孫蘇瑩

目前，新建、拆除建筑產(chǎn)生的垃圾對生態(tài)環(huán)境的不良影響日益凸顯。要想保護城市環(huán)境，一方面要提高構(gòu)件利用率，另一方面要賦予結(jié)構(gòu)相應的可拆卸性。在此背景下，可拆卸鋼結(jié)構(gòu)應運而生。該結(jié)構(gòu)既保留了常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和功能，又避免了建筑拆除后留下大量垃圾，與當今社會提倡的節(jié)能環(huán)保理念不謀而合，因此有必要圍繞該結(jié)構(gòu)的設計與施工要點展開討論。

1 可拆卸鋼結(jié)構(gòu)介紹

1.1 結(jié)構(gòu)組成

經(jīng)過數(shù)年發(fā)展，可拆卸結(jié)構(gòu)已趨于完善。在建筑領(lǐng)域廣泛運用的可拆卸結(jié)構(gòu)通常包括固定件、節(jié)點、梁柱等部分，其中節(jié)點是指焊接鋼板所得到的立方體，其表面往往設有數(shù)個安裝孔，梁柱則是由鋼管、鋼板焊接而成，鋼板表面同樣開設數(shù)個安裝孔[1]。

1.2 優(yōu)勢

可拆卸結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。首先，該結(jié)構(gòu)使用模塊化構(gòu)件，便于加工和運輸，構(gòu)件到達施工現(xiàn)場后可利用螺栓進行組裝，組裝質(zhì)量及速度均能得到保障。其次，該結(jié)構(gòu)的柱、梁構(gòu)件均配有格構(gòu)桁架，自重相對較輕，既能降低運輸、安裝難度，又可以減少施工成本[2]。再次，該結(jié)構(gòu)比其他鋼結(jié)構(gòu)的應用范圍更廣，可適應不同環(huán)境和場地條件。最后，各節(jié)點均支持多方向連接，其所組成的空間具有較強的靈活性。

1.3 安裝方法

可拆卸結(jié)構(gòu)與其他鋼結(jié)構(gòu)的區(qū)別主要是其強調(diào)以梁柱所設置獨立節(jié)點為依托將各構(gòu)件可靠連接，從而獲得符合施工標準的鋼結(jié)構(gòu)形式。安裝期間應重點關(guān)注以下內(nèi)容。第一，保證柱頂端安裝孔、節(jié)點底部安裝孔完全重合，并利用螺栓連接。第二，視情況決定是否使用高強度鋼絲固定獨立節(jié)點，確保結(jié)構(gòu)在較大作用力下，節(jié)點不會出現(xiàn)明顯位移[3]。第三，通過節(jié)點、固定件對柱進行固定，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件確定連接方法。例如柔軟地面適合用固定件進行連接，剛性地面則更適合通過節(jié)點連接。

2 售樓處鋼結(jié)構(gòu)分析

項目為上海某小區(qū)的售樓處，位于火車站東側(cè)，客戶對該建筑的功能定位是租售小區(qū)住宅的場所?？紤]到售樓處性質(zhì)較為特殊，通常是臨時結(jié)構(gòu)，使用期短，房屋預售結(jié)束后便拆除，采用傳統(tǒng)建設方案極易出現(xiàn)資源浪費等問題。針對該情況，設計人員制定了以下方案：靈活運用可拆卸設計、模塊設計理念對售樓處進行設計，保證建筑幕墻、屋面和主體結(jié)構(gòu)均能隨時拆卸并重新安裝。在此基礎上，引入模塊化設計理念，使得單元模塊滿足自由拼裝的條件，且拼裝所形成的平面結(jié)構(gòu)符合客戶需求。

2.1 整體受力

售樓處位于地上1 層，建筑面層采用架空設計方案，屋面結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)?？蛻粝Ｍ摻ㄖ軌蛟诒Ａ艏扔蓄A制拼裝特點的前提下達到可拆卸的要求，日后只需調(diào)整模塊單元便能改變結(jié)構(gòu)形狀。鑒于此，研究人員以本項目設計的單元拼裝方案為依據(jù)建立計算模型，如圖1所示。由模型可知，該鋼結(jié)構(gòu)建筑共包含10 個室外模塊、16 個室內(nèi)模塊，室外模塊表面均裝有鋁格柵，室內(nèi)模塊聯(lián)合外墻、屋面共同構(gòu)成了密閉性良好的內(nèi)部空間，平面總面積約1 100 m2[4]。

圖1 計算模型

通過結(jié)構(gòu)計算可得出以下結(jié)論：三階振型中，一階振型周期在0.85 s 左右，對應狹長的室外單元；二階振型周期在0.72 s 左右，對應室內(nèi)空間；三階振型周期在0.70 s 左右，對應建筑整體結(jié)構(gòu)。對鋼結(jié)構(gòu)施加一定的風荷載，結(jié)構(gòu)在水平方向的變形在25 mm 左右，鋼結(jié)構(gòu)的實際位移比與行業(yè)最新標準相符[5]。對比單一單元所表現(xiàn)出的受力特征不難看出，拼裝鋼結(jié)構(gòu)的整體性更強。

2.2 單元受力

單元模塊中一階振型對應的周期為0.9 s，在豎向荷載值恒定的前提下，單元各角變形幅度均在0.6 mm 左右，跨中邊梁變形幅度約為1.8 mm，均未超過規(guī)范范圍。邊梁、環(huán)向次梁分別組成封閉環(huán)，封閉環(huán)的作用有兩個：一是套箍結(jié)構(gòu)所承受的豎向荷載，二是約束懸挑主梁中部及端部。結(jié)合技術(shù)人員提供的彎矩圖和軸力圖不難看出，即使向該結(jié)構(gòu)施加較大的豎向荷載，其內(nèi)力和整體變形程度仍處在可控范圍內(nèi)，通?？梢院雎圆挥?。由此可見，在設計單元模塊時，應將重心放在如何控制水平荷載所引起的變形上[6]。

3 鋼結(jié)構(gòu)設計說明

3.1 設計參數(shù)

采用輕質(zhì)屋面，恒荷載1 kN/m2左右，建筑幕墻、外墻恒荷載1 kN/m2，該區(qū)域所設置格柵的恒荷載0.5 kN/m2，屋面部分的活荷載為0.5 kN/m2，售樓處室內(nèi)活荷載為3.5 kN/m2左右。設計人員根據(jù)現(xiàn)場情況將風荷載定為0.5 kN/m2，地面粗糙度為B 級，建筑室外格柵實際透風率在50%左右?？紤]到建筑主體結(jié)構(gòu)呈倒傘狀，在確定設計方案時還要考慮屋面排水問題，故將屋面部分積水深度設定為0.3 m。

3.2 結(jié)構(gòu)體系

3.2.1 單元間

單元間使用H 型鋼作為邊梁，相鄰邊梁的距離均控制在500 mm 左右。利用邊梁連接各單元，使其成為一個整體，待完成連接倒傘狀屋面的工作后，屋面將表現(xiàn)出折形屋面的特征，受力體系的性能更加突出。項目采用六邊形立面，由各角點連接成一個整體。另外，設計人員在各外立面下方安裝了3 根鋼立柱，確保立面系統(tǒng)得到有效支撐；主梁下方與六邊形角點相距1 m 的結(jié)構(gòu)外側(cè)安裝了數(shù)根邊緣立柱；各模塊相連節(jié)點的下方同樣設有鋼立柱[7]。

3.2.2 室內(nèi)屋面

本項目室內(nèi)采用六邊形結(jié)構(gòu)，整體呈倒傘狀。主體結(jié)構(gòu)高度為5.2 m，對角線長度在8 m 左右，立柱高度為3.8 m，橫截面規(guī)格為φ240×12。屋面共包括6根主梁，每根主梁的截面均呈H 型，主梁根部和柱相連，端部和邊梁相連，邊梁材質(zhì)為20b 槽鋼。次梁的作用主要是將屋面劃分成數(shù)個三角形，確保任意三角形邊長均在2 m 左右，為日后安裝模塊單元等工作提供便利。在屋面結(jié)構(gòu)中，僅立柱、主梁采用剛接，其余節(jié)點均采用鉸接，主、邊、次梁共同構(gòu)成受力體系。項目室外部分的單元構(gòu)成和室內(nèi)大致相同，二者的區(qū)別僅體現(xiàn)在主次梁的材質(zhì)上，室外單元用T 型替代了H 型主次梁。

3.2.3 建筑立面

室內(nèi)外立面結(jié)構(gòu)基本一致，均采用架空設計，其中室內(nèi)立面和室外地坪的高差在600 mm左右。立面依次裝有次梁、邊梁以及主梁，三者共同構(gòu)成穩(wěn)定、可靠的六邊形。立面被劃分成多個三角形，三角形邊長同樣為2 m，這樣設計能有效降低安裝立面板的難度。此外，設計人員還調(diào)整了主梁，通過在其下方增設立柱的方式確保立面系統(tǒng)得到穩(wěn)固支撐，為售樓處工作人員及來訪者的安全提供保護。

3.3 單元拼裝

本項目的單元拼裝模型見圖2。

圖2 單元拼裝模型

單元拼裝時先要按順序安裝中柱及短柱，再安裝立面主梁與邊梁，并加入立面次梁，使主梁、邊梁、次梁構(gòu)成三角形，然后鋪設預制混凝土樓板面，安裝立面體系的工作至此告一段落。核實無誤后便可組裝主梁、邊梁、次梁和柱頭，并通過吊裝方式將組裝好的構(gòu)件轉(zhuǎn)移到指定位置，利用法蘭連接中柱頂部和組裝構(gòu)件。

本項目使用的鋼結(jié)構(gòu)包括以下關(guān)鍵節(jié)點：一是連接模塊槽形邊梁的H 型連接件；二是焊接而成的T 型次梁，該構(gòu)件需要連接立面主梁、邊梁；三是各立面模塊連接點；四是柱頂連接件；五是由方管、角鋼及主梁組合而成的連接點[8]。上述節(jié)點中，立面模塊連接點、“方管角鋼+主梁”連接點的主體構(gòu)造基本一致，二者的區(qū)別主要在于連接節(jié)點板有所不同。實際施工中，只需以拼接類型為依據(jù)對節(jié)點板進行選擇并拼裝，便可達到連接節(jié)點的目的。

與此同時，本項目還預制了混凝土樓板，預制模塊均為等腰三角形，其邊長在2 m 左右，可直接放入鋼結(jié)構(gòu)劃分的各分格內(nèi)?？紤]到屋面采用了倒傘形設計方案，施工人員以常規(guī)做法為基礎調(diào)整了屋面施工技術(shù)。將鋼結(jié)構(gòu)中部設置的圓管立柱打造成排水系統(tǒng)，在柱頂增設漏水斗，并對圓管內(nèi)壁做鍍鋅處理，在減小水流摩擦力和阻力的前提下使內(nèi)壁的化學性質(zhì)更加穩(wěn)定，同時還延長了圓管使用壽命。另外，圓管下端設有兩個排水口，這樣設計的目的是保證雨水能夠順利排到室外，避免屋面積水。

3.4 梁施工要點

3.4.1 前期設計

本項目面臨的難點主要是吊裝施工會破壞安裝雙拼梁的條件，同時增加緊固螺栓的難度。為保證安裝順利、結(jié)構(gòu)性能理想，有關(guān)人員決定更改既有設計方案，調(diào)整梁上翼緣板的形狀，降低螺栓緊固的難度，同時改變下翼緣板的外觀，為安裝雙拼梁提供了有利條件。

3.4.2 中期安裝

梁結(jié)構(gòu)的安裝工作主要包括以下3步：第一步，以梁結(jié)構(gòu)的特點為依據(jù)制作拼裝胎架并吊裝，在降低空中作業(yè)難度的前提下有力保證施工質(zhì)量；第二步，調(diào)整鋼柱位置，吊裝成品梁并將其與鋼柱連接，初步獲得結(jié)構(gòu)框架；第三步，在地面組裝雙拼梁，將其吊起并固定在結(jié)構(gòu)框架的指定位置，從而獲得完整的梁結(jié)構(gòu)。

3.5 其他注意事項

對可拆卸結(jié)構(gòu)進行設計與施工期間，應重點關(guān)注以下問題。首先，受設計方案影響，拼裝單元模塊時有一定概率出現(xiàn)邊緣室外單元，將該單元和其他單元組合并不能夠獲得項目所需受力體系。要想避免出現(xiàn)該情況，關(guān)鍵是要先分析單個模塊對應的屋面體系，再根據(jù)模塊表現(xiàn)出的受力特征調(diào)整拼裝方案，確保拼裝所得受力體系能發(fā)揮出應有作用。

其次，以拼裝方案為依據(jù)建立相應模型并分析受力情況，判斷拼裝鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、強度和整體剛度能否達到項目要求。

最后，考慮到客戶希望自由拼裝模塊，施工現(xiàn)場僅使用螺栓連接各節(jié)點。前期設計階段，有關(guān)人員既要考慮項目所用其他模塊的尺寸，又要考慮安裝難度，在保證構(gòu)件截面規(guī)格、形狀合理的前提下確定節(jié)點設計方案，避免施工期間遇到不必要的問題。

4 結(jié)語

本文以某售樓處項目為例，圍繞空間結(jié)構(gòu)和設計要點展開討論，現(xiàn)將研究所得結(jié)論歸納如下。

首先，以室外單體模塊為落腳點對模塊表現(xiàn)出的受力性能、變形程度進行研究，同時分析了組裝結(jié)構(gòu)的性能，明確其具有更大剛度，在受力方面的表現(xiàn)也更加突出。其次，建筑結(jié)構(gòu)兼具可拆卸、預制拼裝等諸多特征，無形中提高了各節(jié)點及整體結(jié)構(gòu)的設計難度，為保證安裝質(zhì)量、效果能夠達到預期，設計人員改用螺栓連接拼裝節(jié)點，不僅加快了安裝速度，還大幅度減少了構(gòu)件類別和數(shù)量。最后，結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的模塊化程度相對較高，若以使用功能為依據(jù)，則可將現(xiàn)場結(jié)構(gòu)單元劃分成室外模塊和室內(nèi)模塊，二者構(gòu)造基本相同，其中屋面模塊所用連接件首選H 型鋼，目的是將售樓處屋面打造成完整且合理的受力體系。

另外，模塊節(jié)點適配度較高，既能夠進行無單元拼接，又可使用三單元或是兩單元拼接，日后施工中只需根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整節(jié)點板，便能取得理想的安裝效果。