影响柱选型的因素
大跨屋盖支撑柱形式的确定需要同时考虑它的受力需求和效果表达这二个功能,柱形的选择主要受三
个因素的影响,一是屋盖形态对柱受力的需求,二是下部主体结构对柱的制约和要求,三是建筑师对柱表
达作用的期望。
屋盖形态的需求
屋盖的形态往往揭示了其自然的传力途径,进而也暗示了理想的设柱位置,不同位置柱的受力状
态也随之被确定,然后就可以根据受力的需求选择与之适应的柱形式。
比如一个连续波浪形态的屋面,将每一个波峰视作一个拱形,那波谷就是理想设柱的位置。如果各个
拱形的尺度相当,则中间各拱的推力基本平衡,可以采用抗侧刚度不大的一端铰接的一字柱;当各拱的跨
度差异较大时以及边柱位置,则需要采用抗侧刚度更大的分叉柱或体量很大的一字柱。
如果屋面是平缓的形态,重力荷载下屋面基本是受弯的状态,普通的一字柱就可以胜任,如采用各类
分叉柱则是为了减小屋盖跨度或者展示柱自身的建筑效果。
对于各类单元式的屋面,稳定状态的柱,比如下端刚接的一字或树状柱、塔型的组合柱,都有机会让
各单元独自站立;自身状态不稳定的柱,比如下端铰接的一字或分叉柱,则匹配单元间相互倚靠形态单元。
下部结构制约条件
下部结构对柱选型的影响体现在两个方面。
首先是柱平面位置:由于建筑功能布置和下部结构柱网的限制,对屋盖而言理想的柱位并不一定能在
下部实现,从而会导致实际能设的柱位可能改变屋盖的理想受力状态,进而改变原本柱的受力需求。这对
于原本可以利用屋面形态实现轴向受力的屋盖影响较大,而对于原本就是平缓的以受弯为主的屋盖影响较
小。
其次是柱长度:由于下部结构上层楼面所在标高的不同,会使得支承屋盖柱的长度不同进而导致抗
侧刚度存在差异,特别是像航站楼这样存在众多楼层缺失和通高空间的建筑,这一刚度差异有时会非常巨
大。在地震和风作用下,哪些特别短的柱子会分担特别大的水平力,进而导致过大的截面需求乃至无法实
现,此时需要通过调整柱的约束方式甚至形态来减弱那些短柱的刚度以使水平力的分担更为均匀,比如将
悬臂柱改为下端铰接柱乃至摇摆柱。
建筑表达期望
柱的选型还取决于建筑师想多大程度上对柱进行表达。当屋盖结构本身已经有很强的建筑表现力时,
柱往往需要简化避免对屋盖的干扰,或者采用形式上与屋盖逻辑一脉相承的柱形;而当屋盖完全被吊顶遮
挡较为内敛时,柱被作为表达重点的机会就会上升,此时形象上表现力较强的分叉柱、组合柱使用的必要
性上升。摇摆柱也是一种表现力很强的柱形,由于其没有抗侧刚度,通常需要大大加强其他柱的抗侧刚度
来补偿摇摆柱的刚度缺失,同时提高屋盖面内刚度保证抗侧体系的有效发挥作用。通过柱的节点表达建筑的精致品质也是一种有效的结构表达方式,各种类型的组合柱,特别是带有铰接节点的组合柱,此时有大的用武之地。