木材作为一种可再生结构用材越来越广泛地应用于建筑领域,随着木材工业化的不断推广,木规格材、层板胶合木、NLT(nail laminated timber,钉连接楼板)、正交胶合木等结构用木产品的发展和普及为结构设计带来了更多的选择 ^[1]。同时,现代木结构构件的加工制作基于其灵活的生产加工工艺,可实现单向弯曲、双向弯曲、扭曲构件的制作以及空间曲面的建造。

　　 中国传统木结构多为梁柱框架的重型木结构,梁、柱等通常采用圆截面原木制作,垫木、枋等采用原木切削成矩形截面使用,采用榫卯、斗拱等连接形式,结构构型横平竖直、四平八稳 ^[2]。以轻型木结构和胶合木结构为代表的现代木结构由欧美进入中国以来,得到了迅猛的发展 ^[3],但目前在国内尚无多高层木结构的建造案例,项目仍集中于总层数三层以内,建筑面积较小的景观、小品以及临时建筑中,但与此同时,此类项目往往提出了较高的设计和建造要求,建筑外形新颖独特、建筑细部精巧、建造品质高。

　　 青岛万科游客中心(图1)建筑方案设计师为Bohlin Cywinski Jackson,结构方案设计为Fast+EPP,同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司承担了各专业的施工图设计工作。该项目位于青岛小珠山风景区的半山腰上,西侧面山,东侧俯瞰城市景观,建设初期作为万科别墅区售楼中心使用,为临时建筑。后因其优美的建筑外形、独特的景观效果和良好的用户体验得以保留,成为小珠山风景区游客中心。

　　 本项目坐落于半山腰上,西侧面向山体,东侧俯瞰城市景观并远眺海湾,建筑周围的自然景观以低矮灌木为主。建筑师为了使得建筑自身与周围环境融为一体,提出了从山下远视,建筑为一片漂浮于山腰的云朵;从空中俯视,建筑融于山体之中的总体要求。由此确定了建筑屋面结构尽量轻薄,立面构件虚化的建筑外观效果。游客中心内部为大空间,包含有地形沙盘、会谈区、休息区等,围护采用大面积玻璃幕墙以获得最佳的景观效果。私密性要求相对较高的办公空间、会议空间集中布置在西侧,并分为上下两层,不仅将公共空间和办公空间进行了隔离,且避免了办公区墙体对景观视线的遮挡。在建筑外围设置有室外步道,建筑外玻璃幕墙收缩于屋面内部,构成宽敞的休闲空间。

　　 从建筑使用要求出发,希望地面以上空间简单纯粹,避免有设备管线外露,地面以上建筑面积为1 520m²,满足《建设设计防火规范》(GB 50016—2006)中木结构建筑在不设置喷淋情况下建筑面积不大于1 800m²的要求。空调机房、水泵房、配电间等设备用房均布置在地下一层和地下夹层中,空调系统采用下送风方式,在地下室顶板上设置空调出风口,地面以上不再有风管。空调机房在地下设置风道与隐蔽在绿化带中的排烟口连接,建筑外墙上无需设置百叶排烟口,建筑立面见图2,建筑平面见图3、图4。

　　 结构设计时,考虑到本项目大空间要求,且层高较高,屋面结构要求外观轻薄灵动,外立面大面积采用透空玻璃幕墙,视觉效果要求不得有过多的竖向钢构件或混凝土构件,对结构选型和设计带来了较大挑战,结构平面布置图如图5所示。

　　 对于空间曲面屋面的建筑要求,分别考虑了在钢结构领域运用较多的空间网架结构和在钢结构以及钢木组合结构中广泛运用的张悬梁结构,并对比了其优缺点和可行性。

　　 空间网架结构广泛运用于钢结构中,其受力合理,材料用量省,且形状较为灵活,可根据建筑外观要求沿建筑外皮进行结构布置,但在木结构中运用相对较少。本项目如采用空间网壳结构(图6),木结构构件长度不统一,加工周期较长,且多根网架构件汇交,仍需采用大量钢结构节点。此外,由于建筑外墙收缩于屋面内侧,如需将屋面网架结构外露,则在屋面和外墙相交处存在大量构件穿过玻璃幕墙的情况,难以处理。

　　 张悬梁结构受力明确,上弦梁构件受压受弯,下弦拉索承受拉力,并通过上下弦之间的撑杆形成类似于平面桁架的受力体系(图7)。结构材料用量小,受力明确,充分发挥了不同结构构件的优势。但同样,采用此结构形式,屋面结构层过厚,不满足建筑外观要求,且撑杆长度不统一,加工周期长。

　　 在综合分析以上传统结构形式优缺点后,考虑了近年在国外开始使用和发展的NLT结构,其采用螺钉将木层板在厚度方向进行连接,形成梁或板构件,且由于其不同于胶合木性能(胶合木需要在胶合时使用液压设备在层板间提供压力以保证胶合性能),NLT形状和尺寸不再受液压设备尺寸限制,可形成超大板结构,并通过调整层板间的空间位置,可制造出空间曲面板。在NLT板上部,铺设了多层胶合板,通过胶合板卓越的面内抗剪性能,更好地保证NLT层板间和区块间水平力的传递(图8)。

　　 本项目竖向构件采用梭形胶合木圆柱,玻璃幕墙位置局部采用钢柱,两端采用钢结构连接节点与屋面和基础进行连接。胶合木柱在结构布置上2～4根为一组,底部收于同一基础,上部发散,形成V形柱组,V形柱顶与屋面结构连接,对NLT屋面提供支撑。

　　 对于缺乏常规竖向柱构件的胶合木结构内部大空间,采用此种结构布置形式,一方面,V形柱可以大大减小屋面板的跨度,为板提供跨度小、数量多的密集支点;另一方面,在空间布置上,V形柱和屋面板可在水平两个方向形成三角形稳定结构,为结构提供抗侧性能。此外,为保证海边风荷载和地震作用下结构的抗侧刚度和承载力满足要求,在办公区域和建筑角部的非玻璃幕墙位置设置了两片L形混凝土剪力墙和一片斜向混凝土剪力墙形,为结构提供双向抗侧刚度和承载力,如图9所示。

　　 根据建筑需要,屋面在建成后上部将覆土并种植浅草,屋面荷载进一步增大,为保证视觉上轻薄的屋面板的抗弯能力,仿照张悬梁结构形式,在屋面板下设置了胶合木撑杆和拉索,并对拉索施加预拉力,以保证屋面竖向结构的安全和变形满足要求。

　　 对于包含了胶合木柱、NLT屋面板、胶合木撑杆、钢拉索、混凝土剪力墙等多种结构材料和结构构件的结构体系,采用SAP2000有限元程序对其进行分析,有限元模型见图10。其中胶合木柱、胶合木撑杆以及钢柱采用了杆单元,钢拉索采用只受拉的索单元,屋面板和混凝土墙采用壳单元。采用弹性计算方法,其中胶合木构件采用加拿大进口胶合木,弹性模量12 000MPa,顺纹抗压强度25.2MPa;混凝土采用C30;钢构件采用Q235,Q345,铸钢节点采用加拿大A53。

　　 在采用V形柱布置并增设双向混凝土剪力墙后,结构具备了较好的抗侧刚度,结构一阶振型为整体平动,周期0.32s,二阶、三阶振型均为屋面结构的局部振动,周期分别为0.27s和0.25s。结构一阶、二阶振型如图11所示。

　　 屋面结构采用相对于胶合木和CLT(Cross Laminated Timber)运用较少的NLT结构,在结构分析时对其进行了精细有限元模拟,在屋面板和拉索、胶合木撑杆以及胶合木柱连接的位置,单元网格进行了加密。NLT板上部有多层胶合板采用螺钉与NLT板连接,在计算时,未考虑胶合板的抗弯贡献,仅作为安全储备。

　　 通过计算,在最不利工况下屋面单位宽度最大弯矩36kN·m,小于NLT厂家给出的产品单位宽度抗弯承载力38.5kN·m,如图12所示。对于如V形柱顶等局部应力较大位置,采用加密长螺钉对NLT板进行了加强,如图13所示。

　　 本项目拉索直径12.7mm,破断拉力121kN,在对拉索进行设计时,若拉索初始预拉力过小,则拉索结构效率降低,并可能在部分工况下拉索出现松弛;若索力过大,可能对拉索连接节点和周边结构造成不利影响,在部分工况下拉索发生破断。因此初始预拉力的设计需进行综合考虑和试算,最终确定初始预拉力为3kN,在各工况下,拉索未出现松弛,在最不利工况下,最大索力30kN,撑杆直径125mm,最大应力比0.4,满足结构受力要求,如图14所示。

　　 因建筑外形需要,梭形胶合木柱应尽量纤细,综合考虑柱轴力大小和《木结构设计规范》(GB 50005—2003)(2005年版) ^[4]长细比要求后,最终确定柱截面ϕ240～ϕ300,柱最大应力比0.7,如图15所示,绝大部分木柱长细比限值按规范要求确定为120,受力较小的个别木柱,对其长细比做了适当放松,允许长细比为140。

　　 虽然本项目为临时建筑,无明确防火要求,但因本项目要求所有木构件外露,为了解其防火性能,采用基于木材炭化的方法计算了火灾下的木结构承载力,根据以上确定的木结构截面尺寸,分别进行了15,30,60min的防火计算,结果表明,本项目木结构可满足30min的耐火极限要求。此外,对木柱进行了防火涂装,可将木材燃烧性能提高至B1级,增强其防火安全性。

　　 在本项目中,节点外观要求极高,在木柱连接中采用了铸钢双向铰连接节点,外形精美且与结构分析计算假定一致。为防止胶合木柱直接与地面接触,从而受到可能的雨水浸泡,在柱底节点处对木柱进行了抬高处理;柱顶分室内外空间进行了区别设计,保证了外形美观。柱节点示意图见图16。

　　 拉索两端通过角钢锚固在NLT板中,为避免索头连接处受力集中,造成木材的局压变形和破坏,索端部过渡为螺杆,通过螺杆调节索预拉力值。索在撑杆位置双向交叉,设置了铸钢节点圆滑过渡,拉索及撑杆节点见图17。

　　 在结构计算中,混凝土剪力墙仅为结构提供抗侧刚度和侧向承载力,不承受屋面竖向荷载,在屋面与混凝土剪力墙相交位置的混凝土墙顶部设置钢结构短柱,钢短柱与NLT板上部铺设的胶合板相连,通过胶合板优良的面内抗剪性能,将屋面结构受到的水平作用传递给混凝土剪力墙,剪力墙节点见图18。

　　 (1)本项目采用空间布置的V形胶合木柱作为竖向主要受力构件,并设置双向混凝土剪力墙为结构提供侧向刚度和抗侧承载力。

　　 (2)屋面结构采用NLT构建空间曲面屋面板,下部设置胶合木撑杆和拉索,满足了建筑对屋面轻盈的外形要求。

　　 (3)通过有限元计算和结构防火计算,保证了结构的整体安全。

　　 通过多年的正常安全使用,验证了以上结构形式和设计方法的合理性,为类似项目提供了参考和借鉴。