采用板片构件的装配式木网壳结构设计

罗尧治,魏 越,葛荟斌,崔京兰

(浙江大学 空间结构研究中心,浙江 杭州 310058)

随着工程技术的进步与建筑艺术的发展,人们对曲面造型网壳结构的呈现方式开展了大量的研究[1-2],其中,木网壳结构以其施工方便、绿色环保、轻质美观、抗震性好等优点,越来越多地受到设计人员的关注[3-7]。

德国建筑师弗雷奥托提出自由曲面木网壳结构,通过对木条进行弹性弯曲塑造了造型优美的曲面[8]。图1为典型的自由曲面木网壳工程应用[9-10],但这类结构的构件加工难度较大、安装工序较为繁琐。文献[11-13]提出可以直接采用具有曲线轮廓的平面板片构件来建造曲面空间结构,所采用的板片构件通过数控切割技术加工而成,所得结构造型精度高、构造简洁、储运高效且装配施工方便。然而采用板片构件的木网壳结构方面研究较少,缺乏具体的设计方法。

图1 自由曲面木网壳工程应用

基于此,本文提出一种以平面木板为主要构件的曲面造型网壳结构设计方法,从构件、节点和布置形式方面阐明这类结构的设计理念,并制作采用板片构件的装配式椭球木网壳模型来验证该设计方法的合理性。本文旨在为空间木网壳结构的设计提供一种新的思路。

1 采用板片构件的木网壳结构构造形式

采用板片构件的装配式木网壳结构是一类以拥有曲线轮廓的平面木板为基本构件的曲面空间网壳结构,主张以简单的平面板片建造复杂的空间曲面结构。这类结构在构件、节点和布置形式方面与传统曲面木网壳结构不同。本节将具体介绍这类结构的构造形式。

1.1 板片构件

木网壳结构中采用的构件材料包括天然木材和工程木材,其中,胶合木板是一种通过胶合技术加工而成的工程木材[14],特点是材质均匀、强度高、外观美观,应用于网壳结构中可以实现轻质高强的目的。因此,板片构件主要选用胶合木板。

板片构件通过自身的曲线轮廓来塑造曲面结构,一般通过数控切割技术加工而成(图2)。因此,板片构件可根据不同的要求进行定制化加工,如任意形式的曲线轮廓、变宽度构件截面、木板厚度方向开槽等。板片构件良好的加工性能还体现在螺栓孔加工方面,数控切割技术保证其既能够满足各式各样的节点连接构造,又具备相当高的定位精度。

图2 木板构件加工过程

1.2 装配式板式节点

本文提出一种适用于板片构件的装配式板式节点,该板式节点由螺栓和钢板组成(图3)。

图3 装配式板式节点连接构造

板式节点形状与组合角度根据板片构件组合形式设计,通过焊接形成整体。装配式板式节点内嵌于木板构件中,采用螺栓连接,具有连接美观、设计简单、组装方便、灵活性强等特点。

1.3 板片构件布置

传统网壳结构采用点、线方式描述网格,按网格位置布置构件。由于板片构件有明显的平面特征,用传统点、线的网格描述方式无法反映其在空间中的布置角度。因此,装配式木网壳结构的构件布置采用线、面方式(图4)。由图4可知,对于肋环形球面网壳结构有两种布置方式:一种为板片构件平面指向球心,另一种为经度方向板片竖直、纬度方向板片水平。

图4 装配式木网壳的板片布置形式

2 采用板片构件的木网壳模型设计与制作

2.1 造型设计

图5为采用板片构件的小型椭球面木网壳模型,模型长跨为5 m、短跨为3.75 m、高度为2.25 m,尺寸比例与国家大剧院近似,采用肋环形网格划分。其中,主结构纬度方向网格划分数为6、经度方向网格划分数为12。为避免顶部网格过密以及节点构造过于复杂,将顶部网格缩格为4等分。为加强底部网格的强度与稳定性,在主结构的基础上设置了两环十字形次结构,次结构板片构件截面小于主结构截面。在椭球立面的中部将网格断开,构造成门。所有板片构件平面按照指向椭球中心的方式布置,使网壳结构的内外表面均为椭球面。

图5 木网壳模型造型设计

2.2 构件、节点设计与制作

板片构件采用欧洲云杉胶合木材,主结构板片厚度为20 mm,次结构板片厚度为10 mm。构件设计主要包括轮廓设计和螺栓孔定位两部分。

由于该结构主要承受竖向荷载,因此采用变宽度的板片轮廓设计:靠近支座底部受力较大,板片较宽;靠近网壳顶部受力较小,板片较窄。根据第2.1节确定的板片布置平面与内外椭球面可以直接得到板片构件轮廓线。板片构件轮廓线的两端向内缩进约24 mm以预留节点装配空间。为配合内嵌的装配式板式节点,板片构件两端沿着厚度中心做开槽处理。

模型结构采用M10规格306型不锈钢螺栓连接。设置两排螺栓孔,根据所连接板片构件的宽度与空间倾角确定螺栓孔位置。螺栓孔设计满足规范[15]对螺栓孔间距、端距、边距、行距的相关构造要求。

图6为经过数控切割加工得到的板片构件。由图6可知:板片构件轮廓线与螺栓孔定位加工精度较高;板片构件经过堆叠摆放,占用空间极少,方便储存与运输。

节点板采用不锈钢材,其轮廓线分别与对应的板片轮廓线相匹配,螺栓孔位置与板片螺栓孔相吻合。主节点板完全内嵌于木板内部;次节点板与主结构构件连接部分外露,与次结构板片构件连接部分内嵌。

图6 板片构件

2.3 虚拟装配模型

在Rhino三维设计软件中对模型进行模拟搭建,建立板片构件与板式节点的三维模型(图7),按实际设计尺寸进行螺栓开孔,通过三维空间的组装对设计的准确性加以验证。由图7可知:采用本文设计方法得到的网壳结构造型美观,各个组成部分之间相互配合较好,螺栓孔一一对应。

图7 板片构件椭球木网壳三维模型

3 采用板片构件的木网壳模型搭建

采用板片构件的装配式椭球木网壳模型的搭建包括两部分:主结构板片搭建和次结构板片搭建。模型主结构的搭建思路为自下而上逐层搭建,按照三维模型尺寸在底平面上绘制支座轮廓,以准确定位支座位置(图8)。

图8 支座定位

每一环主结构的施工顺序为经度方向板片→节点→纬度方向板片,从①到⑥对称安装,使施工误差最小化(图9)。完整的主结构施工过程如图10所示。

图9 主结构搭建顺序

图10 主结构搭建过程

在安装次结构之前,先将次结构板片与次节点组装成一体,然后按照螺栓孔位置与主结构进行搭接(图11)。

图11 次结构安装

板片构件连接节点传力直观、造型优美、施工方便、加工与装配精度较高,是一种简单有效的连接构造(图12)。

图12 节点连接细部图

图13为最终搭建完成的结构模型。由图13可知:采用板片构件的装配式椭球木网壳模型由胶合木板片和不锈钢装配式板式节点组成,整体造型优美,局部可观察到木板的纹理,呈现自然的视觉效果。该结构依靠平面板片构件的曲线轮廓进行构造,不需要折弯构件或外加装饰层即可较好地塑造空间曲面造型。

图13 板片构件椭球木网壳模型

4 结论及展望

本文提出了一种以平面木板为基本构件的装配式椭球木网壳结构概念与设计方法,通过模型的设计与制作,验证了这类结构的合理性。主要结论如下:

1)木板片构件的加工精度及制作效率较高、储运方便。通过木板片构件的曲线轮廓可以较好地塑造空间曲面造型。

2)装配式板式节点构造简洁、传力直观、组装方便,是一种有效的连接构造方式,适宜于木板构件的装配式连接。

3)结构搭建装配化程度高、结构整体造型优美、成型效果好。通过模型搭建验证了这类结构的工程可行性,这类结构在中小跨度空间木网壳结构中具有一定的应用价值。

4)本文的工作旨在为装配式木网壳结构的设计提供了一种新的思路。但鉴于目前对采用板片构件的装配式木网壳结构研究较少,结构的形态设计与板片构件布置还有待进一步优化,结构的力学性能尤其是稳定性能还有待大量的数值与试验研究。