加拿大菲利普?柯里恐龍博物館

加拿大菲利普?柯里恐龍博物館

Philip J. Currie Dinosaur Museum

地點：加拿大阿爾伯特省

業主：大草原縣

建筑設計：Teeple建筑師事務所

總承包商：PCL建設管理公司

面積：29 000平方英尺

完工時間：2014年

Location: Pipestone Creek, Grand Prairie, Alberta, Canada

Client: County of Grande Prairie No. 1

Architect: Teeple Architects

General Contractor: PCL Construction Management

Building Area: 29 000 sqft

Completed: 2014

概述

這座占地2920平方米的博物館坐落在阿爾伯特省大草原附近傳說中的派普斯通恐龍骨床發掘地。該項目的特色在于其擁有一個復雜幾何結構的屋頂，采用暴露在外的木制梁柱結構對其作為支撐，這些梁柱的造型猶如恐龍的骨架一般，博物館便隱于其中。建筑師們從一開始便表達了對使用木材的渴望，甚至想到讓這些骨頭看上去更逼真，給人們呈現出一個視覺振奮的骨架結構。

挑戰

前期的造價分析顯示采用木材結構的設計方案似乎太昂貴了，因此當時也準備了一套全鋼筋結構的方案。然而，使用木結構的方案似乎更能滿足其本身的結構本質。采用重型木結構作為結構支撐將是相當直白的，但由于復雜的幾何設計和各種變角，問題變成了結構“節點” — 這些梁柱間的交叉連接點 — 是否有方法可以讓這些節點和結構本身無縫連接把這款建筑設計化為現實呢？粗壯的鋼結構連接從視覺上來說就無法滿足這個要求，但如果使用木結構的話又如何使用巨大的結構支撐力將8根（1.6米粗）長方形的膠合木以同樣的3D角度連接起來，并且外觀造型也令人滿意呢？

結構工程師在與建筑師的交談當中獲得了諸多創意，其中之一便是讓該建筑整體造型中能夠體現出梁與柱自然地延伸交匯于彼此的節點的獨特設計。

最初的想法是從一個巨大的鋸材料中切割出一個節點，但是所必需的鋸材尺寸以及對應成本清楚地告訴我們這個想法行不通。結構工程設計公司StructureCraft選擇將這些巨大的復雜節點切割成操作起來比較可行的平面材，然后把它們粘合起來達到最終的立體造型。這就像3D打印一般，只是這里運用了多層疊加的膠合板。其使用數控機床對一整疊常規4'x8'膠合板像敲章一樣切割出所需形狀的材料，同時也將材料浪費最小化。

通過與建筑師在工作中的不斷互動，最終完成的節點基本遵照了最初的想法，尺寸也符合相關要求。在解決了這個幾何建筑學上的問題，StructureCraft和Fast+Epp兩家公司的工程師又要研究另一大問題——如何對這個復雜連接的結構荷載力進行分析。

工程與建模

試著分析一個由多層正交異性和非均勻材料粘合一起，被80顆螺釘無相互依靠地釘在不同角度和長度上的巨型三維體后，發現沒有任何可行性，即便使用最新的有限元軟件。這些節點對于木材連接工程來說是具有突破性的嘗試，因為它們具有獨特的結構表現。面對如此的復雜性，無疑需要更為仔細的分析和測試。

為了檢查這些節點的力度荷載和失效機理，在工程車間做了相關測試：將用膠合板組合疊加而成的柱子像這些節點裝配一樣進行粘合固定。通過對使用和不使用螺釘加強的對比測試，可以推導出應力參數，它可以反過來對節點本身的結構進行分析。使用直徑為19mm長度為1200mm的螺釘來完成“拉壓桿”模型的制作方式，這就如同混凝土里的鋼筋。

制作

與此同時，設計和建造團隊仍然不得不面對如何有效并經濟地做出這些節點的問題。他們需要重點依靠3D建模軟件來進行優化、螺釘放置以及質量控制。

開始，這些梁和柱的幾何形狀被輸入到Rhino 3D（犀牛造型軟件）。為了加快對節點的分析和建模，研究人員創建了相應的腳本語言來自動完成各個節點及其相應膠合板層的虛擬開發。每一個節點的二維異形層都是獨一無二的，多方位的，因此，數控技術是一種顯而易見的制造方法。Grasshopper，一款在Rhino環境下運行的采用程序算法生成模型的插件，推動這一過程，使之成為一個真正的數字制造的設計范例。

最大的節點須大于1500mm高2400mm寬，并裝有大約180個數控件。每個厚度為16mm的數控件在一定程度上受到4'x8'尺寸的標準膠合板的固定。經過優化之后，這1250個數控件和250片膠合板的布局可以一起完成。每一塊數控件都有自己的全球節點編號以及在具體項目中的位置編號。

但是當這些膠合板層被制作完成后，如何對它們進行索引并精確排列放置呢？三維自動化也包括在每一層上被整齊放置的小鉆孔，每一層上將允許安裝150mm長木銷釘，因而可以將這些膠合板層相互間精準地堆疊。

完成層組件安裝后，最棘手的一步還在前方 — 如何準確安裝80顆增強螺釘同時又不與其他螺釘和口碰撞？如上所述，每一個節點的擴展都具有不同方向和大小的對角線加強螺釘。螺釘安裝的最后階段是車間樓板和用于仔細定位各個螺釘的三維模型之間的緊密協作。

在整個制作過程中，進行了工程審查和大范圍的質檢監控來確保整體節點和單個節點的擴展都符合相關容許度，因為之后在這些節點上要連接梁和支柱。

安裝

臨時鋼柱在Z方向固定住這些節點而同時在X和Y方向上的節點和斜拉鎖一起調整。這些節點需要精確地放置在三維空間中以便拉起過程會順利進行。節點被安全地放置后，相關的梁和支柱連接到每個節點的擴展點上。

獲獎

2015年木結構設計獎: 木材廣泛使用特殊建筑設計

2015年木結構設計獎: 優秀工程

2015年木結構設計獎: 木結構工程倡導獎模范提名和地方推選

平面圖

軸測圖