基于科興系列項目的綠色低碳型景觀結(jié)構(gòu)研究

文/中國建筑設(shè)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(shè)高峰。科興系列項目作為其中的標(biāo)志性建設(shè)工程，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域延續(xù)其一貫的創(chuàng)新型設(shè)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(yīng)用及新型綠色低碳材料應(yīng)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(shè)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計要求，配套室外景觀建筑物的設(shè)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(xué)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(shè)計要求，亟需新型結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)與應(yīng)用。

2）當(dāng)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(shè)計恒載，應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(shè)置預(yù)應(yīng)力約束平索結(jié)構(gòu)，最大程度恢復(fù)原始殼體結(jié)構(gòu)的環(huán)向約束效應(yīng)，提升結(jié)構(gòu)承載效率，預(yù)應(yīng)力平索設(shè)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(yīng)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(fù)雜節(jié)點采用專項設(shè)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(chǔ)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(yù)應(yīng)力平索設(shè)置示意（紅色突出顯示部分）

9 整體結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力索設(shè)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(yīng)用

在科興系列項目設(shè)計過程中，新型綠色低碳建筑材料的選用及設(shè)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(yīng)用，涉及的結(jié)構(gòu)材料及其對應(yīng)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(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)等，具體應(yīng)用如下。

2.1 木結(jié)構(gòu)及其應(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)力水平如圖17所示。

2.2 竹結(jié)構(gòu)及其應(yīng)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(shè)計團隊的青睞。現(xiàn)階段竹結(jié)構(gòu)在我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)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(dǎo)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(shè)計目標(biāo)。

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(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)及其應(yīng)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(yīng)用，此處不再復(fù)述。

2）在科興社區(qū)公寓項目的室外景觀功能建筑設(shè)計中，基于業(yè)主單位提出的六邊形企業(yè)醫(yī)藥標(biāo)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(biāo)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(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)為代表的新型綠色低碳建筑材料應(yīng)用型結(jié)構(gòu)體系，響應(yīng)了我國“雙碳”發(fā)展戰(zhàn)略；同時，其合理化結(jié)構(gòu)設(shè)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。