現代鋼結構構件的連接與設計

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眾所周知，“鳥巢”是我國第29屆奧林匹克運動會的主體育場。它是由2001年普利茨克獎獲得者赫爾佐格、德梅隆與中國建筑師合作完成的。整個體育場結構的組件相互支撐，形成網格狀的構架，外觀看上去就仿若樹枝織成的鳥巢，它是現代最先進的完美地鋼結構設計。設計鋼結構時，應滿足結構在運輸、安裝和使用過程中的強度、穩(wěn)定性和剛度要求，所以設計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的色彩。

　　1 分解

　　分解的對象是結構概念中抽象的單一構件，在實際連接中常表現為構件數量的分解或截面形式的分解。這一手法在包括了鋼結構的桿件體系的連接設計中頗為常見，如懸掛結構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構受力的需要，有的僅僅是為了在構件中制造間隙，方便連接。復雜節(jié)點采用分解設計有利于提煉出連接的基本形式，從而達到簡化連接概念，整合節(jié)點設計的目的。

　　2 轉化

　　截面形式的考量與尺寸的轉化也是連接設計的主要。轉化的目的是為了縮小構件截面，方便連接設計。構件截面一般可分為兩大類：管狀類截面（如圓鋼管）及非管狀類截面（如工字鋼）。前者之間的連接往往需要縮小截面，如網架球節(jié)點處的縮小了的實心鋼管。后者之間的連接通常對構件做簡化處理，如去掉寬翼，只保留型鋼的高度部分，而且常與分解設計相結合。

　　3 整合

　　整合設計立足于減少構件種類及數量，簡化連接方式，強調結構形式方面的整體性，使得這類設計作品往往具有優(yōu)雅的形象。這種方法有兩個前提：①各節(jié)點受力方式相同。②結構構件截面形狀類似、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的整體性。鋼結構構件的另外一個特點是截面多樣性：一方面，鋼材的各向勻質性使得它可以被加工成各種形狀，這與木材的各向非勻質性區(qū)別顯著：同為線性結構構件，鋼結構的截面多樣性是木結構所無法比擬的，這也是有工字鋼而沒有“工字木”的原因，桿件結構中連接構件幾乎全部是鋼也說明了這一點；另一方面，鋼結構構件的截面形狀也對連接設計也產生強烈的影響。在受力范圍允許的情況下，不同型鋼的選擇可以導致不同形式的連接。鋼材種類繁多，耐受力也不盡相同，連接設計通常受到以下因素的制約：

　　3.1 材料來源承重結構的鋼材，應根據結構的重要性、荷載特征、連接方法、工作溫度等不同情況選擇其鋼號和材質。

　　3.2 構件的來源上鋼結構構件或是連接構件具有任意加工性，但在各具體項目中，結構構件與連接構件總會受到現實條件的制約。有經驗的設計師通常選擇容易獲得，方便安裝的型鋼，并設計出簡單有效的連接方式與連接構件。

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

　　3.4 連接構件具有層級性鋼結構建筑結構體系之間存在復雜而邏輯的層級關系，在連接層面，這種層級關系反映為構件尺寸與安裝先后的差異。連接的目的是實現層級轉換，也是實現力由三維向二維轉化、最終傳遞到一維構件的關鍵。復雜的連接通常由立體連接構件、平面連接構件組合完成。連接構件所處的平面在多個構件的連接情況下，組合的平面構件可以與立體的受力情況相對應。鋼結構建筑的結構構建包括桿件與索兩種基本類型，由此產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。無論平面結構或是空間結構，由于構件單體的線性特質，結構體系的復雜與否并不會導致更多類型的連接，而復雜的連接可看作由這三種基本類型組合而成。雖然符合鋼材性質的連接方式（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進行設計，但是優(yōu)秀的設計仍然能夠找到優(yōu)美的連接的形式而不會因為受到約束而產生刻板的機械產品。即使美觀在各個的評價標準存在差異，但一種內在的、符合材料邏輯的吸引力必然會突破風格或限定而達到美的真諦。