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带您揭秘这三颗靠“结构”斩获世界大奖的湖畔露珠

发布于：2022-05-23 11:07:23 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

湖畔露珠｜太原植物园大跨

胶合木网壳建筑结构设计

文/ 贾水钟、李瑞雄

太原植物园位于太原市晋源区太行山脚下，是山西省唯一一座集科学研究、科普教育、园艺观赏和文化旅游于一体的综合性植物园，也是山西省唯一一座国际标准的植物园，并获得山西省改善人居环境PPP项目奖。太原植物园项目为山西省重点项目，建成后将成为山西省太原市标志性建筑。

整体建筑效果图

整体实景照

从废弃工业用地，到最热旅游地

太原植物园于2020年10月1日开始运营，开园后游客爆棚，一度成为太原市最受欢迎旅游景点TOP10榜首，受到广大市民的一致好评，大幅带动区域经济快速提升。项目建设过程中拆除了144个高耗能污染企业，梳理了133万m2坍塌地形，改造了42万m2煤坑沙坑，给长期生活在城区的人们提供了一个休闲娱乐、体验大自然美好的理想之地。从废弃的工业用地，到太原最热门旅游地，太原植物园真正做到了在满足人们的精神生活需求的同时，又为可持续城市综合开发树立了典范，与国家的“碳达峰、碳中和”大目标相吻合，同时对国内大跨胶合木结构的应用起到示范作用。

项目建设前

整体夜景照

建筑与景观完美融合

太原植物园园内主要的建筑设施有中央入口建筑、三个温室、一间餐厅、一个盆景博物馆及研究中心。设计师将园区内的景观及建筑一体化考虑，采用动态的、流线形的线条控制园内景观，并将建筑像珍珠一样，镶嵌于景观元素的主要节点上，建筑与景观互相映衬和点缀，形成不同的有趣空间及和谐动人的画面。植物园选取“绿色”为主题，巧妙利用水景的多变形态及倒影，成为了园区景观中的活跃因素。同时，设计选用了多种先进的技术及建筑材料，打造了集景观、环境、建筑、科技及生态相平衡的多位一体的现代化植物园。

三个全木网壳温室犹如湖畔露珠

温室是太原植物园的重要组成部分，温室包括不同的植物展览空间，每个展览空间都有特定的气候环境，功能分别是种植热带植物、沙漠植物和珍稀植物。建筑的本质取决于其几何构造，3个纯木结构的穹顶彻底改变了园区的轮廓，犹如三颗晶莹剔透的露珠浮在地平线上。

温室效果图

温室侧视实景

温室整体实景照

一号温室为热带雨林植物展览温室，是三个穹顶中结构跨度最大的一个，达到89.5m，也是目前建成的国内首例、跨度最大的胶合木网壳结构建筑；热带雨林植物展览温室与沙漠植物展览温室的穹顶结构均朝南，高效利用夏季和冬季的日照，为室内展览空间提供高效、合理的结构解决方案。第三个穹顶结构为珍稀植物及四季花卉展览温室，位于湖泊中央。沿湖泊岸边设置室外公共步道，将入口建筑及三个温室建筑相连接，形成灵活有趣的建筑空间。三个温室跨度分别为89.5m、54m、43m，高度分别为29.5m、20.9m和13m。

温室主体结构采用进口胶合木材料，成为国内已建成首个大型胶合木温室建筑。木材具有轻质、较高强度比、易加工、环保等特性，同时还具有储存二氧化碳和调节室内湿度的功能。此外，木结构建筑具有节能、低碳、抗震性能好、居住适宜等特征，能够进行工厂预制、装配化施工，其自身的美感丰富而独特，也是重要的绿色建筑形式之一。

实景

变形协调的异形球面玻璃幕墙系统

温室屋面玻璃幕墙采用点框结合的采光系统，玻璃采用球面超白钢化夹胶玻璃，单块玻璃最大分格为2.5m×2.5m。设计了可协调异形球面玻璃幕墙变形的新型连接节点，采用不锈钢夹具支座，将其固定在横纵木龙骨的相交处，幕墙铝龙骨十字拼接在夹具上。该系统可以解决木结构安装引起的高度及角度的偏差，同时解决了温室内部冷凝水及玻璃缝可能积存的漏水收集与排放问题，同时采用不锈钢连接件避免温室环境的锈蚀问题。

幕墙室内实景照

幕墙节点

大跨度胶合木网壳结构设计亮点

亮点1:结构体系创新

1#温室最大跨度89.5m，胶合木构件需要大量拼接，刚接特性不能满足，结构体系几乎不成立，采用常规单层网壳结构较困难。因此，研发了一种三层双向交叉叠放胶合木网壳+不锈钢稳定拉索的新型结构体系，形成示范工程案例。提出了双向交叉叠放木梁，在纵向（南北向）间隔三根木梁对应位置下部增设加强木梁，形成纵向间隔双层木梁夹住横向（东西向）木梁的网壳结构。为了增强结构整体性和刚度，在网壳下部增设双向交叉索网，索网布置方向与木梁斜交，曲面索网形态需根据胶合木网壳形态找形得到，索网和木结构网壳之间通过拉杆连接形成整个温室结构体系。

结构体系受力特点：1）双向胶合木杆件主要受压；2）双向拉索受拉；3）连接木梁与拉索的杆受拉；4）叠放双向木梁层间剪切，面内扭矩较小。

1#温室平面示意

1#温室结构体系三维示意图

拉索设计重点、难点：1）根据整体稳定性和构件受力均匀性，最终确定索最佳预拉力。2）索力太大的胶合木构件应力水平高，受力不利；索力太小拉索效率低，刚度差，索易松弛。拉索的主要作用为提高结构的整体性，增加结构刚度。

结构传力路径

有限元计算采用三维空间关系，叠放梁之间采用铰接杆件连接，并考虑构件尺寸进行三维假定，有限元节点模型示意及节点连接假定如下图：

按实际不共面空间建模

叠放节点受力简图-梁单元模拟连接假定

01 比较分析几种结构体系的受力特点，形成最优网壳及拉索布置

方案一体系成立，拉索内力分布不均匀，少量拉索出现松弛，拉索一个方向为弧形，受拉时产生不平衡力，整体效率不高。有大量双曲构件，加工、安装难度较大；

方案二体系成立，刚度较大、位移较小，少量构件应力较大，应力分布不均匀，无拉索稳定性差；

方案三体系成立，胶合木和拉索受力均匀，斜向布置拉索效率高，稳定性整体性好，符合建筑师的效果需求。

方案一：拉索沿木梁布置

方案二：钢木组合结构，无拉索

方案三：拉索与木梁斜交（最终实施方案）

02 优化网格划分，确定最优矢高比的网壳形态

基于结构受力均匀性和效率的优化，通过网格划分和矢高比等参数寻找最优网壳形态。优化前网格单向呈发散状。优化后网格间距增大，构件曲率减小，受力分布更均匀，大量减少双曲构件。形成新型结构体系，双向三层木梁交叉叠放形成网壳结构，三层木梁不共面，在节点区木梁贯通不断开，木梁以受压为主，双向斜交拉索主要作用为控制网壳稳定性和整体性。

网格优化前网格优化后

亮点2：连接节点创新，进口材料使用方法创新

研发了长螺钉连接胶合木梁交叉叠放节点、拼接节点、可调节支座节点、四角锥拉杆节点及拉索安装方法等。本项目胶合木连接节点大量采用长螺钉连接方式，目前中国规范缺少该类连接方式及相关计算方法，本项目的成功实施成为填补规范节点形式的重要工程案例。

（1）双向交叉叠放木梁（拱）上、下层之间采用钢销和高强螺钉连接，最大特点是双向木梁叠放后木梁在节点区连续贯通不断开，木梁在节点区基本无削弱，节点面外实现刚接，网壳结构体系成立，沉头螺钉呈现全木建筑外观，实现结构受力和建筑效果的完美结合。

连接节点图

（2）单根木梁（拱）拼接采用“Z”字形拼接节点，采用钢销和高强螺钉连接，经过精确的拼装连接可满足网壳构件承受轴压、弯剪扭组合受力，该节点受力可靠、满足建筑效果，同时非常便于施工拼接连接。节点试验结果显示，加载较大时拼缝根部容易产生纵向裂缝，增设下图中抗裂螺钉（下图螺钉3）可有效解决开裂问题。

“Z”字形节点图

（3）胶合木结构虽然加工精度和装配化程度都较高，但是施工现场仍然会存在误差累积，造成无法精确安装，开发了一种可同时调节水平、竖向和角度误差的支座节点，该节点可有效调节释放由于加工误差、混凝土基础等各项施工误差，且安装便捷，造价较低。

可调支座节点图

（4）胶合木网壳结构下部设置的曲面索网，施工张拉成形难度较大，由于拉索主要作用为提高结构整体性和稳定性，预张力约40～70kN。开发一种倒四角锥拉杆装置，通过逐点调节螺栓螺杆长度实现张紧拉索，形成一套安装调节方法，可有效避免两端张拉困难及形态无法控制的难题。

拉杆节点

逐步张紧螺杆

（ 5）胶合木构件全部采用欧洲进口胶合木，材质等级为GL-28h，与国内胶合木材性有差异。对进口胶合木分别进行了清材顺纹抗拉试验、顺纹抗压试验和横纹抗压试验，进一步计算得到规格材材料的强度标准值，最终确定胶合木的强度等级。试验方法可作为进口胶合木材料参数选取和评级的方法，试验结果可作为工程设计的依据。

（6）胶合木节点的半刚性特点是结构计算的难点，本项目节点均进行了足尺节点试验，得到节点刚度，将试验结果重新带入整体计算模型进行模拟计算，整体计算时节点连接均施加试验结果的弹性刚度，可大大提高结构计算效率和精度，是解决连接节点刚度假定的有效方法。

“Z”字形拼接节点试验

交叉叠放木梁节点试验

支座节点试验

（7）胶合木连接节点全部设计为全装配式节点，实现了全部构件工厂预制，现场装配化安装，成为装配化建筑的典范。

亮点3：整体计算方法、装配化安装

方法创新

研发了一种基于空间节点假定和试验节点刚度的整体计算方法；形成整套数控加工、装配化安装技术。胶合木构件叠放受力较复杂，节点也非刚接，有限元计算不能准确模拟节点受力，本项目采用将整体模型所有节点施加节点试验刚度进行整体计算分析，得到较准确的计算结果，有效解决有限元模拟较困难的问题。

形成一整套工厂预制，现场装配化安装方法，胶合木构件均为弧形构件，存在部分双曲构件，构件加工制作精度要求高，全部采用工厂数控切割加工，工厂瓶装成分块单元，现场进行装配化安装，螺钉孔位及角度均在工厂预钻。

工厂分块拼装

分块吊装

装配化安装

荣获IStructE 2021世界结构奖项

2021年11月5日，IStructE 2021世界结构大奖获奖项目在英国伦敦公布。太原植物园展览温室项目从全球入围建筑物类结构技艺奖的4个项目中脱颖而出，IStructE（英国结构工程师协会）评委评价，太原植物园展览温室项目以超现代、美观的外形、独特的结构体系、精密的结构设计和精准的施工建造技术获得了IStructE 2021年度世界建筑物类结构技艺奖（Structural Artistry (Building Structures) )。