新型參數化可變形單元體建筑結構研究與應用

徐孝源 賈慧娟 席槿雯

（金陵科技學院，江蘇 南京 211100）

0 引言

目前，建筑物大多以傳統的建筑結構形式為主，如砌體結構、框架結構、剪力墻結構、框架剪力墻結構等形式，形式與結構過于單一，存在環境適應能力不強，建筑物建成后無法改變其內部或外部形態結構等不足。現代建筑行業更需要環境適應性強、施工步驟簡化、建設工期短的新型建筑結構，更提倡向高端、綠色、可持續化方向發展。高品質特殊鋼、高性能纖維和復合材料、3D打印金屬粉末等新型結構材料不斷出現，相對傳統結構材料更加輕質高強，耐久性好；索膜結構、空間網殼結構快速發展，鋼框架和混凝土筒體的混合結構在超高層建筑上不斷應用創新。面對近年來的疫情、洪水等重大災害，應急臨時建筑物對結構的要求更高，需要結構能夠高度適應建筑需求以及擁有快速拆裝的施工技術。因此，具有快速拆裝性能的新型建筑結構的設計理念成為當前研究的重要課題，相應的建筑也是未來建筑業發展的重點和方向。本文就新型參數化可變形單元體建筑結構及其應用進行介紹。

1 新型參數化可變形單元體建筑結構概述

1.1 新型參數化可變形單元體結構形式

針對傳統的建筑體系適應環境能力弱，建筑結構可變性差，建筑無法快速臨時搭建等問題，提出一種新型參數化可變形單元體建筑結構（見圖1）。該結構以單元參數化板件為基礎，通過板件連接方式以及改變各單元板件間連接角度，能夠實現快速拆裝、可折疊變形的建筑結構體系。基于單元化可變形體系，設定建筑物的單元結構形態，采用相應的建筑材料，使建筑物適應不同的環境需求，以滿足建筑物的各種使用功能。此類結構根據參數化可變形單元體的快速組裝，設計出可快速搭建的空間結構形式，簡化施工步驟，縮短建設工期，實現建筑物快速搭建。新型參數化可變形單元體構件，基于球鉸點連接進行快速組裝，可通過多種搭接方式組成不同的空間結構，從而形成適用于不同環境和功能需求的建筑結構。

圖1 新型參數化可變形建筑結構單元體形式

1.2 單元體變形技術方案

新型參數化可變形單元體快速拆裝結構，每個單元體由單元參數化板件（見圖2）、轉動連接軸（見圖3）及球鉸點（見圖4）組成。每片單元參數化板件為三角形板件，在兩條邊焊接直徑與板件厚度相等的空心圓管，基于板件拼裝角度，計算出斜邊與直角邊連接空心圓管的焊接位置，使兩板件間的空心圓管能夠相互拼接。在空心圓管之間穿插轉動連接軸，轉動連接軸為剛性桿件，包含轉動桿和頂部圓弧形固定裝置，通過穿插轉動連接軸，以此達到板件間轉動連接的效果，轉動連接軸在承擔建筑物荷載的同時也使建筑單元體能夠隨意變形折疊。單元體中的球鉸點為球形開孔節點，基礎板件首先通過剛性連接軸頂部圓弧固定裝置與球鉸點相連，其次用高強螺栓與球鉸點上圓弧滑軌中預留的螺栓孔連接，實現單元體固定及基礎板件間角度的確定。多個單元體之間通過圓形球鉸點固定或焊接的方式，實現能根據不同功能需求組成形態任意、整體空間結構穩定、滿足力學受力特點的建筑物。

圖2 新型參數化可變形建筑結構單元體基礎板件

圖3 新型參數化可變形建筑結構單元體轉動連接軸

圖4 新型參數化可變形建筑結構單元體球鉸點

1.3 新型參數化可變形單元體建筑的優勢

新型參數化可變形單元體建筑充分體現新型建筑結構設計理念，順應建筑結構發展潮流，不斷朝著模塊化、智能化、多樣化、環保化方向突破創新，是新型建筑結構設計體系的集大成者，有著眾多結構優勢和廣泛的應用優勢。

（1）單元模塊化：打破常規建筑物的固有建筑思想，將結構分為可活動的拆板單元，使建筑物實現單元化、模塊化。工廠預制化生產的單元模塊可以在車間進行大規模生產，而在現場進行最后的快速拼裝。工作流程簡單明了、施工操作容易、人員調度方便。

（2）單元參數化：基于標準的基本單元體的形式和尺寸，將單元體基礎板件面積與轉動軸的連接進行參數化計算。在多個單元體連接時，基本單元體面積和連接角度可調整，組成的空間結構也隨之改變，提高了建筑結構實際利用率，進一步開發了建筑結構的使用功能，同時在空間中也展現出立體美感。

（3）組合多樣化：建筑結構可以通過選擇多個單元體進行多樣化組合，搭建形成空間結構不同的建筑物，滿足不同環境下的建筑需求。通過改變建筑結構內部布置，滿足建筑物實際應用需求。

（4）快速拆裝式：預制板件可根據建筑結構需求及環境要求自由搭建，通過特制球鉸點和固定螺栓，在滿足結構強度的同時，能夠快速進行拆卸組裝，高度實現現代化快速裝配式建造。

（5）結構可變性：通過改變單元連接點的連接角度，即可實現單元板間的自由組裝以及整個結構的折疊與變形，通過固定連接點即可將單元構件由可變結構轉變為靜定或超靜定結構。

（6）持續發展性：采用裝配式建筑施工工藝，將單元板件在工廠進行預制，更加精準地確定生產數量，額外的材料會被當場回收并等待再次利用。板塊之間快速拼裝，在減少施工時間，降低運輸難度的同時，提高施工質量，加快工程進度，有效緩解人力物力資源浪費等問題。

（7）綠色環保型：單元體板件可利用太陽能板材等新興綠色材料，同時靈活使用幕墻結構，可提高建筑內部的采光、美觀程度和通透性，減少白天因日光燈、裝飾燈等人工照明導致的能源浪費。

2 新型參數化可變形單元體建筑的快速拆裝性能

新型參數化可變形單元體建筑具有快速拆裝性能，配套了簡化施工步驟節約施工時間的快速拆裝施工技術。基礎板件的材料從綠色、節能、環保等功能出發，自主選擇。每一塊三角形基礎板件的空心管均通過整體建筑的設計需求確定安裝位置：空心管中用轉動連接軸進行穿插，使兩塊基礎板件快速連接；轉動連接軸頂部的圓弧形固定裝置，通過球鉸點底部的圓形開孔滑入至球鉸點內部預留位置；轉動連接軸頂部圓弧形面板兩端預留的螺栓孔，與球鉸點表面滑軌軌道兩邊預留的螺栓孔相互重合，最后用高強螺栓進行構件連接，完成新型參數化可變形體系建筑結構單元體的快速拼接。這樣的結構可通過拆卸或再次組裝高強螺栓，實現整個建筑物快拆快裝的裝配式優勢。

建筑物內部根據各部分功能需求，自主布置建筑物層高、樓層平面設計、整體風格、空間布置等。依照建筑物周圍環境、建筑物整體風格與采光需求確定窗戶或幕墻安裝位置，確認尺寸后進行打孔，安裝膨脹螺栓固定窗體。最后制配防水漿料，在基礎板件上兩空心管間縫隙及與板件間縫隙進行加固涂刷處理，養護后通過防水檢測，則完成建筑物安裝全過程。

基于新型參數化可變形體系建筑結構單元體形式，此類建筑結構能進一步凸顯單元化快拆快裝建筑體系的應用潛力和優勢，輕松解決在實際工程現場環境受限制、結構空間設計要求復雜、使用功能受約束時面對的不同問題。通過對基本單元體角度的計算及連接排布方式參數的調整，最終達到結構、功能、環境、美感的四者統一。

3 新型參數化可變形單元體建筑結構應用實例

3.1 空間結構應用實例

新型可變形體系建筑空間結構（見圖5）中八組兩兩平行間距相等的參數化可變形單元體，通過轉動連接軸對基本單元體折疊程度進行設計與調整，同時該結構可利用基本單元體向外延伸，橫向縱向拓展外部結構搭接形式，即實現單元體服務空間的調整，完善參數化可變形建筑體系，提高整體空間的利用率，以適應不同的建筑應用環境。

圖5 新型參數化可變形體系建筑結構實例——空間結構

該建筑主體結構使用空間大、可利用率高，通過自由設置內部結構，劃分區域空間可用作于藝術館、博物館、服務中心等建筑，集中服務大批量、短時間停留人群。

3.2 大跨度屋蓋結構應用實例

由新型的參數化可變形單元體組成的大跨度空間屋蓋的頂部為單元體，通過球鉸連接組成，在球鉸點正下方加裝立柱作為支撐，形成多樣性大跨度屋蓋形式（見圖6）。

圖6 新型參數化可變形體系建筑結構實例——大跨度屋蓋

大跨度空間屋蓋結構通過對基本單元體的參數化設計拼接，調整服務空間，使整體空間利用得當，功能分區明確，單元體長跨相連實現空間利用最大化，可用于空間需求大、可容人數多的工業廠房、體育場、車站、大型臨建設施等建筑結構。

3.3 外墻結構應用實例

由新型的參數化可變形單元體組成的外墻結構如圖7所示，整個建筑物既具有空間立體美感，又有軸對稱的幾何美感，通過進一步深化對基本單元體進行參數化設計，調整基本單元體空間位置和布局，改變單元體轉動連接軸和板面材質，最終達到適應環境、滿足空間美感、形式多樣等需求。

圖7 新型參數化可變形體系建筑結構實例——外墻結構

新型的參數化可變形外墻結構通過特定單元體模板可以組合出不同的幕墻形態，適用于工業化預制生產，批量化生產。同時通過參數化測算，使用不同新型材料和建筑幕墻能有效地控制節能、日照等因素，體現出幕墻系統對于環境因子的反饋。

4 結束語

隨著建筑行業的不斷創新與發展，傳統建筑結構的局限與不足日益凸顯，模塊化、智能化、多樣化、環保化的新型建筑結構設計理念為未來建筑行業的發展提供了新思路。從本文的論述可以得出以下結論：

（1）提出新型參數化可變形單元體建筑結構，通過參數化單元體的設計與調整，滿足力學基礎的同時，實現對建筑物整體空間與形態的靈活改變，提高整體空間的利用率。

（2）研究新型參數化可變形單元體建筑快速拆裝施工技術，簡化施工步驟節約施工時間，高度實現現代化可持續發展快速裝配式建造。

（3）探索新型參數化可變形單元體建筑結構多樣化應用方式，突出表現建筑物的靈活性、多變性，形成具有幾何美感、實用功能豐富的可變單元體空間結構。