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给建筑师的表白——让屋面板和楼板更薄

by 邵工——建筑结构工程师 Structural Engineer |2017年7月21日 | 施工技术, 材料知识, 结构产品, 装配技术
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导读:很多建筑师都希望在大悬挑或者大跨度的情况下,屋面板和楼板可以做到薄、更薄、超薄(成为建筑大师,就差这样一个代表作了,哈哈)。可是这对结构工程师来说,确实是很大的挑战。

臣妾做不到啊

因为板的刚度和截面高度的三次方成正比,所以板厚度降低一点,刚度就会下降很多。怎么解决这个问题呢?让我们慢慢道来。

一、我们发现了一个小问题

目前,不论是混凝土结构还是钢结构,建筑楼板和承重屋面板基本上只有现浇混凝土板一种形式,虽然能够很好满足一般建筑需要,但在一些对外观、实用性和工期要求较高的建筑中,其不足就显而易见了。

以混凝土结构为例,首先混凝土板需要现场湿作业,延长了施工工期,其次自重大,导致板跨度较小,板下部开间尺寸受到严格控制,主次梁的传力模式与额外的建筑面层更是减小了楼层的建筑净高(如图1所示),大大限制了建筑创造的范围,不利于新颖别致建筑的诞生。

图1:混凝土结构的主次梁

钢结构为例,网架结构(如图2所示)是一种优秀的双向传力空间结构体系,经常被用于大悬挑结构。然而如图3所示,1250的结构厚度,完成面却需要2050。多出来的2050-1250=800mm为檩托、檩条、包边龙骨等构件加起来的厚度。

图2:传统网架现场图片

图3:传统网架厚度示意

二、解决问题——用板桁架

建筑师希望结构厚度较薄的时候,网架结构显得无能为力。

为此,我们发明了一种板桁架结构系统——板桁架,并获得了国家发明专利证书(如图4所示)。板桁架是一种轻质超薄的空间传力板系统,拥有足够的强度和刚度,可以进行多向的悬挑,且无需湿作业,制作施工速度快。

图4:板桁架发明专利

如图5所示,两侧钢板(3、4)既作为受力结构,又充当了围护结构。

与现有技术相比,板桁架的有益效果是:工厂加工生产,现场拼装,全过程无湿作业,大大缩短的施工周期;取消主次梁,厚度小,自重小,无需建筑面层,增加了建筑净高;轴向受力,空间传力,提高了板各向的强度、刚度和跨度,有利于帮助建筑师实现设计意图。

图5:板桁架结构示意图

在图6中,通过将顶板(1)和底板(2)弯折,形成一定的弧度,可以让板桁架用在建筑屋面板,加强建筑的艺术美感。

图6:弧线效果

此外,我们对结构进行了一系列的构造措施优化,以解决保温、隔热、防腐、设备管线走空腔等问题。

三、板桁架力学性能

我们来看看1.25m的结构厚度和2.05m(如图3所示)的结构厚度的力学区别(对于同样的用钢量):

  • 强度:2.05/1.25=1.64,抗弯承载能力增加了64%!
  • 刚度: 1/(2.05/1.25)2=0.37,位移将只有原来的37%!【大悬挑结构主要是位移控制】
  • 而且,由于围护钢板都参与受力,刚度可以进一步大大提高!

结论:在同样厚度的情况下,较之传统网架,板桁架的强度和刚度更大。换言之,要达到同样的强度和刚度设计指标,较之传统网架,板桁架的厚度可以做的更小。

四、板桁架案例欣赏

此项目为日播活动中心,坐落在上海松江。整个建筑盘旋而上,只有两颗V型柱支撑。建筑内部无钢柱,幕墙立柱与结构柱统一设计。同时,楼板采用了板桁架专利技术,有一点的弧线效果,比较飘逸。

图7:板桁架应用案例图示1

图8:板桁架应用案例图示2

图9:板桁架应用案例图示3(内部无钢柱)

图10:板桁架应用案例图示4(内部无钢柱)

图11:板桁架应用案例图示5

图12:板桁架应用案例图示6(V形柱)

图13:板桁架应用案例图示7

备注:此发明专利所有者为上海泰大建筑科技有限公司。

 

邵工——建筑结构工程师 Structural Engineer

建筑一网(www.jianzhu1.com)是一群同济大学毕业建筑和土木相关专业毕业的研究生和博士组成的技术团体。我们自2011年始即开始从事结构设计和研究工作, 积累了大量的研究成果和创新技术,并整理了对中国规范、FIDIC合同、欧洲规范和美国规范的总结笔记。此外, 团队还在结构产品领域有所研究,并推出了超薄夹层、板桁架、无檩网架、装配式厂房和装配式酒店等相关装配式产品。

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