基于疊合式節點連接的彈性曲彎網殼綠色施工分析

方立新　宣云干　左偉生

東南大學　江蘇南京210096　江蘇省建筑科學研究院有限公司　江蘇南京210008

1、概述

    網殼結構是曲面型的空間桿系結構，它是以桿件為基礎，以一定規律組成網格按殼體結構布置的空間構架，其兼有桿系和薄殼結構的特性，結構力流均勻，具有重量輕，整體性強等優點，在各種大跨結構體系中很受關注。在網殼的建造過程中，大多數標準形態的網殼結構施工效率較高，但形體一般比較單一，體形變化不夠豐富，未必能適應大跨建筑設計所需的各種平面和空間形態布置要求；因此發展各種異型網殼更受到建筑師歡迎，一般來講，異型網殼的形態比較自由，與形態規則的網殼相比，由于存在大量的非標準單元，使得其建造效率相對較低，施工難度也相對較大，其中網殼節點的連接和建造往往成為施工關鍵。

    一般而言，異型網殼的節點如采用傳統的連接方式將會使施工復雜化；傳統網殼的節點連接方式通常為短直桿交匯型，例如板節點、焊接空心球節點、螺栓球節點、嵌人式轂式節點、卡盤螺栓節點、焊接空心鼓節點等等，這些節點類型大多適應標準化作業；而對異型空問網殼的非標準節點采用焊接作業時，則各交匯構件的定位誤差必須得到更高精度的控制，而如果構件截面為圓鋼管，則還須保證桿件復雜相貫線焊縫的焊接質量，作業難度較大。

    針對異型網殼的上述施工難點，近年國外開始嘗試一種稱為彈性曲彎施工的網殼建造方法，這是一種基于特殊節點連接方式的網殼施工模式，其節點選擇了疊合式連接方式，該連接方式本質上更接近于腳手架扣件的連接特征，與傳統網殼各桿件中斷后再文匯于節點一處的連接方式有很大不同。然而，就使用特性而言，盡管扣件連接本身屬于疊合式節點類型，但疊合式節點用于彈性曲彎網殼卻并非僅僅因為其能被輕松裝拆的優點，而是這種連接還能夠保證相交桿件之間具有較大的轉動自由度，可以使桿件在罔殼結構建造過程中受到較少的轉動約束以充分適應網殼特殊的彈性曲彎施工模式從而獲得所期望的結構形態，這點在銷釘型疊合式節點連接中表現的更為明顯，其節點轉動約束比扣件連接更弱，相交桿件構成的四邊形網格變形更自由。

2、建造原理

    彈性曲彎網殼除了選用疊合式節點以外，讓工程師覺得異乎尋常的還有其與常規網殼截然不同的形態生成過程。彈性曲彎網殼建造流程顯示了一個從平面網格變形到空間網殼的生成過程，即結構并非由大量短直桿在空間精確定位后相互連接構成的三維曲面，也并非由通長的曲桿利用疊合式節點在空中交錯編織形成，實際上彈性曲彎網殼首先是采用數l0m長的通長直桿(可以由很多段桿件接長)在平面狀態下通過疊合式節點縱橫相交連接成平面網格，每個四邊形網格單元的邊長通常控制在0.5m-1.5m左右，然后選用相應施工頂升機械或施工設備將平面網格曲彎成預期形態，最后將成形后的結構周邊加以支座約束并拆去施工頂升或曲彎設施從而形成自支撐承重的空間網殼。

    在上述彈性曲彎網殼中，疊合式節點對同殼自由形態的適應能力并非表現在節點定位精度要求不高而相對容易建造和施工的層面，而是反映在網殼施工過程中節點對結構曲彎變形的應變能力上，即疊合式節點能夠在一定程度上釋放相交桿件的轉動約束從而使得網殼在曲彎建造過程中能避免構件在過大的彎曲應力下發生材料破壞或桿件折斷；常規上，疊合式節點的構造十分簡單，可以按生活中捆扎或編織等連接節點形式來理解，雖然彈性曲彎網殼結構的所有桿件是同步曲彎而非像竹籃那樣將每根竹條依次編織到籃網中，但根據其在平面狀態下的建造過程和節點連接特征的本質，彈性曲彎網殼仍可視為一種特殊的柔桿編織結構，其所謂柔桿的定義就是桿件能在彈性狀態下被適當的曲彎并能繼續承載。

    作為柔桿編織結構，彈性曲彎網殼在施工中所要求的桿件彈性曲彎能力與其所選材料有一定關系；例如木構件被認為是最符合彈性曲彎網殼各項技術要求的可編織柔桿，考慮到木材的易腐朽特性，金屬鋁型材其實具有更優良的耐久性能，其彈性曲彎性能也毫不遜色，而當前進一步的發展趨勢則是充分挖掘新型復合材料的潛力，如撐竿體育運動中的復合纖維撐桿已經被國外研究人員應用于彈性曲彎網殼的實驗案例中；然而，一個基本的概念需要被澄清，對中大跨建筑而言，所謂柔桿只是一個相對的概念，并不需要按日常生活經驗理解材料的柔性和剛性，能夠應用于彈性曲彎網殼的材料選擇范圍完全不必局限于上述木、鋁或復合纖維桿等具有相對較低彈性模量的建筑材料，因為構件的截面尺寸比材料性質能更顯著影響桿件的曲彎能力，而一般情況下中大跨建筑結構在有限網殼高度下各彈性曲彎構件的曲率并不一定大，即實際上桿件可能只是處于小曲率曲彎狀態．因此即使桿件材質較硬而要使其在彈性范圍內被曲彎至期望的形態也并不困難，此外，桿件還可借助各種靈活的構造設計來調整抗彎剮度以符合彈性曲彎網殼的建造要求。因此所謂彈性曲彎網殼的特殊建造原理并非建立在桿件需要絕對柔性的基礎之上。

3、施工特征

    彈性曲彎施工方法并不隨網殼材料的不同選擇而發生變化，根據已有相關實踐，其施工方法可歸納成頂升法和沉降法兩種基本模式，它們展示了彈性曲彎網殼施工特征的兩個不同表達方式：一個是將網殼的建造完全從腳手架支撐中解放出來，另一個則是網殼建造與腳手架支撐更緊密的結合在一起，兩種模式在實現思路上形成很有意思的對比。

    頂升法施工的實例圖片，可以看出整個建造過程中未用到任何腳手架支撐，僅僅借助于一些簡單的施工頂升設備或機械即可完成網殼的曲彎成形，這些施工機械通常可采用移動式升降機，更簡單的甚至把桿、門架或吊車都能勝任；在施工初始階段，通長桿件以疊合式節點構成縱橫連接的網格并平鋪在地面，選擇網格的若干控制點進行施工頂升。利用各頂升點頂升進程的控制以調整桿件的曲彎弧度從而獲得所需的網殼形態，當結構形態確定后以地面支座約束網殼周邊并撤去網殼跨中的頂升設施，網殼即成為自支撐空間結構；上述施工流程非常簡潔，建造效率很高，不依賴滿堂腳手架支撐，這點與普通網架施工中的整體頂升法很類似。但后者的網架結構在施工頂升程序中保持平面網架形態不變。與彈性曲彎網殼在頂升過程中構件必須能充分撓曲的要求有著完全不同的施工目標，因此本質上網架結構的整體頂升法與彈性曲彎網殼并無可比性：同樣，在普通網殼施工中不依賴滿堂腳手架支撐的懸挑法施工也與彈性曲彎網殼頂升法施工存在質的不同，在懸挑法施工中網殼順利建造的前提是結構必須滿足較高的剛度要求。為了確保懸挑施工中不變形，所有網格單元應當是三角形，而三角形網格單元恰好是彈性曲彎網殼建造過程中最不期望選用的網格構成模式。

    頂升法施工相對比，彈性曲彎網殼還可以采用沉降法建造，其建造過程類似傳統網殼滿堂支撐的高空散裝法，但對支撐系統作了很多調整改進：英國野地博物館的彈性曲彎網殼建造中采用的沉降法施工過程，首先需要利用支撐架設工作平臺，然后在平臺上將通長的桿件以疊合式節點編織成縱橫交錯的平面網格，最后按嚴格組織的施工工序拆去相關位置的腳手架支撐，讓網格懸空并下垂從而形成最終的網殼形態。相比于頂升法的施工模式，沉降法能適應更復雜形態彈性曲彎網殼的生成，在提高施工安全和降低施工難度方面均獲得較大改善，而網殼沉降法在搭設支撐的效率方面也遠遠超過傳統高空散裝法的滿堂支架搭設效率，具體而言，以上述英國野地博物館為例，其彈性曲彎網殼的支撐搭設選擇采用了德國PERI GmbH公司的PERl支撐體系，它的安裝和拆卸都比傳統扣件式支撐系統要更加方便快捷。

    在彈性曲彎網殼的沉降法施工流程中PEm支撐系統的操作步驟為：

　　1)首先采用PERl UP Rosett構架模塊搭設支撐，構架包括豎桿和橫桿，但不采用常規腳手架的扣件連接，而是豎桿上設置有菊花盤，方便橫桿兩端彎角插頭插人以組成排架系統，在排架橫桿上鋪設腳手板作為施工人員工作平臺。

　　2)排架頂部標高位置將設置天臺以完成網殼結構的初始平面網格編織工作，該天臺由專用桁架粱陣列組成．各桁架梁擱人支撐排架豎桿的頂部專用叉頭，以扣式疊合型節點編織完成的直桿網格將置于桁架梁陣列構成的天臺上；

　　3)通過依次取消天臺設定位置的部分桁架粱形成缺空從而使其上直桿網格發生沉降并形成曲彎形態，為了精確控制網格沉降行程，PERl系統配置了液壓撐桿設備，各沉降控制點的網殼桿件將被液壓撐桿支托，在MIJl皿PROP額定伸縮行程的距離內自由移動：

    4)隨著沉降加大，工作平臺也需要不斷拆空并將相應位置的PERI UP Roaett的構架橫桿拆除，而MULTIPROP液壓設備將隨著撐桿伸縮滑移行程的加大不斷改變其傾斜角度以靈活控制網殼成形所需要的沉降位置。

　　在PERI系統上述操作過程中．施工模式的特殊性不僅表現在需要將平面編織網格從高臺上垂降下來這樣一個逆反于傳統網架或阿殼的異類建造方式，還表現在網殼主體結構和支撐體系各自連接方式的變化，即被建造的結構其節點需要采用類似腳手架扣件的疊合式連接模式，而用于建造施工的支撐腳手架連接卻不再依靠傳統的扣件節點，這與一般常規建筑結構的施工工藝形成很有意思的對比。

4、結語

　　彈性曲彎網殼的施工模式與傳統網殼有著很大差別，從整個設計到建造流程來看，在建筑初始設計甚至概念設計階段就必須充分納入對相關施工實現途徑的考量并展開詳細的施工分析，否則后續環節很難建造成功；對大多數普通的建筑工程而言，施工與設計環節的關系往往被定位為一種單向制約或者被實際操作為一種非深層整合型的簡單雙向反饋關系，建筑師很少真正關心結構的施工，即上游設計環節并不真正融合施工因素，而彈性曲彎網殼的建造則明顯的提升了各環節相互介入的深度，真正反映了施工與設計的整合，從目前的幾個已建彈性曲彎網殼實例來看，建筑設計師甚至比結構工程師更關心結構的施工，因為忽視任何施工細節都有可能影響到網殼的建筑造型，例如野地博物館彈性曲彎網殼的施工工藝就是建筑師親自咨詢多家建造公司后討論確定的，這是一個非常值得稱道的現象。

　　自2003年以來，已經有多項國際性建筑大獎被授予野地博物館等以彈性曲彎網殼形式建成的建筑，這里面值得深思的不單是施工模式的創新，如果僅從標新立異的角度來關注彈性曲彎網殼的施工是不夠的，倘若單以施工的成熟和可接受程度判斷，通過豎立高架平臺即以沉降法建造彈性曲彎網殼未必能比網殼滿堂支撐的高空散裝法有很大優勢，而建造完成的網殼結構在力學效率上還有所下降，但為何該建造方法不僅未成為孤例，反而被譽為可持續發展的模式而成為被復制的對象?答案是今天綠色生態觀念下建筑的建造和施工評判的標準已經發生了潛移默化的改變，而彈性曲彎網殼恰好是迄今為止很少的幾種可以讓結構工程師能在當前現實環境下實際操作并進行真正意義上綠色建造的結構形式之一，它與傳統網殼的結構效率比較是基于建筑全壽命周期來衡量的，即包括從材料生產、構件制造、結構建造乃至最終建筑被拆除等各個環節。它涉及到用可持續發展理念代替純粹機械力學作為效率評價標準的一種觀念轉換，而這正是彈性曲彎網殼建造與施工創新中的魅力所在。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)