第十届中国花卉博览会竹藤馆

业主：光明生态岛投资发展有限公司

位置：中国上海

总承包商：上海建工集团股份有限公司

建筑设计：华建集团华东建筑设计研究总院

竹钢编织深化设计与建造：上海建工装饰集团

展厅深化设计与数字建造：上海一造建筑智能工程有限公司

景观设计：国际竹藤中心

钢结构加工和制作：上海市机械施工集团有限公司

显然结构工程师在该复杂且独特结构的早期设计阶段就已经介入了。除了该项目明显的迷人的建筑造型之外，使得评委们将其列入入围项目的另外一个原因就是其对建筑材料的有趣且具创新性的使用，包括波浪形的竹材饰面系统以及3D打印模板+喷射VHDC（超高延性混凝土）拱结构。

总体而言，这是一个精彩的造型和材料的使用。

第十届中国花卉博览会于2021年5月21日至7月2日在上海市崇明区举行，此次花博会的主题是“花开中国梦”。其中如雕塑般的竹藤馆总占地面积940㎡，使用面积350㎡，以竹藤工艺制品的展示为主，是花博园区三大永久场馆之一。

竹藤馆主结构可分为三个独立部分：下沉式庭院（包括辅助用房）、展厅、编织的“竹茧”结构。为了强化编织的“竹茧”结构的轻盈和透明感，设计团队将展厅和辅助用房设置在地面之下。

竹藤馆为第十届中国花卉博览会永久场馆中体量最小的展馆，位于花博园主轴西侧的竹藤园中。从空中鸟瞰，竹藤馆没有墙面、屋顶、门窗等建筑要素，并不像一个常规的展馆建筑，而更像是一个巨大的编织竹器。如同其建筑形态的“非常规”设计，竹藤馆在材料运用、建造工艺上经由建筑师、结构工程师和工艺工程师等的通力合作，突破了现有园艺展览建筑的设计范式，研发出一系列具有独创性的“非常规”建造方案。

园区总体设计为建筑面积仅350㎡的场馆规划了近1万㎡的“竹园”用地，“馆”与“园”的组合成为此次设计的显著特征。因此，设计师希望将建筑景观雕塑化，消解墙体、屋顶、结构等建筑要素，以一种连续的、均质表达的界面围合出形态与空间，使建筑器物化、雕塑化，以获得类似竹藤手工艺品的艺术表现力。设计从竹器中找形，结合花博主题，选取“茧”为原型，取“破茧为蝶”之意，拟编织层叠之形，彰显编织竹器自然、流畅的形态与丰富细腻的肌理质感，让场馆本身成为竹园景观中的一件工艺展品。类似于竹器通过编织工艺生成可作为容器的空间和形态，此次设计希望通过建筑尺度、建构性编织，统一构建出场馆的形态和功能空间，由此实现形态逻辑和空间逻辑的思路上与竹器同构。编织曲面整体西高东低，悬挑面与垂直面环绕、围合形成一个游廊空间，扭转的顶面覆盖形成一个具有椭圆形开口的、空间形态随编织顶面起伏变化的庭院。设计将庭院地面下沉1层，环形坡道顺应编织曲面由西向东缓缓下沉，强化了空间随编织面蜿蜒流转的动势，并将参观路径与编织界面的流动结合起来，形成在编织面中漫游、穿梭的独特体验。

利用参数化设计，设计师尝试了一种交叉编织单元从平面沿曲面法向逐渐扭转的三维编织方式，形成具有空间深度变化与强烈光影效果的空间性编织曲面。而从方寸间的工艺竹器到一个跨度30m的永久建筑，设计师以建构层次为依据区分了作为主要受力单元的钢结构形态骨架与作为附加受力单元的竹材填充构件，由此实现了器物——建筑的尺度转换并对钢材与竹材进行了符合各自材料特性的建构表达。

竹藤馆主体建筑高14.5m，其流线型的建筑外形与周围的竹林完美融合，已然成为网红打卡点。竹藤馆的设计通过多个套叠的椭圆放样形成具有一个缺口的“竹茧”形态。竹藤馆整体空间由竹藤主体、支撑柱、楼梯步道、中心水景构成，建筑采用V形支撑柱进行竖向支撑，使建筑整体受力合理的同时，V形柱的形态强化了与交叉编织表皮的呼应。上海建工装饰集团整合产业链优势，承担并完成了竹藤馆异形主体钢结构，通过类似竹器编织的工艺构建出灵动的建筑形态和功能空间。

在外表皮材料的选用上，技术团队通过对竹钢、天然竹材、美国南方松、铝合金竹皮复合材料等四类材料在极限抗拉强度、弹性模量、防火等级等技术指标的比对，遴选出高强度竹基纤维复合材料（俗称“竹钢”）作为本项目最适合的外表皮材料。竹钢是以竹基纤维帘为基本构成单元顺纹理方向经热（冷）压制胶合而成的板材，具有易加工、耐磨损、成型性高、表面附着能力好等优良特性，也是一种低碳、环保、可再生的绿色环保建筑装饰材料。

建造方式上，选取30mm宽、5mm厚、2.5m长的竹钢片单元，竖向上在双层索网之间垒叠填充成面，曲面展开方向则沿钢索拼接成与之等长的“经纬线”，同时，每根“经纬线”采用平行排列的双层竹钢片，间隔设置加固条并在交叉节点处开企口固定，完成了两个方向竹钢片与索网连接节点的咬合固定，形成一体化的建构表皮，既展现了张拉索网的结构美感，又显示出新型绿色竹材在当代建筑中的创新应用。

竹藤馆整体的建造系统分为三部分：钢结构系统、索网系统和竹材饰面系统。除了前面介绍的竹材饰面系统之外，钢结构系统由钢柱、环梁及连接板组成，为整个构筑物的主体结构。其中，钢柱总计36根；环梁4组，包括1道垂直环梁及3道水平环梁，均为椭圆及双曲椭圆造型，垂直环梁总长40m，其余3道水平环梁的长度均为108m；连接板总计2,400余个。索网系统由钢索、索夹、索具组成，用于结构拉结，保证结构的稳定性同时作为饰面安装的基层。整个项目使用了23,000m不锈钢索，6,200个夹具锁点以及3,200套不同角度的索具。整个索网系统均实现了工业化生产，使工期缩短了近1个月。

在安装方面，最先安装的垂直环梁作为其他水平梁的安装定位参照。环梁安装时，为满足异形结构形态的变化需求，采用可灵活拆装的PNG400×400铝合金桁架拼装的支撑胎架，满足支撑要求的同时便于结构安装后的快速拆除。整个索网系统由长短不一的不锈钢索构成，索网中间为不定形曲线的空间仿垂链效果。安装遵循由上而下、由疏到密的原则，用钢索进行整个索网系统的搭建，以夹具锁点进行索网与主结构的连接，通过索具盘片对索网系统进行最终塑形。外表皮采用现场手工编织的安装方式呈现竹器编织的自然效果。竹钢片采用交叠安装呈现编织效果，交叉位置使用企口固定，10~14个来回的叠加安装反复进行，安装完毕后进行校准微调并使用螺栓进行结构连接。经过4个月的不懈努力，上海建工装饰集团克服各类限制条件，使竹藤馆在花博会期间惊艳亮相，获得了各方的认可和赞扬，树立了装饰集团“精心设计、匠心制作、称心服务的最值得托付的专家型品牌企业”形象。

竹藤馆位于下沉庭院一侧的独立展厅为曲率极大的异形拱壳结构，为实现拱壳的精准施工，设计选用精度高、重量轻，可快速、高效搭建的3D打印模板替代传统拼接木模板并配合采用新材料与新工艺——无配筋UHDC（超高延性混凝土）喷射混凝土。3D打印模版可实现传统拼接木模板难以企及的高精度曲面塑形，配合喷射混凝土工艺，只需单侧模板搭建，施工快速，绿色节材，模板在结构喷射完成后经过防火处理继续保留下来作为室内装饰层，绿色节材的同时实现了主体结构施工与装饰一体化。

华东建筑设计研究总院进行了该项目的建筑与结构专业设计，同济大学建筑与城市划学院及土木工程学院的科研团队为该项技术的顺利落地提供了理论及技术支撑。竹藤馆的造型奇特，包括一个高度从3m变化到6m，长度超过30m的弧形拱体。对于这样的非标建造，施工单位必须投入大量的人力进行复杂的模板搭设、钢筋绑扎和混凝土浇筑，其建造成本居高不下。对此，华东总院的设计师和同济大学的科研人员进行反复讨论，希望能够通过智能建造技术解决未来建造中的常遇问题，即如何大幅度地降低材料用量，提升建筑的耐久性，从而达到可持续发展和节能减排的效果；如何高效地进行非标准建造，从而大幅度降低人力成本；如何提升场馆外观的美感。竹藤馆的“3D打印模板+喷射无筋超高延性混凝土拱”正是为了以上目标而进行的大胆尝试。

同济大学建筑与城市规划学院袁烽教授团队研发的3D打印模板技术是项目智能建造的核心内容之一。竹藤馆的双曲面非标准造型和较为紧迫的工期成为项目的核心难点。为了精准实现异形拱形结构成型，采用了3D打印模板技术，配合喷射混凝土工艺，可以实现异形拱形结构的高效精准施工。该技术有如下三大特点：首先是高精度高效模板搭建，3D打印模板精度高、重量轻，现场可以实现模板的快速精准搭建；其次主体结构施工与装饰一体化，3D打印模板在造型能力上的优势使其可以集成大量其他建筑功能，如保温、装饰和门窗安装节点等，在本项目中，3D打印模板在施工阶段完成模板功能后，继续保留了下来成为室内装饰造型，绿色节材；最后，3D打印模板配合喷射超高延性混凝土工艺实现快速施工，大大减少了现场模板工作量，规避了传统现浇混凝土工艺在进行异形造型时的一些质量缺陷风险。据同济大学土木工程学院余江滔教授介绍，3D打印模板外侧的喷射混凝土为超高延性混凝土（Ultra-High Ductile Concrete，UHDC），是一种具有高延展性、高耐久性、高强度的纤维增强复合材料。超高延性混凝土以拉伸变形能力见长，其轴拉应变率介于6%~12%，是混凝土断裂应变率（0.01%）的数百倍，是钢材屈服应变率（0.2%）的数十倍，达到普通钢筋的伸长率水平，即“钢材应有明显的屈服台阶，钢筋的最大强度对应伸长率不应小于7.5%，伸长率不应小于15%”。此外，UHDC的拉伸强度可根据需求进行设计，一般为5~15MPa，高强UHDC的拉伸强度是普通混凝土的5倍以上。基于这样的性能，混凝土结构有望实现无筋建造，这可为土木工程的未来建造提供巨大的想象空间：1）在土木工程领域，钢筋锈蚀已经带来巨大的维护成本且造成了广泛的安全问题，无筋则不存在锈蚀，这无疑是混凝土结构耐久性的巨大进步，而且一些钢筋敏感的特殊原材料，如海水、海砂，也可以直接用于混凝土的制备；2）省去钢筋的运输、加工和安装的诸多程序，工程建造的效率将大幅度提高；3）实现混凝土结构的轻薄化：混凝土结构的厚度往往受限于钢筋保护层，一般很难小于100mm，摆脱厚度束缚，工程师将有机会建造更轻、更奇特、更节能的建筑。

同济大学科研团队自2012年起就针对高性能混凝土材料进行研究攻关，成功制备出高变形能力的混凝土。在2020年初接到竹藤馆建造的邀请后，余江滔带领团队10余名研究生共同开展了以竹藤馆无筋拱体为原型的足尺超高延性混凝土无筋拱试验。试验模型由喷射法建造而成，通过静载试验以模拟正常使用中的恒、活荷载以及服役期间结构可能遭受的地震和飓风的影响。其后进行钢球撞击试验，以研究泥石流等自然灾害和人为冲击下结构的动态力学性能。此外，还借助有限元软件模拟了无筋拱在静载作用下的响应。无筋拱试验及有限元计算结果表明：UHDC的高抗拉强度、优异受拉和受压延性变形能力使得UHDC无筋结构具有较高承载力和抗冲击能力，验证了UHDC材料具备无筋建造的潜力。

经过多方验证，竹藤馆拱体的结构厚度从原设计150mm厚的钢筋混凝土降低至75mm厚的UHDC，且因施工中无需配筋有效缩短了建造时间，同时增加了场馆外观的轻薄感。第十届中国花卉博览会在上海崇明顺利开幕时，竹藤馆以其蕴含的“破茧为蝶”之意、独特的手工编织竹藤外形和优美、轻巧的无筋长拱获得了游客们的喜爱。将UHDC材料运用于此次花博会竹藤馆的建造中不仅体现了施工建造所倡导的绿色化、精细化、节约化发展观念，更是花博会“生态办博”理念的生动诠释。

竹藤馆建筑表皮基于参数化设计理念，由数百个曲面扭转、交叉而形成一种三维立体的编织造型效果。结构体系采用双层斜交索网，将拉索沿着编织面的曲线形态伸展，使结构元素与建筑形态完美融合。竹藤馆展厅是采用了UHDC无配筋建造而成的异形拱壳，创新性地采用3D打印模板配合喷射混凝土施工工艺解决了大跨自由曲面混凝土薄壳设计与施工的难点和痛点。竹藤馆体量虽小，但是从设计理念、建筑材料、建造工艺等方面均做了突破常规的探索，实现了较好的设计效果。