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钢结构与木结构结合的可能性探究

作者:江苏联筑钢业科技有限公司 浏览: 发表时间:2021-12-28 09:13:00

木结构是中国传统建筑中***常采用的结构形式,而钢结构是现当代建筑中较为广泛采用的结构体系。两者在结构形式与空间表现力上有着不同的特点但又有所联系。本文通过对传统木结构与现代钢结构在结构形式与构造逻辑上进行对比、分析,梳理两种不同的结构形式之间的联系,并结合近年来的一些案例探究将两种结构形式进行结合形成现代钢木结构体系的可能性。

1、抬梁结构

抬梁结构建筑主要在中国北方被广泛使用,在殿堂建筑中更为常见,其结构形式主要可分为三部分:承受竖直方向荷载为主的柱、水平方向出挑的屋架及在两者之间同时承担屋架施加的垂直荷载和出挑所产生弯矩的中间结构层(称为铺作层)。“从传统的中国建筑理念看,建筑与其说是在某种坚固基础上向上竖立的东西,毋宁说是水平方向上无所不适、不拘一格的延展问题。”王澍对传统建筑的理解正是这种建筑形式主要的建构逻辑。因此从结构上来讲,铺作层的水平向展开带来的弯矩是该结构体系主要须解决的问题。在这种层面上来看,抬梁结构建筑与现代框架结构建筑的受力方式更为相似。但是由于传统建筑是通过多个小尺度构件进行连接而构成整个结构的,使得结构的整体刚度较差,而建筑中木结构节点的坏会加剧这一问题。由于抬梁式建筑依靠构件本身的抗弯强度来进行水平延展,因此可以获得更大的柱间距,使得建筑的开间更大,空间更加开阔。这也是这种建筑形式常用于举办各种隆重典礼和集会的殿堂建筑中的原因。

2、穿斗结构

穿斗结构建筑主要分布在南方,在四川、福建及长江中下游的民居中的应用非常广泛。穿斗结构与抬梁结构不同,这种结构将竖向受力构件通过水平向的枋与梁连接在一起,使之成为一个整体。这种水平与竖直构件的关系不是梁与柱之间简单的框架铰接关系,而是通过相互“编织”形成一种类似刚架的整体性结构。整体结构共同受力,对抗来自屋面的荷载。穿斗结构的尺寸与抬梁结构相比更小,截面更加纤细。其中连接穿枋的截面呈瘦高形态(宽40~60mm,高250~320mm),这种高枋在一定程度上可被看作是一种桁架结构,通过这种高枋串联的一排柱具有极强的整体刚度,弥补了传统木结构建筑仅能在正交体系中进行受力而缺少斜向辅助支撑的问题。从这种角度来看,穿斗结构与现代厂房中经常使用的刚架结构相似,在进深方向将结构连成整体,再在开间方向布置多个重复的结构体形成整体空间。穿斗结构在空间上由于受力形式受到限制,进深方向的柱距较小,同时由于每个结构体是相对独立的,导致开间不宜过大,因此穿斗结构建筑难以形成大空间,多用于民居之中。

3、铺作层与节点

抬梁结构的铺作层十分重要,它将受轴力构件与受弯构件连接起来,从中起到转换作用。铺作层主要由斗拱、昂以及部分、连接枋、叉手斜撑组成。从构件形式来讲,以水平向构件为主,通过其横截面承受轴力并依靠类似叠涩的方式进行水平延展。早期的铺作层(唐宋时期)构件尺寸巨大,柱的荷载很大,导致建筑结构构件整体尺度惊人,而到了晚期(明清时期),抬梁结构建筑的框架层级发展得更加成熟,所谓铺作层逐渐退化成了柱与梁之间的缓冲,尺度也缩减成了类似节点一样的做法(见图2)。铺作层尽管是连接水平与竖直构件的重要结构部分,但是由于传统建筑构件之间的交接多采用榫卯结构导致构件之间主要依靠摩擦力进行联系,使得这种结构在抵抗水平方向荷载时显得较为脆弱。而穿斗结构的整体性更强,因此抵御地震等水平荷载时表现得更好,例如在四川汶川地震中幸存下来的大部分民居采用的都是穿斗结构。


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