模塊化理念下的鋼束柱結構體系設計研究＊

陳宇 黃勇 王超 張龍巍

模塊化鋼結構建筑是一種高度工業化的建筑，具有施工速度快、效率高、質量高、安全性高、建設周期短等優勢[1-2]。節點構造是模塊化鋼結構建筑設計的關鍵，因此發掘的梁柱節點模塊化系統對實現建筑裝配化及確保整體性能至關重要[3-4]。辛善超、王志強對模塊化建筑的連接部件進行了系統分析與研究[2]；孫瑛志等提出一種采用槽形截面鋼拼接而成的模塊建筑[5]；張愛林團隊提出了模塊化裝配式桁架梁＋方鋼管柱結構體系，對體系、桁架梁、方鋼管柱和桁架梁柱節點及柱法蘭節點進行了系統研究[6]。然而，國內外對模塊化結構建筑節點構造措施的研究仍處于初始階段[7,9]，本文通過“模塊構件——連接構件——整體系統”三個層級模塊系統的疊加轉換、并置陣列，構建了一套由榫卯插接構成的鋼束柱結構體系。

1 模塊化鋼束柱的體系構成

中國古建筑最早以規格化和模數化規范建筑的形制，現代建筑的模塊化設計運用圖解生成與轉換設計解析建筑原型，形成標準化桿件、連接部件以及構成模塊，并運用疊加、陣列、轉換、并置等操作方法將其有效重組[10-11]。其中，裝配圖解生成是指通過一幅或一組圖解構建整個裝配體的幾何結構信息，可用于說明裝配體的組織結構，對裝配行為起指導作用[11]。

1.1 系統建構

將獨立梁柱體系分解為多根相距一定水平距離的垂直單元柱，并通過法蘭緊固盤系統和接榫梁構成模塊化鋼束柱單元（以下簡稱“束柱”）（圖1）。這一模式的思考來源于格構柱，其形式是將兩根或兩根以上的單元柱拉開一定距離，通過綴板或綴條連綴在一起，在相同軸向抗力條件下，強化整體結構構件的抗彎性能[12]。

束柱各子模塊在整體系統中各盡其職，單元柱為豎向受力構件，由上旋柱、下旋柱、連接柱以及拼接綴板構成，連接柱將上、下旋柱固定。法蘭緊固盤作為核心連接轉換部件，其內部設置勻質的柱孔，在不同的設計條件下，根據不同的荷載和空間需要，將不同數量的單元柱緊固于法蘭緊固盤上。接榫梁為橫向受力構件，通過端部的放大翼緣以及中心的接榫孔和接榫腹板將其與單元柱和法蘭緊固盤連接。榫卯鎖則是將三部分構件系統緊固成為整體的必要構件（圖2）。

1.2 組合生長

束柱的優勢在于其可塑性，結構單元的多樣組合方式使模塊適應不同的設計條件和環境特征。從荷載強度的角度出發，通過對梁柱系統的自由調配和法蘭緊固盤的疊合布置，模塊化梁柱體系具備多向連接方式，運用結構的扭轉與變形為結構的荷載強度和形態變化提供更多可能，從而提升結構的精確性和高效性，為不同的荷載要求提供多種結構配置方式。

從高度調控角度來講，單元柱的榫卯式插接設計將各單元柱轉換為標準化的“竹節”，并通過接榫插銷和榫卯鎖完成自鎖式結構模式，實現空間高度的自由轉換（圖3）。從空間跨度角度來講，法蘭緊固盤的自由疊加和靈活調整方向的特性為空間跨度的延展提供了更多可能（圖4），通過頂部嵌入拉索為空間的形式增添了自由度（圖5a），在法蘭緊固盤上連接結構支座，使結構銜接桁架、空間網架等，塑造多種大空間形式（圖5b）。從功能復合角度來講，通過法蘭緊固盤的自由拼裝，嵌入排水立管、空調水管和消防立管等綜合設備系統，將管線與單元柱結合，從而實現設備系統的消隱（圖5c）。

1.3 節點集成

在結構搭建這一領域大多采用螺栓鉚接或金屬焊接等方式對鋼結構梁柱體系固定連接，這些方式會對梁柱結構造成損壞，使結構的整體剛性和荷載能力發生變化[3-4]。榫卯式構造措施能滿足隨時拆卸與組裝的需求，使構件之間的連接節點兼具操作性與藝術性。法蘭緊固盤通過插接方式將各獨立單元柱與多維度構造梁連接，榫卯鎖由不同構件形成。拼接通過插接和自鎖的方式完成，單元柱上、下部為對接榫，將梁緊固其中，通過榫卯鎖固定接榫梁，再插入接榫鎖，最后扣緊外扣。榫卯鎖隱藏在結構之中，不僅起到了固定作用，同時兼顧保護作用，被稱為自鎖式構造體系（圖6,7）。

束柱的自鎖式構造方式所構成的是獨立的空間系統。實體單元柱體向桿件的模塊化過程不再受單量度的限制，通過桿件模塊的陣列形成一定的空間效果。相對于實體單元的厚重、封閉，陣列化的桿件構成空間更顯輕盈、通透，視覺連續性更強。

2 模塊化鋼束柱的力學性能

每個模塊單元都由單元柱、法蘭緊固盤、接榫梁等部件組成，相鄰的模塊通過端部的連接節點傳遞荷載、協調變形，使多個單元形成具有一定規模的整體結構。若沒有可靠的結構技術措施，模塊的拼接就會發生變形、破壞甚至倒塌，因此模塊連接節點對保證最終結構的整體性和穩定性起著關鍵性作用。

2.1 強柱弱梁

強柱弱梁的基本原理是結構在受力時梁端先于柱出現纖維屈服但未破壞，從而提高結構的變形能力，防止結構在強烈地震作用下倒塌[13]。

束柱通過多根單元柱的陣列均勻布置代替單根結構柱，強化結構柱體的變形能力，滿足結構體系的抗側剛度和承載力要求。鋼支撐束柱各部件均采用殼單元S4R。其中，“S”為通用殼單元，“4”為單元節點數，“R”為單元為減縮積分沙漏控制模式。這種單元為有限應變單元，允許殼截面厚度尺寸的改變，因此它適合大應變分析，允許殼截面泊松比不為0。在束柱上方施加500KN的載荷，在橫板上施加150KN的載荷，最大應力出現在橫板與圓柱連接處，為234.3MPa，小于材料的許用應力350Mpa。模型的變形云圖顯示最大變形為3.561mm，其運算結果符合設計需求。

2.2 強節點弱構件

節點是模塊化鋼結構建筑的重要部位，盡管節點的體積小，但它作為受力的關鍵點是連接其他鋼結構的核心部件。節點的受力狀態極為復雜，包括柱子傳來的軸壓力、彎矩和水平剪力、局部的擠壓力、梁傳遞來的彎矩和豎向剪力以及結構處于偏心狀態時產生的局部扭矩。復雜的受力體系會給節點帶來一定的負擔，倘若節點強度不足，可能會導致該節點連接失敗，影響模塊化建筑的承重能力[14-15]。因此，進行節點與構件施工時，應強化節點，保證承受力。

本研究將鑄鋼節點內向轉化形成內凹式法蘭緊固盤，該節點由兩個平行布置的圓形翼緣以及中心多向腹板構成，其中腹板將翼緣相互連接形成抗剪鍵，提升抵抗剪切力破壞的極限能力，并構成抵抗軸壓力、彎矩和水平剪力以及局部擠壓力的內向型“鑄鋼式節點”。接榫梁的端部擴大中間的腹板，延伸構成抗剪鍵，并在抗剪鍵內部設置榫卯插接孔，將鉸接轉換為剛性交接，使接榫梁的翼緣與腹板和單元柱相互連接，從而傳遞彎矩和剪力，使結構更具穩定性。在束柱的末端設置翼緣形成蓋板與法蘭緊固盤的上下面緊密貼合，在安裝時起到定位的作用，同時放大柱體的最弱部分，起到抗剪力的作用。豎向的加固懸板承受橫向剪力，與法蘭緊固盤相輔相成，加強了各單元柱的整體性和柱體的剛度（圖8）。

作為固定件的榫卯鎖由上、下榫銷和固定榫卯銷構成。上、下榫銷均設置在上、下弦柱插接頭的兩個榫卯鎖卡接槽內，通過固定榫卯銷來限制其在榫卯插接孔的位置。固定榫卯銷的豎向受力與單元柱一致，消解了軸向壓力，橫向與榫卯梁的腹板相連消減了橫向的水平剪力，榫卯鎖隱藏于法蘭緊固盤內，消解了彎矩（圖9）。

3 模塊化鋼束柱的應用形式

束柱具有模塊自由調配和安裝可逆性的優勢，多樣組合方式和多向的連接模式為空間的選擇、形態的變化提供了更高的自由度。

3.1 框架組合

束柱應用于框架體系中有兩種模式，一種是通過梁柱的自由轉換，形成形態復雜的大空間建筑（圖10）；另一種是將框架結構建筑轉換為“類集裝箱式建筑”（圖11）。“類集裝箱式建筑”由多個高度集成化的盒子單元構成，每個盒子單元嵌入自鎖式束柱系統、設備管線以及內外裝飾[18]。這一模式使各盒子單元形成獨立的自穩式結構體，箱體之間采用自鎖式連接方式，無論是拆卸還是重新安裝都非常方便，未來既可以獨立使用也可以重新組合。

1 “束柱”的成因

2 單元模塊拆解圖

3 單元柱拼接方法

4 支座與拉索的構造形式

5 自鎖式結構適應性分析

3.2 空間拓展

束柱的空間拓展主要體現在“空間內部重組”，當既有大空間建筑已無法滿足現有功能需求時，運用束柱體系與快速拼裝的墻體進行空間的重組[18]，包括水平重組、垂直重組和組合重組。

大空間建筑的內部功能轉換成為現階段一個熱門話題，新冠疫情期間，要求將大空間建筑轉換為方艙醫院為醫療體系提供有效支持，力爭低成本、短時間，解決大量輕癥患者的收治問題，疫情結束后同樣以快速拆卸、整體回收的方式復原建筑功能[19]。束柱體系的自由拼裝和快速搭建符合臨時建筑的設計需求，可以更好地為大空間建筑的內部功能轉換提供服務。

4 結語

本文對模塊化鋼束柱體系展開深入研究，從模塊拆分與重組、結構合理性分析以及空間適應性設計進行探討。首先，鋼束柱結構體系通過自鎖式構造形成了整體化拼裝的構造措施，結構系統的施工工序無需焊接與螺栓緊固，完全通過榫卯插銷的方式完成，有效提升了施工速度，降低了人工成本，實現了全綠色施工。其次，自鎖式鋼束柱結構體系滿足了結構的可拓性、形態的可調性和空間的適應性，梁柱體系的榫卯拼接方式使建筑在完成后仍然能對結構荷載、建筑高度進行改造。最后，自鎖式模塊將外圍護體系與設備系統集成處理，從而整合多重系統，使鋼束柱結構體系具備廣泛的適應性。

6 自鎖式構造體系的拼裝方式

7 自鎖式構造體系的固定方式

8 法蘭緊固盤構成原理

9 榫卯鎖工作原理

10 復雜形態下的束柱體系的高大空間建筑模擬

11 類集裝箱系統的搭建方法

圖片來源作者自繪

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