文/中國建筑設計研究院有限公司 劉 旻 霍文營 郭 強 鄭世偉 張 路 施 泓

0 引言

受新冠肺炎疫情影響，以短期范圍解決新冠疫苗產(chǎn)能、長期方向提升生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)研發(fā)能力為目的的一系列醫(yī)藥類建筑工程迎來建設高峰?？婆d系列項目作為其中的標志性建設工程，在建筑結(jié)構(gòu)設計領域延續(xù)其一貫的創(chuàng)新型設計思維。本文對科興系列工程采用的綠色低碳景觀結(jié)構(gòu)及其研究成果進行系統(tǒng)性介紹，并為后續(xù)工程的技術(shù)開發(fā)梳理方向。

本文介紹的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新技術(shù)主要涵蓋兩個方面，即以改進型切割殼體方案為主要技術(shù)特征的創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)承載體系的開發(fā)應用及新型綠色低碳材料應用及其技術(shù)特征分析。涉及的工程案例包括科興社區(qū)公寓項目和科興天富景觀棚架項目。

1）科興社區(qū)公寓項目 作為高烈度地區(qū)的新型居住類建筑，為同時保證人的體驗和建筑外觀，創(chuàng)新性地引入“重結(jié)構(gòu)”與“輕結(jié)構(gòu)”設計理念；在室外功能性景觀建筑物的綠色構(gòu)建方面提出諸多新穎、實用的設計理念。項目室外景觀結(jié)構(gòu)典型效果如圖1所示。

1 科興社區(qū)公寓項目室外景觀結(jié)構(gòu)典型效果

2）科興天富廠區(qū)景觀棚架項目 作為投產(chǎn)階段科興天富廠區(qū)的景觀改造提升工程，其立足于既有建筑室外空間的品質(zhì)提升，重點采用新型切割殼體空間結(jié)構(gòu)體系和綠色輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。項目整體建筑效果如圖2所示。

2 科興天富廠區(qū)景觀棚架整體建筑效果

1 新型切割殼體空間結(jié)構(gòu)體系

科興系列工程包括新型居住類建筑、新型工業(yè)生產(chǎn)研發(fā)基地。為匹配主體建筑的高標準設計要求，配套室外景觀建筑物的設計要求涵蓋綠色、輕盈、低碳等方面。

1.1 傳統(tǒng)單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的局限性

傳統(tǒng)單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系具有良好的結(jié)構(gòu)承載力學性能，其作為室外景觀功能建筑物時具備良好的適用性，但在適配科興系列工程的建筑方案創(chuàng)作中發(fā)現(xiàn)部分可繼續(xù)改進的技術(shù)要素。

1）在室外環(huán)境條件下，鋼結(jié)構(gòu)材料無法完全滿足耐腐蝕、免維護等耐久性設計要求，亟需新型結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)與應用。

2）當室外景觀構(gòu)筑物采用膜結(jié)構(gòu)等輕質(zhì)屋面材料時，結(jié)構(gòu)自重已成為建筑物主要設計恒載，應盡量降低結(jié)構(gòu)自重，或直接選用輕質(zhì)高強新型結(jié)構(gòu)材料。

3）傳統(tǒng)單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在兩個大小不等殼體交接時，難以處理交界面位置三角形分割的標準化模數(shù)問題，對建筑效果和構(gòu)件加工造成不利影響（見圖3）。

3 單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)交界面示意

1.2 新型空間結(jié)構(gòu)體系

結(jié)合科興天富廠區(qū)景觀棚架項目的工程實踐，提出新型空間結(jié)構(gòu)體系，完成效果如圖4所示，結(jié)構(gòu)計算模型如圖5，6所示。

4 科興天富廠區(qū)景觀棚架建筑完成效果

5 科興天富廠區(qū)景觀棚架結(jié)構(gòu)單元計算模型

6 科興天富廠區(qū)景觀棚架結(jié)構(gòu)整體計算模型

1.3 主要技術(shù)特征

1）針對傳統(tǒng)空間殼體結(jié)構(gòu)，采取建筑幾何切割改進方案，利用投影面等邊三角形切割，保證雙殼體或多殼體結(jié)合位置的幾何模數(shù)規(guī)則性。典型方案生成如圖7所示。

7 典型方案生成示意

2）結(jié)合建筑幾何生成過程，配合結(jié)構(gòu)合理化設計策略。①針對殼體結(jié)構(gòu)等邊三角形切割后引起的環(huán)向約束缺失問題，設置預應力約束平索結(jié)構(gòu)，最大程度恢復原始殼體結(jié)構(gòu)的環(huán)向約束效應，提升結(jié)構(gòu)承載效率，預應力平索設置方案如圖8，9所示。②考慮室外景觀構(gòu)筑物耐久性需求，選擇耐腐蝕性能較強的不銹鋼及鋁合金作為主要建筑材料，其中，不銹鋼材料既有良好的耐腐蝕特性又可基本滿足鋼材的承載性能，主要用于豎向構(gòu)件、環(huán)梁等應力水平較高的構(gòu)件；鋁合金材質(zhì)具備良好的耐腐蝕特性，承載力水平略低于鋼材，但結(jié)構(gòu)自重僅為鋼材的1/3，主要用于結(jié)構(gòu)荷載敏感的水平構(gòu)件；殼體節(jié)點部分因需要焊接工藝，故優(yōu)先選用高強度不銹鋼材質(zhì)（鋁合金材料不適宜采用焊接工藝），高強度不銹鋼和鋁合金材料的選用范圍如圖1 0，11所示。③結(jié)合部分建筑高大立柱，為有效保證構(gòu)件纖細、通透的效果，采用外張式張弦柱方案，利用約束索對芯柱構(gòu)成有效側(cè)向約束，最大程度降低芯柱構(gòu)件截面尺寸，現(xiàn)場完工張弦柱效果及其結(jié)構(gòu)做法如圖12所示。④部分復雜節(jié)點采用專項設計措施，如多柱合一位置采用鑄鋼節(jié)點做法（見圖13），鋁合金與不銹鋼節(jié)點交接位置采用新型嵌套節(jié)點方案（見圖14）。⑤結(jié)合新型節(jié)點樣式開發(fā)，將鋁合金結(jié)構(gòu)構(gòu)件的型材選用從傳統(tǒng)工字形截面改為矩形截面，在有效提升構(gòu)件承載性能（尤其是平面外穩(wěn)定性能和抗扭性能）的基礎上有效減少構(gòu)件截面尺寸，進一步提升建筑纖細、通透外觀效果。工字形截面與矩形截面計算尺寸如圖15所示。

8 單元模型預應力平索設置示意（紅色突出顯示部分）

9 整體結(jié)構(gòu)預應力索設置示意（紅色突出顯示部分）

10 高強度不銹鋼材料選用范圍示意（紅色突出顯示部分）

11 鋁合金材料選用范圍示意（紅色突出顯示部分）

12 張弦柱完成效果及其結(jié)構(gòu)做法示意

13 多柱合一鑄鋼節(jié)點

14 鋁合金與不銹鋼交接位置嵌套節(jié)點

15 工字形截面與矩形截面計算尺寸

2 新型綠色低碳建筑材料及其應用

在科興系列項目設計過程中，新型綠色低碳建筑材料的選用及設計探索貫穿整個室外景觀功能建筑的全過程，科興社區(qū)公寓項目和科興天富廠區(qū)景觀棚架項目均有應用，涉及的結(jié)構(gòu)材料及其對應結(jié)構(gòu)體系包括木結(jié)構(gòu)、竹結(jié)構(gòu)、鋁合金結(jié)構(gòu)、不銹鋼結(jié)構(gòu)、復合材料組合結(jié)構(gòu)等，具體應用如下。

2.1 木結(jié)構(gòu)及其應用

在科興社區(qū)公寓項目中，室外景觀功能建筑的木結(jié)構(gòu)方案包括木拱方案和鋼木組合殼體方案。

1）單向木拱殼體方案 木結(jié)構(gòu)單向設置木拱+次方向木梁（考慮木結(jié)構(gòu)生產(chǎn)加工工藝及節(jié)點構(gòu)造的效率最高）。最大結(jié)構(gòu)跨度約36m，結(jié)構(gòu)材料選用進口膠合木TCT32規(guī)格，典型結(jié)構(gòu)計算模型如圖16所示。該方案的技術(shù)優(yōu)勢為構(gòu)件數(shù)量少、加工安裝方便，相對應的單根構(gòu)件截面尺寸相對較大，主要木拱梁采用300mm×700mm截面規(guī)格。

16 單向木拱殼體方案

2）木穹頂方案 采用半剛接節(jié)點連接樣式的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系及三角形單元分割。相較于單向木拱殼體方案，主要技術(shù)優(yōu)勢為構(gòu)件截面纖細且加工工藝成熟，結(jié)構(gòu)承載模式相對合理，構(gòu)件應力水平如圖17所示。

2.2 竹結(jié)構(gòu)及其應用

相較于相對成熟的木結(jié)構(gòu)，竹鋼材料及其搭建的竹結(jié)構(gòu)以構(gòu)件強度高、原材料國產(chǎn)化、綠色低碳等技術(shù)優(yōu)勢獲得科興項目設計團隊的青睞?，F(xiàn)階段竹結(jié)構(gòu)在我國建筑結(jié)構(gòu)設計領域中缺乏規(guī)范支撐，但參考鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等相關(guān)規(guī)范要求，外加專業(yè)竹結(jié)構(gòu)生產(chǎn)加工廠家的配合，其依舊是技術(shù)優(yōu)勢顯著的綠色低碳結(jié)構(gòu)形式。

竹鋼材料及其技術(shù)優(yōu)勢如下。

1）竹鋼材料抗彎、抗壓、抗拉強度通常在膠合木材料的1.5～3.0倍以上，材料性能顯著。

2）竹鋼材料為典型負碳材料，高度匹配我國碳中和發(fā)展策略。

3）竹鋼材料具有國產(chǎn)化優(yōu)勢，相較于膠合木材料基本依靠進口現(xiàn)狀，國內(nèi)竹結(jié)構(gòu)材料的市場潛力巨大。同時，竹鋼結(jié)構(gòu)材料相較膠合木材料，在碳排放、導熱系數(shù)、阻燃性能、防腐性能、防蟲性能等方面具有顯著的優(yōu)勢。

科興社區(qū)公寓項目采用竹鋼材質(zhì)構(gòu)件搭建室外景觀構(gòu)筑物，結(jié)構(gòu)計算模型如圖18所示，經(jīng)驗算可有效滿足規(guī)范要求，該結(jié)構(gòu)體系可實現(xiàn)安全可靠、美觀舒適的設計目標。

18 竹結(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)計算模型

針對單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)剛接節(jié)點的技術(shù)要求，科興社區(qū)公寓項目的竹結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼采用半剛接節(jié)點構(gòu)造（節(jié)點剛度達剛接節(jié)點樣式的90%以上），典型節(jié)點樣式如圖19所示。

19 竹結(jié)構(gòu)半剛接節(jié)點樣式

2.3 復合材料組合結(jié)構(gòu)及其應用

1）在科興天富廠區(qū)景觀棚架及其新型空間結(jié)構(gòu)體系的介紹中，已詳細分析高強度不銹鋼材料與鋁合金材料組合結(jié)構(gòu)體系的應用，此處不再復述。

2）在科興社區(qū)公寓項目的室外景觀功能建筑設計中，基于業(yè)主單位提出的六邊形企業(yè)醫(yī)藥標識的外觀需求和結(jié)構(gòu)三角形單元格殼體穩(wěn)定的安全需求，探索選用鋁合金構(gòu)件與竹鋼構(gòu)件的組合型空間結(jié)構(gòu)體系。其中，鋁合金構(gòu)件強度較高，編織六邊形網(wǎng)格部分構(gòu)成企業(yè)標識；竹鋼構(gòu)件進行網(wǎng)格劃分，保證三角形結(jié)構(gòu)單元和整體網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的幾何穩(wěn)定。具體方案如圖20所示。

20 竹鋼與鋁合金組合網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)（紅色桿件表征鋁合金構(gòu)件；藍色桿件表征竹鋼構(gòu)件）

3 結(jié)語

1）科興天富廠區(qū)景觀棚架項目及其選用的新型空間結(jié)構(gòu)體系可在保證結(jié)構(gòu)承載合理性的同時，最大程度地提升景觀廊架多模塊組合及空間平面布置的靈活性，是對傳統(tǒng)單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系的實用性改進方案。

2）科興系列項目及其采用的以木結(jié)構(gòu)、竹結(jié)構(gòu)、鋁合金結(jié)構(gòu)、不銹鋼結(jié)構(gòu)、復合材料組合結(jié)構(gòu)為代表的新型綠色低碳建筑材料應用型結(jié)構(gòu)體系，響應了我國“雙碳”發(fā)展戰(zhàn)略；同時，其合理化結(jié)構(gòu)設計方案保證了整體結(jié)構(gòu)承載效率，是安全、高效的新型材料結(jié)構(gòu)體系。