木材因其独有的保温调湿、隔声吸声的物理特性以及与周围环境、传统文化的“亲和力”, 使得木结构建筑更贴近自然与人。大跨度钢木组合结构立足传统, 并结合木材和钢材的力学特性进行结构体系创新, 拓展了木结构的应用范围, 同时利用结构体系、构件和节点细部创新达到建筑与结构的完美结合。

木结构体系既要保证受力合理, 又要注重与建筑功能和美学的结合。

结构体系应满足建筑空间要求, 即应根据建筑外部造型和内部空间选择合适的结构体系, 满足建筑的使用功能要求 (图1～4) 。结构体系要与建筑造型和建筑表现相适应, 结构布置还要满足建筑的美观要求。梅斯蓬皮杜艺术中心以交叉编织的木结构网壳表现了建筑的轻巧与空灵 (图5) , 而大都市阳伞则采用交叉的梁格构表现出建筑的稳重与开放 (图6) 。通过异形构件的设计, 结构体系能够产生韵律与美感, 实现建筑的艺术效果, 增加空间的乐趣 (图7) 。

由于木结构具有独特的力学特性, 结构设计应根据不同的跨度与造型选择合适的结构体系, 同时利用木材特性增强建筑室内环境的温馨感 (图8～10) 。

根据木材自身的强度特性, 设计要尽量利用其受压强度, 减少受弯和受剪。在满足使用要求的条件下, 尽量选用木材受压的结构体系, 提高木材的力学效率, 如网壳结构或拱结构 (图11, 12) 。

对于弯矩或者推力较大的结构, 可以布置拉索来减小弯矩并提高结构的极限承载力 (图13) 。

结构分析设计要准确科学, 同时结构模型及荷载取值尽可能与实际结构相一致, 并考虑节点构造和结构体系的关系, 计算节点实际刚度对结构整体受力的影响。

结构设计要巧妙地将自然光引入室内, 通过木材本身的质感来表达室内效果, 同时节约能源, 提高能源利用效率 (图14) 。

位于罗马尼亚史纳高的加尔默罗赤脚修道院, 采用了传统罗马尼亚建筑的简约精美风格, 但将教堂装饰巧妙布置在灯光周围, 以吸引人们的眼球。旧的拱门形象让位于美丽的木制结构, 12根柱子为木片肋骨形状, 紧贴墙壁大跨度固定在混凝土墙壁上 (图15) 。

位于美国德克萨斯州的康罗社区体育馆, 游泳馆跨度65m, 通过构件和屋面木材的设计带给人温馨感 (图16) 。

细部节点的精细化设计, 使建筑更加轻巧美观。位于苏格兰爱丁堡的苏格兰议会大厦 (图17) , 船形结构的外形象征着议院作为议会大厦传统意义上的核心, 虽然只是一系列卵形空间中的一个, 但它们彼此关联如同一群“停驻港湾的船只”, 并通过细部结构设计自然流露出建筑独特而深刻的文化背景。

通过对比分析可知木材的强度和弹性模量约为钢材的1/20, 密度约为钢材的1/15 (表1) , 因此, 根据整个结构体系的经济性, 可选择合适的钢木组合结构体系。对于大跨度钢木组合结构, 可根据跨度、结构体系和建筑效果选择适宜的结构形式。钢木组合结构的钢材应用包括连接节点、构件和结构体系三个层次。

为了使节点连接和受力明确, 以及节点加工易于制作, 木结构的节点通常采用钢节点。

(1) 柱脚支座节点

位于美国华盛顿的美国剧院米德中心的竞技场舞台新的剧院结构由木/玻璃索支撑的幕墙系统组成 (图18) , 建筑师Bing Tom Architects与结构工程师Fast&Epp设计完成。林肯公园动物园南池的屋面壳体为一个花瓣造型, 所有构件均为弧状, 且销轴节点具有韵律感 (图19) 。位于加拿大温哥华的水上运动中心的弧形V形柱的运动感象征着游泳健将的奋勇拼搏的精神, V形柱下端与弧形混凝土承台的连接形成了完美的过渡 (图20) 。

(2) 梁柱 (板) 连接节点

“万科青岛小镇”游客中心是国内目前单体最大的胶合木结构项目, “木桁架屋顶结构+树状胶合木结构”的最大特点在于其独特的树状木结构, 达到了建筑形式与结构的高度统一, 作为承重的同时, 让人产生了关于森林与自然的联想 (图21, 22) 。

(3) 梁梁连接节点

林肯公园动物园南池的梁梁连接节点采用铆钉, 既保证结构受力, 又使节点在外观上形成一个整体 (图23) 。位于新西兰的怀托摩萤火虫洞穴游客中心 (图24) 均为弧形结构构件, 交叉构件通过开洞实现贯通连续。同时为了提高节点刚度和结构的极限承载力, 下部布置拉索, 并对拉索与构件相连的节点进行精细化设计。

位于英国的肯特烧石城堡橘子屋顶, 是英国首个木结构单层木网格结构建筑 (图25, 26) 。新建的建筑与原有结构脱开, 荷载通过周边的柱子传递到新的基础上;拉索和索夹节点限制了单层壳体弧形梁连接节点的位移, 提高了结构的稳定性, 同时将屋顶12mm的钢化玻璃与木框架连接在一起。

(4) 索夹连接节点

钢木组合结构的索夹连接节点既要满足传力的合理性, 又要满足建筑效果的美观性, 以结构细部表达建筑之美 (图27～29) 。

钢材用于受力较大的构件, 以满足构件的强度要求。世界自然基金 (英国) 生活中心采用了一个非常有效的结构形式——拱形木屋顶 (图30) :每个构件采用的结构材料已被优化;尽可能避免材料对环境产生不利的影响, 使结构设计与建筑设计融合。

(1) 钢结构作为主结构体系的一部分用来提高结构刚度和极限承载力

俄罗斯喀山游泳馆的半弧状木质板上配置了铰链, 最终形成了具有传统设计风格的鞑靼架构 (图31, 32) 。位于温哥华的太平洋加拿大馆的屋盖张弦梁下部采用3根拉索并排, 使张弦结构的撑杆与拉索成为一个整体 (图33, 34) 。

(2) 主结构采用钢材, 次结构采用木材

位于加拿大列治文的列治文奥运滑冰馆的建筑造型为单曲筒壳, 建筑跨度100m (图35) 。主结构采用V形中空钢拱, 满足了建筑空间与视觉效果的要求;钢拱外包木板, 室内建筑风格统一;V形中空横截面钢拱内隐藏加热、通风、空调、管道、声学、电气和照明系统。

建筑造型为矢跨比较小的筒壳, 内部采用木结构, 并将木构件直接外露。本建筑功能为无看台游泳馆, 建筑跨度45m (图36, 37) 。根据建筑的限制条件, 结构工程师对结构形态、结构构件布置、结构材料、结构截面以及节点刚度对结构的受力性能进行了研究。

(1) 结构布置的适用性——交叉网格壳体结构

交叉菱形网格结构具有较好的纵向和横向刚度, 为空间作用结构体系 (图38) ;平行拱结构为单向受力体系, 空间作用差。相比较, 交叉菱形网格结构更适合建筑的外表皮纹理和内部空间效果。

(2) 结构传力的有效性——外部加V形支撑柱

游泳馆结构的矢跨比为1/9, 具有较好的壳体作用, 同时建筑外部允许布置一排V形支撑柱, 可以有效抵抗筒壳结构产生的支座水平推力 (图39) 。

(3) 建筑材料的合理性——中央部分采用木结构

木结构可减少游泳池上方由于湿气较大出现的结露, 增加建筑的亲和力和温馨感, 满足建筑室内不做装饰吊顶的要求。中部六跨的弯矩较小, 适合采用木结构;端部两跨的弯矩较大, 建议采用钢结构 (图40) 。

(4) 拉索布置

为了使中央木结构以受压为主, 减少对单层网壳节点刚度的依赖, 木结构下部布置拉索形成张弦结构。经三种拉索形式的对比, 为了结构安全要求, 选择与上部交叉网格一致的交叉索网, 如图41方案2所示。

(5) 构件截面尺寸优化及防火处理

由于下部布置交叉索网, 上部单层网格结构的截面由800mm×300mm优化到500mm×200mm (图42) 。由于木结构防火要求, 二级防火木构件需要53mm的碳化层, 所以最终木构件截面做到600 mm×250mm。

(6) 节点刚度的影响

节点刚度直接影响着结构体系的传力和整体结构的刚度, 经过节点系统的优化, 提高了结构的安全性, 同时也减小了结构构件的截面尺寸。优化后的节点螺栓抗弯、铆钉抗剪, 节点刚度对结构的极限承载力影响小 (图43, 44) 。

(7) 变形分析

如表2所示, 屋盖结构变形分析显示结构跨中的最大挠跨比为1/1 956, 满足规范关于结构限值 (1/400) 的要求 (图45) 。

(8) 考虑初始缺陷的双非线性弹塑性极限承载力分析

在进行结构的极限承载力分析时, 考虑了节点刚度的影响, 同时通过节点实验证明节点具有足够的转动刚度 (图46～48) 。

(9) 钢木室内色泽协调

为了使建筑内部空间形成一个整体, 同时增强建筑带给人的温暖愉悦感, 两端的钢结构也刷成了木结构颜色 (图49) 。

(10) 木-木连接节点

为了施工方便, 节点安装前需要开孔, 螺栓和铆钉安装完成后加盖板, 避免螺栓外露, 保证室内效果的完整性 (图50) 。

(11) 钢-木连接节点

钢木连接节点与木构件连接节点一样需要开孔, 并在螺栓和铆钉安装完成后加盖板 (图51) 。

(12) 外部V形支撑节点

为了抵抗筒壳结构产生的较大推力, 在结构外部设置一排V形柱 (图52) 。V形柱设计既满足了结构的受力要求, 同时结合建筑造型被设计成建筑构件, 通过结构表现建筑之美。

(13) 拉索撑杆节点

拉索撑杆下部节点的精细化设计, 具有设计感和韵律感 (图53) 。

(14) 装配式加工制作

本结构节点设计为螺栓和铆钉的组合连接节点, 由工厂加工后现场安装, 可以称为全装配式结构 (图54, 55) 。

(15) 屋面檩条布置

为了避免屋面檩条布置对建筑室内视觉效果的影响, 采用与主构件方向一致的单向檩条屋面系统 (图56) 。

(16) 设计中超过规范的内容

木结构相关设计规范和规程未规定大跨度木结构设计要求, 因此本项目对壳体结构的布置、拉索的布置、木结构的使用范围和节点刚度对结构极限承载力的影响等参数进行了详细的分析。

不同于木结构相关设计规范和规程中的齿链接、普通螺栓夹板连接和钉连接等连接方式, 本项目采用了一种高强螺栓和普通螺栓混合连接的节点形式 (图57) , 并对节点进行了试验研究, 通过荷载位移曲线得到了节点刚度。

在“适用、经济、绿色、美观”原则的指导下, 大跨度钢木组合结构通过钢与木的不同组合形式, 拓展了木结构的应用范围和结构形式。通过创新结构体系、构件形式与提升节点细部设计, 一定能够实现更多结构与建筑造型、室内环境相吻合的木结构建筑。