采用板片構(gòu)件的裝配式木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計

羅堯治,魏 越,葛薈斌,崔京蘭

(浙江大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心,浙江 杭州 310058)

隨著工程技術(shù)的進(jìn)步與建筑藝術(shù)的發(fā)展,人們對曲面造型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的呈現(xiàn)方式開展了大量的研究[1-2],其中,木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)以其施工方便、綠色環(huán)保、輕質(zhì)美觀、抗震性好等優(yōu)點,越來越多地受到設(shè)計人員的關(guān)注[3-7]。

德國建筑師弗雷奧托提出自由曲面木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),通過對木條進(jìn)行彈性彎曲塑造了造型優(yōu)美的曲面[8]。圖1為典型的自由曲面木網(wǎng)殼工程應(yīng)用[9-10],但這類結(jié)構(gòu)的構(gòu)件加工難度較大、安裝工序較為繁瑣。文獻(xiàn)[11-13]提出可以直接采用具有曲線輪廓的平面板片構(gòu)件來建造曲面空間結(jié)構(gòu),所采用的板片構(gòu)件通過數(shù)控切割技術(shù)加工而成,所得結(jié)構(gòu)造型精度高、構(gòu)造簡潔、儲運高效且裝配施工方便。然而采用板片構(gòu)件的木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)方面研究較少,缺乏具體的設(shè)計方法。

圖1 自由曲面木網(wǎng)殼工程應(yīng)用

基于此,本文提出一種以平面木板為主要構(gòu)件的曲面造型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,從構(gòu)件、節(jié)點和布置形式方面闡明這類結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念,并制作采用板片構(gòu)件的裝配式橢球木網(wǎng)殼模型來驗證該設(shè)計方法的合理性。本文旨在為空間木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供一種新的思路。

1 采用板片構(gòu)件的木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式

采用板片構(gòu)件的裝配式木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一類以擁有曲線輪廓的平面木板為基本構(gòu)件的曲面空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),主張以簡單的平面板片建造復(fù)雜的空間曲面結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)在構(gòu)件、節(jié)點和布置形式方面與傳統(tǒng)曲面木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)不同。本節(jié)將具體介紹這類結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形式。

1.1 板片構(gòu)件

木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中采用的構(gòu)件材料包括天然木材和工程木材,其中,膠合木板是一種通過膠合技術(shù)加工而成的工程木材[14],特點是材質(zhì)均勻、強度高、外觀美觀,應(yīng)用于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中可以實現(xiàn)輕質(zhì)高強的目的。因此,板片構(gòu)件主要選用膠合木板。

板片構(gòu)件通過自身的曲線輪廓來塑造曲面結(jié)構(gòu),一般通過數(shù)控切割技術(shù)加工而成(圖2)。因此,板片構(gòu)件可根據(jù)不同的要求進(jìn)行定制化加工,如任意形式的曲線輪廓、變寬度構(gòu)件截面、木板厚度方向開槽等。板片構(gòu)件良好的加工性能還體現(xiàn)在螺栓孔加工方面,數(shù)控切割技術(shù)保證其既能夠滿足各式各樣的節(jié)點連接構(gòu)造,又具備相當(dāng)高的定位精度。

圖2 木板構(gòu)件加工過程

1.2 裝配式板式節(jié)點

本文提出一種適用于板片構(gòu)件的裝配式板式節(jié)點,該板式節(jié)點由螺栓和鋼板組成(圖3)。

圖3 裝配式板式節(jié)點連接構(gòu)造

板式節(jié)點形狀與組合角度根據(jù)板片構(gòu)件組合形式設(shè)計,通過焊接形成整體。裝配式板式節(jié)點內(nèi)嵌于木板構(gòu)件中,采用螺栓連接,具有連接美觀、設(shè)計簡單、組裝方便、靈活性強等特點。

1.3 板片構(gòu)件布置

傳統(tǒng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采用點、線方式描述網(wǎng)格,按網(wǎng)格位置布置構(gòu)件。由于板片構(gòu)件有明顯的平面特征,用傳統(tǒng)點、線的網(wǎng)格描述方式無法反映其在空間中的布置角度。因此,裝配式木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件布置采用線、面方式(圖4)。由圖4可知,對于肋環(huán)形球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)有兩種布置方式:一種為板片構(gòu)件平面指向球心,另一種為經(jīng)度方向板片豎直、緯度方向板片水平。

圖4 裝配式木網(wǎng)殼的板片布置形式

2 采用板片構(gòu)件的木網(wǎng)殼模型設(shè)計與制作

2.1 造型設(shè)計

圖5為采用板片構(gòu)件的小型橢球面木網(wǎng)殼模型,模型長跨為5 m、短跨為3.75 m、高度為2.25 m,尺寸比例與國家大劇院近似,采用肋環(huán)形網(wǎng)格劃分。其中,主結(jié)構(gòu)緯度方向網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)為6、經(jīng)度方向網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)為12。為避免頂部網(wǎng)格過密以及節(jié)點構(gòu)造過于復(fù)雜,將頂部網(wǎng)格縮格為4等分。為加強底部網(wǎng)格的強度與穩(wěn)定性,在主結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)置了兩環(huán)十字形次結(jié)構(gòu),次結(jié)構(gòu)板片構(gòu)件截面小于主結(jié)構(gòu)截面。在橢球立面的中部將網(wǎng)格斷開,構(gòu)造成門。所有板片構(gòu)件平面按照指向橢球中心的方式布置,使網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)外表面均為橢球面。

圖5 木網(wǎng)殼模型造型設(shè)計

2.2 構(gòu)件、節(jié)點設(shè)計與制作

板片構(gòu)件采用歐洲云杉膠合木材,主結(jié)構(gòu)板片厚度為20 mm,次結(jié)構(gòu)板片厚度為10 mm。構(gòu)件設(shè)計主要包括輪廓設(shè)計和螺栓孔定位兩部分。

由于該結(jié)構(gòu)主要承受豎向荷載,因此采用變寬度的板片輪廓設(shè)計:靠近支座底部受力較大,板片較寬;靠近網(wǎng)殼頂部受力較小,板片較窄。根據(jù)第2.1節(jié)確定的板片布置平面與內(nèi)外橢球面可以直接得到板片構(gòu)件輪廓線。板片構(gòu)件輪廓線的兩端向內(nèi)縮進(jìn)約24 mm以預(yù)留節(jié)點裝配空間。為配合內(nèi)嵌的裝配式板式節(jié)點,板片構(gòu)件兩端沿著厚度中心做開槽處理。

模型結(jié)構(gòu)采用M10規(guī)格306型不銹鋼螺栓連接。設(shè)置兩排螺栓孔,根據(jù)所連接板片構(gòu)件的寬度與空間傾角確定螺栓孔位置。螺栓孔設(shè)計滿足規(guī)范[15]對螺栓孔間距、端距、邊距、行距的相關(guān)構(gòu)造要求。

圖6為經(jīng)過數(shù)控切割加工得到的板片構(gòu)件。由圖6可知:板片構(gòu)件輪廓線與螺栓孔定位加工精度較高;板片構(gòu)件經(jīng)過堆疊擺放,占用空間極少,方便儲存與運輸。

節(jié)點板采用不銹鋼材,其輪廓線分別與對應(yīng)的板片輪廓線相匹配,螺栓孔位置與板片螺栓孔相吻合。主節(jié)點板完全內(nèi)嵌于木板內(nèi)部;次節(jié)點板與主結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接部分外露,與次結(jié)構(gòu)板片構(gòu)件連接部分內(nèi)嵌。

圖6 板片構(gòu)件

2.3 虛擬裝配模型

在Rhino三維設(shè)計軟件中對模型進(jìn)行模擬搭建,建立板片構(gòu)件與板式節(jié)點的三維模型(圖7),按實際設(shè)計尺寸進(jìn)行螺栓開孔,通過三維空間的組裝對設(shè)計的準(zhǔn)確性加以驗證。由圖7可知:采用本文設(shè)計方法得到的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)造型美觀,各個組成部分之間相互配合較好,螺栓孔一一對應(yīng)。

圖7 板片構(gòu)件橢球木網(wǎng)殼三維模型

3 采用板片構(gòu)件的木網(wǎng)殼模型搭建

采用板片構(gòu)件的裝配式橢球木網(wǎng)殼模型的搭建包括兩部分:主結(jié)構(gòu)板片搭建和次結(jié)構(gòu)板片搭建。模型主結(jié)構(gòu)的搭建思路為自下而上逐層搭建,按照三維模型尺寸在底平面上繪制支座輪廓,以準(zhǔn)確定位支座位置(圖8)。

圖8 支座定位

每一環(huán)主結(jié)構(gòu)的施工順序為經(jīng)度方向板片→節(jié)點→緯度方向板片,從①到⑥對稱安裝,使施工誤差最小化(圖9)。完整的主結(jié)構(gòu)施工過程如圖10所示。

圖9 主結(jié)構(gòu)搭建順序

圖10 主結(jié)構(gòu)搭建過程

在安裝次結(jié)構(gòu)之前,先將次結(jié)構(gòu)板片與次節(jié)點組裝成一體,然后按照螺栓孔位置與主結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭接(圖11)。

圖11 次結(jié)構(gòu)安裝

板片構(gòu)件連接節(jié)點傳力直觀、造型優(yōu)美、施工方便、加工與裝配精度較高,是一種簡單有效的連接構(gòu)造(圖12)。

圖12 節(jié)點連接細(xì)部圖

圖13為最終搭建完成的結(jié)構(gòu)模型。由圖13可知:采用板片構(gòu)件的裝配式橢球木網(wǎng)殼模型由膠合木板片和不銹鋼裝配式板式節(jié)點組成,整體造型優(yōu)美,局部可觀察到木板的紋理,呈現(xiàn)自然的視覺效果。該結(jié)構(gòu)依靠平面板片構(gòu)件的曲線輪廓進(jìn)行構(gòu)造,不需要折彎構(gòu)件或外加裝飾層即可較好地塑造空間曲面造型。

圖13 板片構(gòu)件橢球木網(wǎng)殼模型

4 結(jié)論及展望

本文提出了一種以平面木板為基本構(gòu)件的裝配式橢球木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)概念與設(shè)計方法,通過模型的設(shè)計與制作,驗證了這類結(jié)構(gòu)的合理性。主要結(jié)論如下:

1)木板片構(gòu)件的加工精度及制作效率較高、儲運方便。通過木板片構(gòu)件的曲線輪廓可以較好地塑造空間曲面造型。

2)裝配式板式節(jié)點構(gòu)造簡潔、傳力直觀、組裝方便,是一種有效的連接構(gòu)造方式,適宜于木板構(gòu)件的裝配式連接。

3)結(jié)構(gòu)搭建裝配化程度高、結(jié)構(gòu)整體造型優(yōu)美、成型效果好。通過模型搭建驗證了這類結(jié)構(gòu)的工程可行性,這類結(jié)構(gòu)在中小跨度空間木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中具有一定的應(yīng)用價值。

4)本文的工作旨在為裝配式木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了一種新的思路。但鑒于目前對采用板片構(gòu)件的裝配式木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)研究較少,結(jié)構(gòu)的形態(tài)設(shè)計與板片構(gòu)件布置還有待進(jìn)一步優(yōu)化,結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能尤其是穩(wěn)定性能還有待大量的數(shù)值與試驗研究。