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原竹建筑结构性节点的构造方式

作者:admin 发布时间:2021-08-04 浏览次数:138次

    图1-1 常见的几种绑扎方式

1、绑扎

绑扎是原竹建筑最原始、最基本的结构性节点连接方式。在这种节点构造中,连接件为棕绳或铁丝,被连接件为原竹,基本受力原理为利用节点处的摩擦力抵抗各种外力。

图1-1来自著名原竹建筑师Oscar Hidalgo所总结的几种原竹绑扎方式,主要来自于传统竹脚手架。对于呈90°正交的两根原竹而言,其绑扎方式较为简单,首先在竖向的原竹竹秆上缠绕两到三圈后打结固定,随后以彼此交叉的方式穿过竖向的原竹竹秆和横向的原竹竹秆,并缠绕两到三圈,最后在横向的原竹竹秆上打结固定,对于非90°正交的两根原竹来说,需要采用正交十字式的绑扎方式,其缠绕的圈数不仅要保证结构强度,还要保证完全固定的两根原竹竹秆所成的角度不变形。

我国国内目前单纯以绑扎形式建造的具有现代公共建筑尺度特征和用途的原竹建筑并不多,多数为建国初期条件较差的情况下临时使用,现已拆除或改建。清华大学教授陈肇元先生在其文章《有关竹屋架的几个问题》中记载的汕头市三中礼堂(图1-2)是目前所能找到的为数不多的实例之一。造成这种问题的主要原因在于虽然绑扎的连接方式制作过程和制作工艺比较简单易行,造价和成本也相对较低,但其存在的问题也很名显——结构强度很低,且唯一的连接件棕绳通常暴露在外部环境下,容易引起腐蚀、脱落等,这就使得单纯靠绑扎进行节点构造的原竹建筑只能用于临时性用途且承受荷载不大(通常仅仅承受自身中跨度的屋面重量)的构筑物建造,且绑扎的节点需要经常进行检修和更换。

2、绑扎+榫接

采用绑扎和榫接结合的方式制作原竹建筑结构性节点是对单纯的绑扎节点进行的改良,其构造原理主要来自对于木结构榫卯节点为的模仿和传承。与木结构常用的榫卯节点不同的是由于原竹材料本身的特性,以及加工的难度,单纯的构件穿插和相互固定并不能保证节点的牢固性,通宵需要借助竹钉、木楔等辅助固定件以及棕绳或铁丝等绑扎件对节点进行加强固定。在这种连接方式 中,连接体和辅助连接体可以看作竹钉、木楔与铁丝、棕绳的绑扎物的结合,其基本受力原理为利用原竹的顺纹抗压、抗剪能力和竹钉、棕绳等连接件的抗拉能力承受和抵抗各种外力。

图2-1 绑扎+榫接节点示意

图2-1左来自于传统傣族竹楼的梁柱节点构造,也是较为常用 的绑扎与榫接结合的方式制作的原竹结构性节点。其具体方式为首先利用工具对竹柱的端头进行切削、开洞等处理,形成用于穿插或固定的端头,再利用铁丝或棕绳进行绑扎或穿孔绑扎以固定。由于竹柱端部基座的存在,很好地防止了竹梁发生旋转等问题,而铁丝或棕绳则主要起到固定作用。图2-1右边所示做法的问题在于铁丝很细,拉紧后容易对竹柱产生顺纹方向较大的剪切力,导致足柱端部榫接基座受到破坏,铁丝变得松动,从而使得节点强度下降。

图2-1 绑扎+榫接、绑扎结合的做法

图2-2可以看作是对原始榫接+绑扎方式的改良,其最大的区别便于在竹柱的端部加入竹钉,竹钉与铁丝共同组成连接体,相对于图2-1的做法来说,这种构造试的原理相当于增大了钻孔周围原竹顺纹抗剪处的截面积,在一定程度上减小了对原竹端部的破坏。铁丝收紧后产生的压力则由竹钉承受。但不利之处在于制作越来比较麻烦,且其钻孔大小无法精确控制。

图2-3 穿套式榫接节点

图2-3展示的是另一种榫接连接方式,其主要用于直径一大一小两根原竹进行穿套连接 ,基本做法为在较大原竹上打出符合原竹尺寸的洞口,再利用竹钉连接两根原竹,对其进行固定。这种做法的主要问题在于在小直径原竹穿过大直径原竹后,要打出四个在一条直线上的孔洞是比较困难的,会存在一定的施工误差以及带来一定施工时间的浪费。

图2-4 套筒式连接

图2-4套筒式的连接方式往往用于解决多根原竹拼接时的节点构造问题,在一般建筑中用的较少,主要用于排水管、沟渠之类的基础建设设施。这种做法较为简单,利用直径大小不同的原竹进行穿套组装即可。

3、使用简易金属连接件

随着人们对金属的发现和利用,简单的金属连接件也逐渐开始在原竹建筑上进行应用。目前来看,由于简易金属连接件能够在造价和结构效果上取得较好的平衡性,所以这种连接方式也是近现代以来原竹建筑节点构造中应用最的方式之一。

螺栓是应用最为广泛的连接件,大部分的原竹建筑节点都是由螺栓连接改进而产生的。图3-1是最基本的螺栓连接方式 ,其具体做法为在两根需要连接的原竹连接处分别外出符合螺杆直径尺寸大小的孔洞,再用一根螺杆进行连接。这种做法的优势在于造价低廉,施工难度较低,但缺点也很明显,主要有以下三点:

1)、这种连接方式对原竹顺纹抗剪、抗劈裂性能要求高,在使用一后,常常在钻出的孔洞周围发现原竹出现顺纹的裂痕;

2)、大部分螺母都是标准的多边形,由于原竹形态上的特殊性(圆筒形)螺母无法与竹贴合,容易松动,也容易使得竹秆局部承受过大的压力;

3)、在有限的条件下,想要保证两根原竹四个孔洞都在一条直线上是较为困难的,容易引起较大的施工误差。

 

图3-2是另一种常见的螺栓连接方式,可以看作是对上文中问题3的回应。其具体做法为使用两根螺栓分别对穿两根需要连接的原竹竹秆,在其中一根螺栓的端部制作一个弯钩与另一个螺栓相连接。这种做法有效避免了对穿两根原竹竹秆带来的加工难度问题,但由于两根螺栓都在原竹竹筒内部,其连接较为困难,且由于没有有效的固定措施,容易造成脱落等问题。

 

图3-3与图3-2相比多了一个连接件和固定件。连接件的存在可以使得横向的原竹在组装好后可以直接与竖向的原竹进行连接 ,且螺杆的长度允许其在一定程度内存在误差。固定件的存在则有效地防止横向原竹的加进去,总体而言优于下图3-4中提到的做法。

如图3-4所示,建筑师王澍在中国美院“拆解何陋轩”的课程教学中,带领学生们尝试了一种与上文类似的节点做法。其具体做法为利用U形的铁片制作成符合原竹内壁尺寸的形态,其中对称的两边紧贴原竹内壁,并用螺栓对穿固定。另一边则主要作为与另一根原竹连接的固定点,同样采用螺栓连接,这种做法有效地避免了上文中说到的连接问题。此外图中所示的两片具有一定弹性的金属片也在一定程度上保证了由于螺栓连接带来的挤压问题。但这种做法的问题在于,由于没有图3-3中所示的端部固定件,两根原竹仅仅在螺栓的固定下容易发生转动。

4、预制金属件+原竹

图4-1展示的是较为基本的利用预制金属件作为连接件的原竹建筑结构性节点构造做法。为了避免破坏原竹的材料特性,该节点构造没有使用螺栓等会在原竹竹秆上留下孔洞的连接方式 ,而是采用了在给排水专业中用的较多的管道金属喉。其金属预制件为两边短、一边长的丁字形铸铁构件,其中两个短边呈弧线形,使其能够较好地贴合原竹竹秆表面。长边的端头以及与短边连接处分别有两个孔洞,前者用来与另外的同种预制件通过螺栓的方式连接,后者则使金属喉能够穿过其中,从而将铸铁构件和原竹紧紧相连。金属喉和螺母锁紧后,整个节点性能介于刚结点和铰结点之间。

这种方式最大的优势便在于其完美地利用了原竹的材料特性,有效避免了由于打孔引起的原竹顺纹方向上较大的剪切力。由于金属喉可以在一定范围内调节尺寸,可以很好的避免由于原竹直径尺寸的差异而引起的构件种类过多。此外,这种连接方式也可以在某个固定平面内调节两根原竹之间的连接角度,很容易做到原竹之间非正交形式的相交,获得更多样化的建筑形态。但不足之处在于金属件和原竹之间的固定完全取决于金属喉与原竹竹秆之间的摩擦力。一般来说,为了防虫、防腐,原竹表面通常会涂漆,这咱方式增大了原竹表面的光滑性,这这种构造来说是非常不利的,遇到较大的荷载时可能会引起金属喉与原竹之间的滑脱。此外,金属喉处较大的压力也会对原竹竹秆产生一定的破坏。

图4-2中展示的也是利用简单的金属预制件进行原竹建筑结构性节点构造的方式。与图4-1做法最大的区别就在于其预制金属件为可弯曲的薄金属片,与原竹竹秆本身接触的面积更大,结构稳定性更高。这种节点做法并不是通过螺栓连接的,在需要连接的两根原竹各自制作完成后,通常采用焊接的方式 ,形成可靠的刚性节点。目前国外这种做法通常用于轻型屋架中梁与檩条的固定以及部分园林绿化中小品的制作。

5、预制金属件+混凝土+原竹

图5-1所示的做法为利用预制金属件形成可调整方向的基础节点,这种做法往往在上面提到过的向量作用结构体系,也就是空间桁架、网架结构中应用较

图5-2底部有锥形金属件,用于在节点制作初期灌注混凝土时作为混凝土的加长模板,防止由于竹节的存在而导致混凝土灌注量的不足,在节点制作完成后也相当于一个保护构件。

图5-3所示,利用较粗的圆筒形预制金属件代替了上文中常常出现的粗螺杆或钢筋,对于基础节点处的抗剪能力有着很大的提升作用。

采用预制金属件和混凝土结合的方式的成熟使得多根原竹相交于一点的构造做法也有了新的进展。其主要结构节点为了满足其空间结构的杆件分布特点,都 采用的是多根原竹交于一点的做法,如图5-4,在该建筑节点中,中心连接体为事先预制好的圆形金属盘,上面均布有若干个孔洞。一端为半圆形的金属条作为原竹预制件和中心连接体连接的材料。原竹中灌入混凝土并将半圆形的金属条与混凝土固定,在外部绑上金属喉,待混凝土终凝完成后即可运往工地进行现场拼接。

图5-5展示的是另一种处理多根原竹相交于一点的方式,其目的在于利用更小的中心连接体来连接更多数量的原竹。具体做法为首先利用工具对原竹进行端部的砍削等处理后,在原竹端部灌入混凝土并插入螺杆或钢筋,随后用一个具有伸缩性的弹簧金属预制件收紧原竹端部,使其能够更好地与金属盖相结合。待混凝土终凝结束后,单个预制件便制作完,随后利用球形或圆柱形的中心连接件进行组装即可。这种做法的优势在于能够减小中心连接件的尺寸,同时连接更多根原竹。且由于原竹端部进行砍削并用弹簧金属预制件进行固定,很好地起到了统一材料规格的作用,此外,金属盖及弹簧金属预制件在于用于建筑基础构造时,具有一定的防水、防潮的作用。

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