伴隨著我國(guó)鋼材產(chǎn)量的不斷攀升與價(jià)格的下降，用鋼來(lái)建造房屋變得越來(lái)越普遍，這不僅反映在各類方興未艾的大跨項(xiàng)目中，甚至在各種中小跨度的項(xiàng)目里，選擇鋼材作為建筑材料或是裝飾材料也成為了一種時(shí)尚。材料的多樣性選擇為建筑師提供更多表現(xiàn)手段的同時(shí)，也帶來(lái)更多的設(shè)計(jì)要求。

盡管結(jié)構(gòu)形式的選擇通常是結(jié)構(gòu)工程師的工作，建筑師也必須對(duì)影響結(jié)構(gòu)和連接設(shè)計(jì)的因素有一定的了解；即使國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)鋼連接構(gòu)件的設(shè)計(jì)由制造商完成，建筑師也必須對(duì)于現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接方法、控制性原則和導(dǎo)致因素有一個(gè)清醒的認(rèn)識(shí)。

一、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的另外一個(gè)特點(diǎn)是截面多樣性：一方面，鋼材的各向勻質(zhì)性使得它可以被加工成各種形狀，這與木材的各向非勻質(zhì)性區(qū)別顯著：同為線性結(jié)構(gòu)構(gòu)件，鋼結(jié)構(gòu)的截面多樣性是木結(jié)構(gòu)所無(wú)法比擬的，這也是有工字鋼而沒有“工字木”的原因，桿件結(jié)構(gòu)中連接構(gòu)件幾乎全部是鋼也說明了這一點(diǎn)；另一方面，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面形狀也對(duì)連接設(shè)計(jì)也產(chǎn)生強(qiáng)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(dǎo)致不同形式的連接。

二、連接設(shè)計(jì)受到的制約

鋼材種類繁多，耐受性也不同，連接設(shè)計(jì)通常受到以下因素的制約:

1.部件來(lái)源:理論上鋼結(jié)構(gòu)部件和連接部件具有任何加工性，但在各具體項(xiàng)目中，結(jié)構(gòu)部件和連接部件總是受到現(xiàn)實(shí)條件的制約。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師通常選擇易于獲得、易于安裝的型鋼，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效的連接方式和連接部件。

2.連接手段的限制:鋼結(jié)構(gòu)施工特點(diǎn)之一采用工廠加工、現(xiàn)場(chǎng)組裝。這是與傳統(tǒng)的構(gòu)筑方式不同而產(chǎn)生大量節(jié)點(diǎn)的原因。各種型鋼之間的連接主要有鉚接、焊接、栓接三種手段。鋼結(jié)構(gòu)建筑初期多采用鉚接，施工簡(jiǎn)單，但需要在構(gòu)件上挖出洞口，降低斷面性能，節(jié)點(diǎn)容易產(chǎn)生集中應(yīng)力，最近不采用。采用焊接的節(jié)點(diǎn)，外觀簡(jiǎn)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(xiàn)的高強(qiáng)螺栓連接，同樣可以達(dá)到類似焊接的強(qiáng)度要求，在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中大量采用。

3.連接部件具有層次性:鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)體系之間存在復(fù)雜邏輯的層次關(guān)系，在連接層次上，該層次關(guān)系反映了部件尺寸和安裝前后的差異。連接的目的是實(shí)現(xiàn)層次轉(zhuǎn)換，也是實(shí)現(xiàn)力從三維轉(zhuǎn)換到二維，最終傳達(dá)到一維部件的關(guān)鍵。復(fù)雜的連接通常由立體連接部件、平面連接部件組合而成。

4.連接部件的平面:兩個(gè)線性構(gòu)造部件總是在一個(gè)平面內(nèi)，該平面是部件應(yīng)力的發(fā)生平面，連接部件為了有效抵抗該平面內(nèi)的應(yīng)力、彎矩或剪力，經(jīng)常設(shè)計(jì)在該平面內(nèi)，例如鋼管和拉索的焊片總是在這兩個(gè)構(gòu)成的平面中

三、連接對(duì)象的原型和連接的分類

鋼結(jié)構(gòu)建筑的構(gòu)造包括部件和部件兩種基本類型，因此產(chǎn)生的連接方式可分為部件和部件的連接、部件和部件的連接、部件的連接。無(wú)論是平面結(jié)構(gòu)還是空間結(jié)構(gòu)，由于構(gòu)件單體的線性特征，結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性不會(huì)導(dǎo)致更多類型的連接，而復(fù)雜的連接可以視為這三種基本類型的組合。

1.索與索的連接

索在結(jié)構(gòu)體系中只承受拉力，內(nèi)力沿索的軸線不變，索的截面不會(huì)因長(zhǎng)度變化而變化。其連接特點(diǎn)如下：

a.位于端部的連接必須通過索套來(lái)實(shí)現(xiàn)。

b.位于索中部的連接可由各類夾具來(lái)完成。

c.多根電纜的連接需要設(shè)計(jì)新的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)電纜與電纜的組合方式的不同，常見的單層或雙層電纜的構(gòu)造，根據(jù)配置方式的不同可以平行或放射線等形式。索網(wǎng)的輕量有效，符合人們對(duì)輕量和透明的普遍追求。皮亞諾設(shè)計(jì)的意大利BancaPopolarediLodi總部室外廣場(chǎng)玻璃屋頂，受力結(jié)構(gòu)由上下兩組索網(wǎng)相互連接，玻璃夾在結(jié)構(gòu)中間，水平方向的聯(lián)系索加強(qiáng)穩(wěn)定，固定在周圍混凝土墻上，所有節(jié)點(diǎn)都是索索連接，輕巧透明的屋頂表現(xiàn)了索在特定場(chǎng)合的優(yōu)勢(shì)。

2.部件與部件的連接

部件更早出現(xiàn)，應(yīng)用也更廣泛，部件可拉可壓，因此部件之間的連接設(shè)計(jì)也更加復(fù)雜變化。決定桿件連接設(shè)計(jì)的因素主要有以下兩個(gè)方面：

a.桿件之間的交角。

b.部件各自的截面形式。前者由結(jié)構(gòu)體系決定，后者可在連接設(shè)計(jì)階段選擇不同型號(hào)的鋼或組合，便于連接部件的設(shè)計(jì)。

交角不垂直時(shí)，應(yīng)慎重選擇部件截面，降低節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)難度。在柏林某信息中心的梁柱連接中，圓鋼管柱突然斷裂，與多塊鋼板焊接在工字鋼梁上，交接非常機(jī)械僵硬。與此相比，赫佐格設(shè)計(jì)的漢諾威展廳屋頂梁柱連接設(shè)計(jì)，一方面選擇拉索避免了部件之間的非垂直連接，另一方面，方形鋼管柱在連接部的分解和圓形變化，使與圓形鋼管梁之間的連接過渡自然合理。

在貝聿銘設(shè)計(jì)的美秀博物館屋頂框架中，多個(gè)部件的立體交接不采用通常的球形節(jié)點(diǎn)方法，而是設(shè)計(jì)了多方向板式鑄鋼節(jié)點(diǎn)部件，橫向鋼管貫穿其間，保持截面不變，其馀部件在節(jié)點(diǎn)上變成鋼板和節(jié)點(diǎn)部件用螺栓連接，結(jié)構(gòu)面與屋頂面平行如果使用普通的球形節(jié)點(diǎn)，巨大的節(jié)點(diǎn)一定會(huì)使屋頂框架沉重，不能反映傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑中榫接的簡(jiǎn)潔，很難取得這樣的藝術(shù)效果。

3.電纜與部件的連接

電纜最符合鋼材的材料性能，但由于只具有單向拉伸性能的柔性部件，電纜與部件的結(jié)合構(gòu)體系可以獲得輕量穩(wěn)定的雙重優(yōu)勢(shì)，如近年來(lái)在大跨領(lǐng)域流行的張拉弦結(jié)構(gòu)。即使跨度建筑中，索和部件的組合方式也相當(dāng)普遍。

連接設(shè)計(jì)根據(jù)電纜的連續(xù)性，必須采用不同的連接部件對(duì)應(yīng):位于電纜端部的連接，必須通過電纜、螺栓、焊接部件的一系列部件和部件進(jìn)行固定。該連接程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，應(yīng)用也非常普遍，同時(shí)可以選擇電纜夾緊焊接部件和焊接夾緊套的兩種不同方式。如意大利熱那亞舊港重新開發(fā)項(xiàng)目中，索膜與部件的連接分別采用灰色和白色的不同水平。但也可以通過索套的特殊設(shè)計(jì)與桿件直接結(jié)合，需要注意的是焊片的省略意味著索套必須承擔(dān)轉(zhuǎn)化索與桿件所成角度的功能，如吉芭歐文化中心拉索與基座的連接：尺度夸張有力且旋轉(zhuǎn)了一定角度的索套整合了焊片的功能，使得這一節(jié)點(diǎn)在此類連接中獨(dú)樹一幟。位于索中部的連接，可以采用索夾，索卡（少數(shù)情況下也可采用焊接的辦法）來(lái)固定索與桿件的位置。在漢諾威貿(mào)易交易廳的魚腹梁中，上弦桿和下弦索的連接設(shè)計(jì)用索卡固定。

四、連接設(shè)計(jì)方法

相當(dāng)部分分的鋼結(jié)構(gòu)建筑中，結(jié)構(gòu)對(duì)部件形式和尺寸的要求不太嚴(yán)格，給部件和連接設(shè)計(jì)帶來(lái)了相當(dāng)大的設(shè)計(jì)馀地。建筑師對(duì)部件形式和尺寸的選擇與連接設(shè)計(jì)和連接形式有關(guān)。對(duì)于國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)師來(lái)說，實(shí)際情況往往是有限型鋼的選擇和少數(shù)成型連接部件，因此設(shè)計(jì)方法尤為重要，即使這些方法和手段有純粹表現(xiàn)的顏色。

1.拆卸分解的對(duì)象是結(jié)構(gòu)概念中抽象的單一構(gòu)件，在實(shí)際連接中常表現(xiàn)為構(gòu)件數(shù)量的拆卸或截面形式的拆卸。該手法在包括鋼結(jié)構(gòu)在內(nèi)的部件系統(tǒng)的連接設(shè)計(jì)中很常見，例如懸掛結(jié)構(gòu)中的受壓部件經(jīng)常分解為幾根部件的組合的柱子經(jīng)常分解為柱子等。這些分解有些是由于結(jié)構(gòu)受力的需要，有些只是為了在部件中創(chuàng)造間隙，使連接變得容易。復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)采用分解設(shè)計(jì)，有助于提取連接的基本形式，簡(jiǎn)化連接概念，達(dá)到整合節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的目的。

位于美國(guó)休斯敦名為CyTwombly畫廊的鋼結(jié)構(gòu)屋面連接設(shè)計(jì)中，大量運(yùn)用拆卸的概念，巧妙地將多層屋面結(jié)構(gòu)與遮陽(yáng)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。首先是由工字鋼組成的網(wǎng)格形遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)，天窗結(jié)構(gòu)懸掛在遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)下。由于受拉構(gòu)件更符合鋼材力學(xué)性質(zhì)而尺寸較小，因此懸掛的拉桿沒有分解，而鋼梁受力較為復(fù)雜（受彎、剪），故尺寸較大且由一根分解作兩根。整個(gè)屋頂設(shè)計(jì)邏輯清晰，表現(xiàn)出屋頂功能上的層次概念。

2.轉(zhuǎn)換截面形式的考慮和尺寸的轉(zhuǎn)換也是連接設(shè)計(jì)的主要問題。轉(zhuǎn)化的目的是為了縮小構(gòu)件截面，方便連接設(shè)計(jì)。部件截面一般分為兩類:管狀截面(如圓鋼管)和非管狀截面(如工字鋼)。前者之間的連接通常需要縮小截面，如網(wǎng)球節(jié)點(diǎn)縮小的實(shí)心鋼管。后者之間的連接通常對(duì)部件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。例如，去除寬翼，只保留型鋼的高度部分，與分解設(shè)計(jì)結(jié)合較多。除了改變部件的截面形狀外，沿垂直于部件軸線的面切斷部件后，設(shè)計(jì)新的節(jié)點(diǎn)連接也是常用的方法。如前面討論過的美秀博物館屋頂構(gòu)架節(jié)點(diǎn)中，鋼管截面的轉(zhuǎn)化不僅帶來(lái)連接的便利，也使得節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的靈活性得以體現(xiàn)，在表達(dá)傳力的同時(shí)，利用雕塑似的造型設(shè)計(jì)將力的流動(dòng)視覺化、藝術(shù)化。

3.整合整合設(shè)計(jì)立足于減少構(gòu)件種類及數(shù)量，簡(jiǎn)化連接方式，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)形式方面的整體性，使得這類設(shè)計(jì)作品往往具有優(yōu)雅的形象。這種方法有兩個(gè)前提：

1）各節(jié)點(diǎn)受力方式相同。

2）結(jié)構(gòu)構(gòu)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科學(xué)性，截面形式相似，尺度相似，保證了視覺的整體性。

福斯特設(shè)計(jì)的由鋼與玻璃組成的英國(guó)劍橋法律系大樓的外表皮，模糊了窗、墻、屋頂之間的概念，部件之間的連接采用整合設(shè)計(jì)正好表達(dá)了這種思想。編織表皮是由許多高度極小的拱形空腹梁交織而成的結(jié)構(gòu)，所有部件都是圓鋼管焊接，整個(gè)結(jié)構(gòu)均勻典雅。沒有獨(dú)特的偶然，OMA設(shè)計(jì)的西雅圖中央圖書館的表皮設(shè)計(jì)運(yùn)用了同樣的原理。為了達(dá)到整合的效果，整個(gè)建筑的表面完全由菱形的工字鋼組成，工字鋼的截面形狀、尺寸完全一致，連接方式也統(tǒng)一采用鉚接，經(jīng)過力量分析計(jì)算，力量大，需要加大截面高度的地方采用兩三根工字鋼重疊完成，手法合理浪漫，達(dá)到圖書館安靜和平的氛圍。

雖然類型可以分析和總結(jié)，方法可以分類和總結(jié)，但這并不意味著設(shè)計(jì)已經(jīng)成為教條，也不意味著設(shè)計(jì)。由于鋼材性能的挖掘和形式的終極追求，連接設(shè)計(jì)包含了很多技術(shù)因素，即使如此，連接部件的設(shè)計(jì)也不應(yīng)該成為工程師和部件業(yè)者的責(zé)任。技術(shù)的穩(wěn)定儲(chǔ)備始終是建筑師獲得優(yōu)秀連接設(shè)計(jì)的不可逾越的漸進(jìn)步驟。符合鋼材性質(zhì)的連接方式(鉚接、焊接、連接)必須遵循這些法則，在鋼材允許范圍內(nèi)設(shè)計(jì)，但優(yōu)秀的設(shè)計(jì)仍能找到優(yōu)美的連接形式，不受約束而產(chǎn)生刻板機(jī)械產(chǎn)品。即使美觀在各個(gè)時(shí)代的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)存在差異，但一種內(nèi)在的、符合材料邏輯的吸引力必然會(huì)突破風(fēng)格或理論的限定而達(dá)到美的真諦。

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