动天性,建筑内构建了一种无止境追逐嬉戏的活动场景,结构专业必须作出响应。②由于预算限制,中庭的结构构件必须直接外露,希望结构方案能够轻巧灵动。在领会方案意图的基础上,笔者调整了天井直径与圆心位置,让洞口边环梁(粗虚线)直接支撑于框架环梁(粗实线)之上,中庭内圆柱自然而然的落定下来。原本影响跑动路径的三立柱方案,也就顺势调整为图2所示的双立柱方案。而这种顺应流线的布置方案所带来的问题是,必需进一步研究该方案的结构可行性。1.1.3“剪压分离”的框架体系。众所周知,常规框架体系通过梁柱节点刚接,改善了竖向荷载下柱的抗压屈性能;且在侧向荷载下,框架梁通过反弯约束住框架柱的转动,从而提高整体结构的抗侧刚度,减少了水平荷载下的变形。随之产生的问题是,柱端弯矩逐层叠加增大(图3),加之柱受弯效率远低于受压效率,使得建筑高度越高,底部柱截面尺寸越大。因此,对本项目而言,外露圆柱也将难以轻巧纤细。为此,笔者设计了一种“剪压分离”框架体系(图3),其基本逻辑为:由于双立柱分体系的面外抗侧刚度远弱于周边教室内的主抗侧力框架体系,本应由分体系承担的侧向荷载通过楼盖横隔作用转移到主抗侧力体系之上。因此,分体系内各层柱的柱端弯矩变化不大,以承压受力为主,材料利用效率高,截面尺寸也易于统一。经试算,双立柱直径取500mm即可满足设计要求。为使圆柱尺寸与环梁高度相协调,根据建筑专业需要,最终将柱直径增大至600mm,结构平面布置如图4所示。特别需要注意的是,该体系中连接分体系与主抗侧力体系间的楼盖必须大体是刚性的,且主抗侧力体系必须留有一定的承载力储备,两者属于重点加强部位。在施工图阶段,将中庭区域楼板厚度增大到120mm,板筋双层双向拉通且配筋率不小于0.25%;同时适当加大周边框架柱的配筋。该项目已竣工并投入使用,中庭实景图如图5所示。

1.2某公建单体实例

1.2.1项目概况。该项目位于厦门市集美区海岸沿线,由众多造型与功能不一的公建小单体组成。本案例为单层的配套服务点,主要功能为自行车停车棚兼小卖部,首轮方案概念图如图6所示。方案设计的基本理念为:干净的板、且无梁柱感。主要需求为:①屋面为整块平板,不能布梁,且厚度尽量轻薄;②竖向构件均为片墙;③板上开天井,悬挑端需开洞。1.2.2结构形式与建筑功能相统一不难发现,无梁平板的平面外抗弯刚度小,开洞进一步削弱其跨越与悬挑性能,原方案不甚合理。与建筑师沟通后,笔者调整了屋面的几何形状,将之上折成V形变厚度板,板厚由根部的300mm渐变至端部的150mm,以实现双侧对挑3.15m的需求。受限于净矢高(仅800mm),取消了屋面洞口。结构剖面如图7所示。从自重下的竖向变形(图8)可以看出,结构纵向为两端悬挑的双跨V形空间折板连续梁。通过调整支撑墙体位置,控制合理挑跨比[2](悬挑距离与支撑墙体间距之比)为2.5/7.0=0.36,有效降低连续梁的峰值弯矩与最大挠度。1.2.3V形折板屋盖的研究。结构几何形式变换在获得跨越与悬挑能力的同时,其他方面的能力必然有所削弱,应重点研究。(1)折板的屈曲问题分析常规V形折板连续梁上各断面的拉压力分布(图9)可知:支座处上(两翼)拉、下(波谷)压,受压区两端被受拉区所约束,不易出现屈曲问题。而跨中则转变为上压下拉,受压区一端约束一端自由,自由边易局部失稳导致侧向断裂[3],常使结构未能达到理论承载能力。必须警惕的是,由于结构通过断面上的拉压轴力与力臂共同抗弯,外荷不变的情况下,矢高降低导致力臂减少,使得受压区内力被迫增加,将导致低矢高的折板结构更容易压曲失效。鉴于上述情况,设计阶段采用Midasgen软件补充进行线性有限元特征法下的屈曲分析,荷载组合取1.2D+1.4L,得到屈曲模态为整体失稳,屈曲因子λ=112,说明稳定性具有充足的安全储备,如图10所示。(2)屋盖平面内刚度减弱问题屋盖弯折后面外刚度提高,但面内刚度则明显降低,故水平横隔作用自然减弱,使得侧向力下各墙肢难以完全协同受力。因此,模型分析时屋面板采用弹性板6单元,以模拟结构在地震作用下的实际内力分布。(3)屋盖防坠落问题竖向构件布置时,考虑到中部片墙弱轴方向对屋面的约束不足,拉长两端的片墙以满足整体双向抗侧力需求,并起到兼顾承托屋面板的功能,有效避免了极端情况下屋面发生坠落。该单体完成实景如图11所示。

2结构是外衣

2.1幕墙化的清水砖外墙

回到1.1节介绍过的幼儿园项目,建筑要求外立面采用清水烧结多孔砖砌筑,并结合内凹、外凸和镂图11单体实景图空等多种砌筑手法;要求除了窗洞口边框外,所有主体结构构件均不得外露,以实现幕墙化的清水砖外墙效果。

2.2内外双层填充墙体系

考虑下列因素,笔者设计了清水砖外墙+烧结多孔砖内墙的双层填充墙体系。(1)兼顾抗震构造与外墙完成效果主体框架施工完成后,内层墙采用粉煤灰烧结多孔砖先行砌筑,其内按外层墙需要设置构造柱及圈梁,这样既满足抗震构造,也为外层墙提供了面外支点。两者形成整体且无需考虑砌块模数的匹配问题。(2)解决建筑防水问题根据建筑需要,外墙防水层应完整包裹住建筑物。由于外层墙上存在大量的凹陷、突起与镂空,无法为防水层提供相对平整的基层,通过设置内层墙可以解决该问题。

2.3加强外墙稳定性的构造

清水砖必需在工厂定制,单块砖尺寸为240mm×115mm×53mm,单片造价为粉煤灰烧结多孔砖的6倍左右。考虑成本因素,外墙厚度不能太大。为保证近13m通高外墙的稳定性,在竖向通过楼层梁上挑板进行支撑与分隔;面外紧贴在内墙构造柱及圈梁上,两者通过外层墙的水平拉墙筋进行连接。上述措施即保证了外墙稳定性,又实现了内外双层墙的整体性与受力协同性,同时还降低了结构造价。最终实施方案的外墙厚度为115mm。

2.4镂空砖墙的研究

镂空砖墙的抗震性能与稳定性较普通砖墙更为不利。砌块排布时,提前考虑了水平拉墙筋的设置方案;且布置成双层墙以保证墙体稳定性;并设置片墙间拉结箍以提高其整体性,具体构造如图12所示。为研究现行《砌体结构设计规范》[4]的高厚比验算方法是否适用于镂空砖墙,笔者利用Midasgen软件,分析了典型墙体(3.38m长×3.28m高×0.24m厚)在连续性单元模型[5]下,镂空砖墙与同尺寸砖墙的临界屈曲荷载比值。对比两者屈曲形态,可以发现(图13),验算公式仍然适用,但必须对镂空墙体的厚度进行适当折减。因此,本项目的折减系数取临界屈曲荷载比值0.5。经复核,双层镂空砖墙的稳定性可满足砌体规范要求。项目外墙实景见图14,完成度达到了设计预期。

3结构即建筑

3.1某驿站实例

3.1.1项目概况。前文1.2节提到的公建单体中,还有一个值得一提的驿站。它既是一种结构又是一种建筑完成态,单体由几片多义的钢筋混凝土墙构成,这些墙既能当支座、又能当屋盖,以达到一墙多用的目的。整体建筑形似三片叶子,以60°角互为支撑,每片叶子由平板在空间扭转90°后形成,跨距约为17.5m~19.3m,且末端带5.0m~6.5m的悬挑,方案概念图如图15所示。3.1.2钢筋混凝土空间扭板结构。考虑到建筑位于滨海环境,为减少日后维护,确定采用清水钢筋混凝土空间扭板结构。设计采用YJK软件整体计算,并采用Midasgen软件进行补充复核,最终确定扭板厚度为400mm。准永久荷载组合下,结构最大竖向位移出现在大跨区域,数值为13.44mm,约为其跨度的1/1370。换算成挠度后,结构刚度仍有较大富余;悬挑位置的挠度亦能满足设计要求。整体变形如图16所示。项目图纸已顺利通过施工图审查,但由于方案调整,本单体无缘实施落地。

3.2某住宅实例

3.2.1项目概况。项目位于福建省东山县内,为地上两层、地下一层的剪力墙结构住宅。剪力墙均采用清水混凝土墙,以装饰清水混凝土为主,其上拓印上木纹和竹纹的装饰纹理;其余部分墙体采用饰面清水混凝土。方案建筑模型如图17所示。3.2.2“自转换”剪力墙结构方案要求沿海景观面开敞、隐私面封闭,导致上下层墙体交错叠放,为满足功能需要,笔者设计了一种“自转换”剪力墙结构体系。该体系的特点是,下层墙体被设计为双向抗侧支座,以保证稳定性;上层墙体被设计为同时支撑楼、屋盖的深梁,利用自身刚度以实现跨越和转换。结构方案的演化过程如图18所示。3.2.3“低延性,高弹性承载力”的设计思路。结构为两层剪力墙结构,整体刚度大,故采用“低延性,高弹性承载力”[6]的抗震设计思路。全楼构件按中震弹性进行设计,中震下的结构顶点位移极小,双向仅为0.7mm左右。主体结构封顶后,经受住了2018年11月26日07时57分发生在台湾海峡(北纬23.37度,东经118.61度)里氏6.2级地震的考验,未发现明显损伤。3.2.4装饰清水混凝土墙的实现为实现清水混凝土墙的装饰纹理,将模板分为内外双层。外层模板为木胶合板;内层模板采用小尺寸松木板错缝拼接或半圆竹紧靠拼接而成,内模拼装完成后固定在外模之上,如图19所示。采用该套模板方案后,清水混凝土墙能实现良好的纹理饰面效果,如图20所示。目前项目已完成竣工验收,在参建各方的共同努力下,完成度达到设计预期,如图21所示。

4结语

本文通过多个案例,证明了结构不应仅被局限于支撑起建筑物的惯常需求内,还应更加积极地参与建筑形式、空间和质感的营造与创建。具体实践过程中,结构工程师要尝试以结构方案和方案内所蕴含的结构逻辑来说服所有的参与方,从而保证项目能够顺利实施并高完成度落地。

作者:白若冰 单位:厦门合立道工程设计集团股份有限公司