『竹之眼』 科学与艺术完美融合

凯发网址-专业的娱乐资讯网站 /2019-04-25来源:中国绿色时报
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  中国绿色时报4月25日报道  4月29日,汇聚全球园林园艺精华的北京世界园艺博览会将正式开园,届时,由国际竹藤中心竹藤生物质新材料研究团队和清华大学土木工程研究团队共同建造的国际竹藤组织园展馆将精艳亮相。
  竹藤馆位于世园会园区心脏,毗邻国际馆,占地面积3100平方米,是园内84个展馆中最值得浓墨重彩的场馆之一。
  竹藤馆用独具匠心的造型烘托出“创意竹藤 五洲风景”的主题。充满韵律的竹材汇聚成流畅的拱形,天然材料裹挟着自然气息,给人以回归自然的舒适感。这个巨大的拱形在大地上形成一个灵动的明眸,好似凝望园区的“竹之眼”。
  竹藤馆主体结构全部由圆竹材构成,单拱跨度长达35米,是目前中国跨度最大的圆竹结构场馆。竹藤馆是科学与艺术完美结合的典范。其设计灵感源于意大利卡德纳斯设计工作室马儒骁设计师,施工设计由清华大学土木工程研究团队负责,无支点结构设计及原材料处理技术由国际竹藤中心负责。建造团队通过对圆竹的巧妙搭配和受力点的合理安排,既传承了中国木结构传统建筑的精髓,又利用竹子柔韧的特性创造出流畅的美感,明眸状的造型同时也表达了天圆地方的中国古代哲学理念。
  该建筑是应用国际竹藤中心主持的“十三五”国家重点研发计划项目“竹资源全产业链增值增效技术集成与示范”的成果之一。
  攻克圆竹结构材料制备和建造多个难题,实现多项技术创新

 

竹藤馆主体结构

 

  国内最大跨度无支点竹拱建筑
  竹藤馆为圆竹竹拱建筑体系,主体部分采用5000多根毛竹建成。
  展馆屋顶由9榀圆竹拱作为主要受力体系,单拱跨度达35米,中间无任何支点,仅在拱脚两侧处采用混凝土侧墩进行压力传递。该设计融合了拱结构和桁架结构的双重优势,是目前中国最大跨度的无支点圆竹竹拱建筑。
  圆竹全尺寸标准材方便建造
  竹藤馆原材料的选择依据国际竹藤中心主持完成的“圆竹结构材应用技术研究”科技成果,严格选用标准化原材料,采用4-6年生毛竹,胸高以上的竹杆,长度为600±3厘米,最大直径为8-10厘米,尖削度控制在2厘米之内,含水率为8%-12%。建造前,先通过成套防霉防腐防虫蛀防火技术对原材料进行处理,使原材料达到尺寸规格化、性能稳定。制备檩条构件和圆拱构件时,先用高温处理将标准材调直,或调制成一定弧度,以满足不同位置处的竹拱需求。此外,在圆竹标准材的两端增加金属喉箍,起到固定和防止开裂的作用。

 

圆竹金属喉箍件

 

  组合式圆竹结构构件重塑承载模式
  竹藤馆主体结构充分利用了圆竹优良的抗弯性能,将168根圆竹通过纵向和横向连接,组合成35米跨度的圆竹拱构件,作为竹藤馆的主要受力构件。然后以4根圆竹为一组,通过横向连接形成檩条,作为圆竹结构的横向承载构件单元。檩条搭置于竹拱之间,连接相邻两拱,起到承担和分散馆顶压力的作用。竹藤馆的整体结构通过竹拱件和竹檩条的合理配合,实现了大跨度圆竹结构的承载模式。
  精确计算圆竹多管状结构力学
  国际竹藤中心竹藤生物质新材料研究所和清华大学土木工程院结合双方的专业理论知识和前期数据积累,对圆竹管状结构的受力情况进行了详细的计算分析,结合有限原技术将圆竹管状结构力学及变形进行了精确的模拟,为圆竹结构构件的设计和力学计算提供了基础理论数据。
  安装了位移力学测试装置,多点位移计测点布置与全站仪测点位置相对应,需要测竹拱竖向位移、拱面内水平位移、拱面外水平位移。多点位移计的基准点位于脚手架基座上。

 

竹藤馆竹拱构件

 

  创新圆竹纵向连接技术
  大跨度结构的首要需求是原材料纵向连接技术。32米长跨度的竹拱构件,需要168根长600±3厘米的圆竹标准材通过纵向接长来制备。研究团队共同研发了大竹筒内套小竹筒,用气钉将大小竹筒连接加固的圆竹接长技术。由于小竹筒连接件与大竹筒材质相同、性能相近,如此操作可使连接处在受力过程中既能发生同步变形,又能够很好地调至相似的弧度,工艺简单,是良好的圆竹连接技术。
  巧妙组合解决圆竹径向连接
  每个竹檩条构件由4根圆竹标准材组成,通过直径方向相互连接,形成横截面为“田”字型的构件,即上下各两根。
  为了保证檩条两端的强度相近、结构稳定,减小圆竹标准材固有的尖削度影响,设计中,将4根圆竹标准材分为2组,大小端交错排列,并通过螺栓螺母将4根竹条两两连接,形成一个竹檩条构件,实现圆竹直径方向的合理连接,形成多管束结构件。

 

竹檩条分布

 

  三技融合实现竹拱结构应力分散
  本设计主要通过竹拱截面设计、竹拱与侧墩连接和增加拉索3项技术,实现大跨度竹拱结构的应力分散。一是竹拱设计采用变截面桁架拱,结构兼具拱和桁架结构的双重优势,大大分散了竹拱的应力;二是在竹拱两侧修建混凝土侧墩,并在拱脚和侧墩连接处加灌水泥,降低拱脚处应力集中,防止拱脚处圆竹开裂或断裂;三是在竹拱两侧增加拉索,拉索在桥梁中常被用作受拉结构,用在竹拱中可以增大竹拱腹杆拉杆的容许应力。
  预制构件方便转配圆竹结构
  竹拱构件和竹檩条构件均可通过工厂预制而成。通过对单根竹标准材进行纵向连接,形成单根全尺寸跨度的单元,对该单元再进行径向技术连接,形成圆竹拱构件的二级单元,再通过螺栓螺母在直径方向连接形成1/2竹拱,并通过木质连接和螺栓螺母将两个1/2竹拱连接成一个完整的竹拱构件。对4根圆竹标准材通过径向螺栓两两相连形成横截面为田字型的竹檩条构件。通过预制好的构件来建造圆竹结构,施工简单,且会大大缩短工程周期。

 

混凝土侧墩

 

  双向把控消除竹建筑防火隐患
  该结构建筑的防火设计从原材料的处理和防止火源两个方向进行。一是采用阻燃处理工艺对原材料进行处理,使得其耐火等级和燃烧等级满足国家标准;二是通过阻止火源的方法,在地下和墙体内部预埋电线管道,使得电源不暴露在外面,防止火源直接接触材料,从而达到阻止或延迟火源蔓延。
  防护处理延长竹结构使用寿命
  圆竹材的标准化、规格化预制,是增加耐久性的前提。结合当地的气候特性,工程对圆竹原材料进行相应的成套防护技术处理,保证了圆竹材料的使用寿命;精确的结构力学设计以及力学性能预测,使得此馆可以抵抗风荷载和雪荷载。对圆竹材料的因地制宜改性处理和合理的结构设计,使得国际竹藤馆的使用寿命至少可达15年。
  北京世园会国际竹藤组织展馆,传承了传统文化,践行了现代理念,创新了建筑技术,实现了圆竹材大跨度无支点应用,为圆竹结构材标准化、规格化、商品化发展奠定了基础。