竹材作为建筑材料具有很大优势:中国竹资源丰富, 竹生长速度快, 再生能力强, 在刚度要求较其他材料略有放宽的情况下, 其综合成本低于钢材、混凝土等其他建筑材料;竹材质量轻、强度高、延性好, 可以做成抗震优良的结构;竹子易于加工成各种各样的形状和造型, 如穹顶、梁柱框架、桁架网架、拱和编织结构等。在被钢、混凝土建筑包围的现代城市中, 独具文化特色的竹建筑可以创造出人们喜爱的居住及生活环境^[1]。

　　 然而, 竹建筑的机遇与挑战是并存的。其机遇体现在:政府部门正在大力推广绿色建筑和装配式建筑。而竹材本身就是绿色环保高产的可再生材料, 并且它属于外观属性、功能属性及结构属性统一的建材, 不需要额外耗费大量建材做外观及内饰;竹材为轻质材料, 非常适合模块化生产和装配式施工, 在重庆市渝北区兴隆镇小五村修建的13.5m跨度的一心桥及杜家村修建的跨度为21m的观音桥充分证明了装配式竹结构的可行性, 在未来的装配式建筑中竹材有广阔的应用前景。竹建筑面对的挑战主要体现在:竹材是天然材料, 截面尺寸及材料性质有较大差异, 不易标准化, 节点不易处理, 现有工业化技术无法得到充分应用, 致使竹材的加工工艺仍处于原始落后的状态, 耗费大量人工, 对技术工种的依赖较大;竹材的耐久性、干裂及防火等问题未得到很好解决, 使竹建筑的推广受到了一定阻碍;竹材刚度较低, 节点脆弱, 使竹结构的跨度及承载能力受到一定限制^[2,3]。

　　 但是随着科研工作的推进, 上述问题已陆续有了部分应对措施:第一, 采用金属件节点及局部混凝土注浆加固代替原有的绑扎节点, 提高了节点在长期荷载作用下的可靠度, 节省了人工, 也减小了天然竹材尺寸参差不齐对节点加工带来的困难。金属箍圈的局部加固也避免了竹材在干燥环境中不均匀失水产生的开裂问题。第二, 以碳化、蒸煮和油浸为代表的新型防腐防霉防火防裂工艺的出现, 增加了竹结构的使用年限, 也美化了竹结构的外观。第三, 将竹材与其他材料混合使用, 形成组合结构或混合结构, 不同材料发挥各自优势共同参与工作, 可以弥补竹材在力学性能上的一些不足。

　　 目前, 竹结构在建筑工程中的应用逐渐向大跨空间结构的方向发展。在2019北京世园会国际竹藤组织园工程项目中将竹元素融入承载结构主体, 竹拱跨度已达到32m, 本文以此工程项目为例对大跨竹结构设计及耐久性措施进行详细叙述。

　　 2019北京世园会国际竹藤组织园 (简称国际竹藤馆) 位于国际馆东侧, 是一个体现竹主题特色的展馆, 室内面积约1 600m²。国际竹藤馆建筑方案由意大利设计师Mauricio Cardenas Laverde完成, 应用“竹之眼”的理念进行设计, 国际竹藤馆 (图1) 由高低错落, 形似“眼”一般的巨大竹拱构成。9个巨大的落地竹拱支撑起屋顶花园, 下面藏匿展厅和展室, 实现了展馆和竹园的解构与融合, 将建筑、竹构和景观相互交织成一个有机整体。

　　 国际竹藤馆主体结构部分由9个巨大竹拱及檩条构成, 主体结构及附属结构一共采用了5 000多根竹子, 竹拱单拱最大净跨达到了32m, 从室外起拱线位置起算, 屋顶花园的最大拱跨达到54m, 是目前中国单拱中最大跨度的竹拱结构。主拱下为大面积无柱空间, 使展区空间布置非常灵活。国际竹藤馆屋顶设计如图2所示。

　　 本项目较大的挑战是工期, 整个项目从2018年8月中旬概念方案选定到2019年4月中旬完工, 一共只有8个月时间来完成土建、装饰及园林工程的设计及施工。为克服时间紧迫的问题, 采取了如下措施:第一, 采用了EPC模式, 即设计、采购、施工总承包的方式, 有效地提高管理和沟通效率;第二, 采用了模块化设计, 将竹拱类型统一为32m跨的大拱和28m跨的小拱两种, 这极大地方便了标准化的生产加工, 节省了工期, 并且使工期和预算在整个过程中处于可控状态。

　　 如图3所示, 国际竹藤馆的主要承载体系由9个竹拱构成, 9个竹拱按5m间距沿东西方向依次排列。从入口处至出口处依次是两幅小拱, 一幅大小联合拱, 三幅大拱, 一幅联合拱, 两幅小拱。大拱净跨为32m, 拱下净高为7.55m, 矢跨比约1∶4.2, 小拱净跨为28m, 拱下净高5.2m, 矢跨比约1∶5.2。联合拱是由上部一个大拱和下部一个小拱组成, 中间有立柱和隔断, 位于大拱与小拱交界位置。竹拱结构的平面布置如图3所示。

　　 在设计拱结构时, 为满足建筑师创作的优美屋顶形态, 屋顶线形设计并不是规则的圆弧, 而是顶部为圆弧, 在近拱脚处带有反弯点, 从而淡化了拱与地面的分界线, 为了解决屋顶的复杂线形的问题, 设计采用了拱落地但竹拱不落地的思路, 如图4所示, 用直立的基础将竹拱拱脚抬高到一定高度, 落地部分用填土回填, 因此竹拱就被统一成两种标准化的圆弧形状。

　　 竹拱的选型是本设计的重点。相对于钢结构及混凝土结构, 由于竹材弹性模量较小, 竹拱的设计必须重视刚度问题。无论是跨度32m的大拱还是跨度28m的小拱, 在竹结构领域都属于大跨竹结构, 因此在设计上考虑采用桁架拱结构, 这是由于桁架拱掏空了上弦与下弦之间对刚度贡献较小的部分, 采用较少的材料就能维持足够的抗弯刚度及稳定性, 使得竹拱在外观上显得轻盈。如果采用裸拱方案, 通过计算需要将很多竹子并成一束来构造竹拱, 这样不仅使竹拱外形上会变得十分笨重, 并且会耗费大量通过热弯工艺加工的竹拱, 由于热弯工艺非常费工费时, 使成本及工期都不满足要求。因此竹拱的结构形式最终确定为变截面桁架拱, 上弦与下弦各由14根直径8～10cm圆竹构成, 在支座位置桁架高1.3m, 跨中桁架高0.8m, 上弦与下弦之间用若干150×100矩形截面的花旗松直腹杆及斜腹杆进行连接。相邻拱之间设置横撑, 其截面为4根圆竹 (上排下排各两根) , 且在基础与竹杆之间设置ϕ11交叉拉索。28, 32m跨竹拱结构立面图及剖面图如图5所示。腹杆不采用圆竹而采用木材的主要原因是考虑到腹杆有一部分是传递拉力的构件, 因而存在拉节点, 而圆竹竹壁较薄且顺纹抗剪强度较低, 致使螺栓孔壁受压能力较弱, 拉节点可靠性较低, 为了保证节点的可靠性, 选用了木材代替竹材作为腹杆。

　　 竹拱的间距为5m, 结构需要设计横向构件来传递屋面荷载。为了使竹拱显得轻盈, 屋顶及横向构件的设计都采用轻质构件, 屋顶四周的屋顶花园采用压型钢板+种植槽以及满足草本植物能够生长所需的覆土, 中部透光的部分采用阳光板, 横向构件檩条在竹木结构及钢结构之间选型。最终屋顶花园部分的支撑采用圆竹檩条, 透明阳光板部分的支撑采用钢檩条。其原因有以下两个方面:第一是设计方面, 阳光板对变形的限制较严格, 选择钢檩条有利于挠度的控制, 避免阳光板发生脆性破裂;另外, 采用钢檩条还可以适当放宽檩条间距, 结构会显得干净利落。屋顶花园部分为种植土壤, 对挠度限制没有那么严格, 可以采用竹檩条;另外, 屋顶不透明, 即使竹檩条布置密度大一点, 只要檩条的色泽与竹拱、竹编吊顶相似, 就可以把密度较大的竹檩条隐藏起来;且屋顶花园部分采用较大密度的竹檩条优于较小密度的钢檩条, 因为它能够使每一个种植槽都能够落脚在檩条上, 从而避免压型钢板受弯, 即使在种植土重力作用下屋顶发生下挠, 也是非常协调的变形, 不影响视觉效果。第二是施工方面, 支承阳光板的龙骨与支柱都是钢构件, 檩条采用钢构件比采用竹构件的节点连接效率高;而在屋顶花园部分, 檩条与压型钢板的连接最有效最快捷的方式是采用射钉连接, 选择竹檩条作为结构构件较为合适。

　　 设计选择无推力拱是考虑到场地地基土质松软, 基岩埋深较大, 地基无法直接承受水平推力;于是在地面以下设置拉索将每个拱两侧基础连接起来, 以限制拱脚的水平位移, 从而由拉索承担拱产生的水平推力, 并且通过将基础重心前移的方式有效提高了基础抗倾覆能力。这样最终基础埋置深度为1.2m即可满足要求, 有效降低了施工难度, 节省了工期和预算。

　　 在两铰拱和无铰拱中, 设计选择了无铰拱。这是考虑到国际竹藤馆带有屋顶花园, 具有较大的恒荷载, 并且地处八达岭以外的延庆, 常年有西北风, 冬季和早春可能出现较大的积雪荷载, 并且风荷载与积雪荷载可能不对称。竹材本身弹性模量较小, 在较大的恒荷载及活荷载作用下会产生较大变形, 如果两端支座为铰接, 会产生比拱脚固支更大的挠度。在不对称荷载作用下, 支座对拱的转动约束不足还会影响到拱圈平面内、外稳定性。因此按照无铰拱来设计更为保险。为了达到无铰拱的设计要求, 保证竹拱在基础位置实现固端约束, 每个竹拱在支座位置设置了钢靴底座来增加拱与基础连接刚度, 如图6所示。钢靴相当于是竹拱的脚, 使竹拱结构在外观上看上去稳重而厚实。支座由带底板的六边形钢靴及钢管组成, 钢管焊接于钢靴钢底板上, 钢底板另一侧焊有螺纹钢筋, 用于锚入混凝土基础内。施工时将竹拱外包钢靴内插钢管, 竹拱端部抵在钢靴底板上, 并用螺杆将竹拱与内插的钢管固定。钢靴内及支座范围内的竹筒内均进行注浆填充, 并对注浆段的竹筒外设置抱箍以防竹材在注浆过程中开裂。上述连接方式有利于提高竹结构与基础连接的可靠性及连接刚度。由于竹拱自重较轻, 设计时还必须考虑结构满足抗拔的要求, 因此在基础与拱之间设置交叉拉索, 将竹拱与相邻竹拱的基础连接在一起。拉索较为纤细, 不影响建筑的整体外观。

　　 为了确保国际竹藤馆在2019北京世园会运营期间的安全性, 对主体结构进行了结构验算。进行有限元计算时必须重点确定的是:1) 结构模型及边界条件;2) 材料力学参数取值;3) 控制指标的取值;4) 荷载取值。

　　 在结构模型及边界条件方面, 根据国际竹藤馆实际情况, 采用ANSYS软件建立有限元模型, 模型是由横撑连接的桁架拱模型, 由于有拉索和钢靴的作用, 在基础位置考虑为固接。由于国际竹藤馆沿东西方向几何是对称的, 荷载也接近于对称, 因此取半个馆的模型, 9个拱取5个拱 (如图3所示的位于③, ④, ⑤, ⑥, ⑦轴的拱) 进行计算, 计算模型见图7。需要指出的是, 桁架竹拱不满足小变形假定, 需要充分考虑由于位移变化产生的二次内力。桁架拱模型含弦杆、腹杆及横撑, 所有构件均采用等截面的梁单元模拟 (虽然竹材是具有一定尖削度的变截面材料, 在施工过程中, 采用竹构件大截面端部对小截面端部的方式, 规避了变截面的影响, 梁截面可近似认为是等截面) 。

　　 竹拱所选用的材料平均直径为9cm, 但是考虑到竹材个体截面差异、竹材尖削度、竹节等因素带来的影响, 将单根毛竹圆竹保守地考虑为直径80mm、壁厚t=8mm的均质圆环杆件材料。由此上、下弦均取14根毛竹圆竹, 横撑取4根毛竹圆竹, 腹杆取150×100矩形截面的花旗松。

　　 在材料力学参数的取值方面, 由于圆竹材料性质并不能像钢筋、混凝土一样高度的标准化, 在大跨结构的设计中, 目前主要还是采用抽样检测的方式获得力学参数, 而相关规范^[4]所提供的力学参数只能用于方案设计时期的估算。因此本项目的材料力学参数取值通过对供应商提供的材料的抽样试验结果确定, 竹材弹性模量取12GPa, 抗压、抗拉强度为60MPa, 按60/3=20MPa的允许应力控制 (其中3为安全系数) , 花旗松弹性模量取12GPa, 顺纹抗拉、抗压强度为50MPa, 按50/3=16.6MPa的允许应力控制 (3为安全系数) 。在控制指标的取值方面, 国际竹藤馆采用容许应力法计算, 根据笔者对竹结构多年的研究及实践经验, 安全系数按3.0进行控制。竹结构变形控制目前无相关规范条文提及, 《钢结构设计标准》 (GB 50017—2017) ^[5]表B.2.4-2规定, 钢拱架的挠跨比按1/400控制, 《木结构设计规范》 (GB 50005—2017) ^[6]表4.3.14规定, 屋盖的挠跨比按1/180控制。由于竹材相对于钢材、混凝土材料属于强度较大、弹性模量较小的材料, 对竹材的刚度指标要求较严, 会使竹材的强度优势得不到充分的发挥, 竹结构设计不经济;而竹材是属于延性较好的材料, 对它的变形要求可适当放宽, 在不发生屈曲的前提下可以允许竹结构充分地变形以提高经济性。但本项目采用桁架拱结构存在较多节点, 过大的变形会造成节点的破坏。综上所述, 最终将作为屋顶的桁架竹拱的挠跨比按1/100进行控制。

　　 根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[7]并结合延庆地区经验, 荷载取值如下:1) 不上人屋顶花园部分的荷载为3kN/m²均布竖向荷载 (含竹拱上部恒荷载及雨雪荷载) ;2) 阳光板部分的荷载为2kN/m²均布竖向荷载 (含竹拱上部恒荷载及雨雪荷载) ;3) 风荷载按左侧风吸, 右侧风压考虑, 风荷载取值为0.585kN/m²。

　　 设计考虑两个荷载工况。工况一:恒荷载+雨雪荷载 (图8) ;工况二:恒荷载+雨雪荷载+风荷载 (图9) 。

　　 图8 恒荷载+雨雪荷载工况

　　  

　　 图9 恒荷载+雨雪荷载+风荷载工况

　　

　　 由于篇幅有限, 分析结果只列出桁架拱位移、弦杆的应力比及桁架拱内力, 如表1～3所示。

　　 由表1可见, 结构最大水平位移16.1mm, 最大竖向位移为55.3mm, 挠跨比1∶527, 满足刚度要求。由表2可见, 弦杆正应力达到容许应力的75.9%。横撑的正应力仅达到容许应力的87.8%, 而腹杆的正应力达到容许应力的96.7%, 结构构件尺寸满足要求。

　　 计算结果表明, 结构充分地发挥了桁架拱的优势。从内力结果 (表3) 分析可知, 所有杆件主要受轴压力, 受弯相对于轴压力而言影响不大, 上、下弦杆几乎是全部受压, 只有在有风荷载存在的情况下会出现局部受拉。受拉位置发生在迎风面的支座附近位置, 因此对竹拱支座位置加上十字交叉的拉索是有必要的。结构在工况一的作用下, 竹拱呈现中间下沉两侧外凸的变形模式, 在工况二的作用下, 由于风荷载是一侧风吸一侧风压作用在拱上, 拱的变形模式为一侧外凸, 一侧内凹, 竹拱必须有足够的刚度来维持其平面内的稳定性, 避免出现压屈现象, 因此采用变截面桁架拱是必要的。结构的最大应力发生在支座位置, 因此图6所示的基础加固措施是必要的。

　　 为了验证国际竹藤馆结构计算分析的科学性, 确保国际竹藤馆在施工期间及运营期间的安全性, 从竹拱基本施工完成开始, 对竹拱实施了挠度监控。初始值取于2019年4月2日, 此时竹拱、檩条、阳光板以及屋顶花园底部的压型钢板已经完成, 但还未施工屋顶花园, 屋顶花园于2019年4月18日完成。

　　 现场在⑤, ⑥, ⑦, ⑧, ⑨, ⑩轴的拱沿Ⓕ, Ⓖ, Ⓗ, Ⓙ, ○K轴的下弦杆位置共布置30个测点 (图10) 进行监控。本次分析选择最有代表性的4次测量结果, 第一次是2019年4月19日国际竹藤馆施工基本完成时, 此后竹拱所受恒载不会继续增加, 第二次是2019年5月21日, 即国际竹藤馆施工完成1个月后, 第三次和第四次分别是2019年6月13日和2019年6月19日, 为至今为止最新的监测结果。4次观测的竹拱变形见图11～14。图15为竹馆位于最中间的拱7的变形随时间的变化。

　　 结果表明, 几乎所有的拱的变形都反映了同一个规律, 就是竹拱两侧拱腰拱肩位置发生下沉, 在拱顶位置有上拱现象, 其主要原因是由于两侧屋顶花园施工产生的覆土荷载导致。

　　 图10 竹拱测点平面布置

　　  

　　 图11 2019年4月19日观测的竹拱变形

　　  

　　 图12 2019年5月21日观测的竹拱变形

　　  

　　 其中, 2019年4月19日的变形值与工况一下计算的理论值较为接近, 在施工后两个月内变形还在继续发展, 达到理论分析的2～3倍, 竹拱变形速率在2019年4月9日至2019年5月21日变化较快, 最大达到1.7mm/d, 在2019年6月13日至2019年6月19日变形速率降低至不超过1mm/d, 基本上趋于稳定, 见图15 (图中, F, G, H, J, K为拱7上对应Ⓕ, Ⓖ, Ⓗ, Ⓙ, ○K轴的测点) 。这种变形可能与竹结构失水收缩有关, 竹结构到达平衡含水率后变形趋于稳定。

　　 天然竹材富含糖、淀粉、蛋白质等有机物, 因此竹材易于遭受虫及微生物的侵蚀, 发生霉变、腐烂、虫蛀等现象。另外, 竹材处于干燥环境中, 因失水不均匀而易于产生干裂现象, 并且竹材干缩也易于引起节点松动。为了防止竹结构在使用期间出现虫害、霉变、腐烂、干裂、干缩等潜在隐患, 竹结构必须进行耐久性设计, 并且需要定期维护和保养。国际竹藤馆的耐久性设计主要体现在以下几个方面。

　　 竹材自身材质特性对竹结构的性能和耐久性起着很关键的作用。竹材的天生缺陷对耐久性和安全性有很大威胁。只有将不合格的竹材剔除, 才能保证竹材达到预期的使用寿命。国际竹藤馆使用的毛竹圆竹是在山上现选现伐的新鲜竹材, 选择竹龄4～6年, 胸径10.1～11cm, 无干裂, 无枯死, 无虫蛀, 无霉变, 表面无明显伤痕, 且沿竹子的长度方向近似直线或者是往一个方向弯曲的竹材砍伐, 这是第一次挑选。当砍伐的竹材入场之后, 对毛竹进行裁剪, 切除竹根和竹梢之后进行第二次挑选, 将胸径位置壁厚不足9mm的剔除。

　　 由于国际竹藤馆位于八达岭外的延庆地区, 常年气候干燥, 但在夏季空气温热湿润的时候短期内空气湿度也能够达到80%以上, 因此竹材的处理主要侧重于防腐防裂防虫方面。本次竹材主要设计了针对防腐防虫的高温蒸煮和针对防裂的高温油浸措施。

　　 蒸煮的主要目的主要是为了去污和防腐, 降低竹材的吸水能力。通过蒸煮可以使竹材中的糖分及其他营养物质溶解在水里面, 破坏掉虫类和真菌滋生的环境, 并且利用蒸煮池中的药物浸入竹材内部, 进一步减小竹材对虫类和微生物的亲和力。其步骤是将竹材放置在池子上方, 在池中兑入双氧水、防腐剂、石灰水等物质, 加入竹材, 在竹材上方压重, 让竹材全部浸入水中, 进行完全的蒸煮 (图16) , 直至池中的水沸腾冒泡方可出锅, 蒸煮时间大约为20min。处理之后的竹材颜色变浅, 见图17。

　　 蒸煮后的竹材, 运至防裂池旁边进行高温油浸抗裂处理。其步骤是将蒸煮后的竹材经过短暂的晾晒之后, 搬运到专用的吊车上, 待池中的专用油加热到一定的温度之后, 把吊车上的竹材放入池中, 每次大约放45根, 然后在池中的竹材上方加上大石块, 使竹材充分浸没, 大约加热30min出锅, 见图18。处理之后竹材呈现出金黄色泽, 见图19。

　　 因为国际竹藤馆竹结构的上方是屋顶花园, 因此屋面防水至关重要。本工程将屋面压型钢板作为隔水层, 并做好接缝防水, 具体措施是相邻压型钢板保证一定的搭接长度, 并在压型钢板的接头位置以及压型钢板与檩条射钉连接位置贴上防水自粘胶带, 以确保屋面防水性能, 见图20。另外, 对边拱采取如下的防护措施:将屋顶挑出一段长度, 见图21;在边拱外侧增加了防护罩, 见图22。

　　 图20 屋面防水层处理

　　  

　　 图21 边拱位置挑出的屋顶

　　  

　　 图22 竹拱防护罩

　　  

　　 气候干燥引起竹材开裂及节点松动, 使结构整体性降低, 变形不断增大, 对结构的使用寿命也有较大影响。当结构构件之间接触紧密, 整体性较强, 节点连接可靠时, 可减少上述松动现象的产生。在国际竹藤馆的设计中, 在结构可靠性方面采取如下措施:1) 为确保竹拱弦杆与腹杆的连接可靠性, 腹杆采用了板状的花旗松木构件 (图23) 。与全部采用竹材相比, 这种竹木混合结构有效地提高了弦杆与腹杆的接触面, 提高了连接刚度及连接质量, 从而可以有效控制弦杆与腹杆之间发生松动。2) 在支座位置处为提高拱脚约束刚度, 在竹拱外侧增加了钢靴 (图24) , 并在钢靴内灌注混凝土以保证对竹拱充分的约束, 这对抑制变形, 控制开裂有较大的帮助。3) 为避免圆竹出现开裂现象, 对圆竹关键部位设置抱箍 (图25) , 实践证明抱箍可以阻止裂缝产生和发展, 并且使圆竹能够带裂缝工作。

　　 (1) 国际竹藤馆的成功修建, 证明圆竹桁架拱作为大跨度结构的承载体系是可行的。

　　 (2) 本项目采用变截面桁架竹拱结构形式, 采用有限元计算了变截面桁架竹拱的变形、内力、应力比, 结果表明, 结构设计满足刚度及承载力要求;并对变截面桁架竹拱的变形进行了现场监测, 对现场监测数据分析发现, 竹拱的变形呈两侧下沉中间上拱的规律, 变形持续增长一段时间后趋于稳定, 可能原因与竹拱的干缩和徐变有关。

　　 (3) 对国际竹藤馆, 除结构设计以外, 竹材耐久性措施的考虑也是至关重要的。在竹材挑选、竹材处理及结构构造方面采取了一定的措施, 使竹材虫蛀、霉变、腐烂、开裂得到较好控制, 确保结构的使用年限。