像树一样生长--树形柱

并不是所有的结构柱都是单枝、笔直的，比如说树形柱。树形柱又称树状柱、分叉柱，有人把它归为建筑仿生结构的范畴，有人说它是结构构件的拓扑演化。

高迪在圣家族大教堂(Sagrada Familia) 的设计中大量使用了树状柱。柱子多次分生出枝叉，支撑着高低错落的拱顶，托起教堂内部巨大的空间。

圣家族大教堂: 树形柱仿生结构

树形柱将荷载传递由一点变为多点，提供了更多的传力路径，支承覆盖范围大。它通过树杈分支减小屋盖结构的跨度，用较小的杆件即能支承更大的空间。我们今天就来介绍一下，树形柱的特点和工程应用案例，供大家参考。

以下案例的次序 按树形柱分枝多少出场

Fort Worth 现代艺术馆

有两个分支的Y形柱，是最简单的树状柱。

Fort Worth现代艺术馆采用了清水混凝土Y形柱构件，有助于减小屋面结构的跨度。

直立的Y形清水构件、轻薄的混凝土屋面平板

形成简洁大方的建筑效果

Fort Worth现代艺术馆

建筑设计TAAA，结构设计TT

上海浦东机场T2航站楼

上海浦东机场T2航站楼采用Y形斜柱支承的张弦梁屋盖结构，创造出轻盈、活泼的超大空间。航站楼大厅采用两级分叉柱，室外挑檐采用Y形斜柱，钢结构构件和节点细节都十分考究。

上海浦东机场T2航站楼，两级分叉的树形柱结构

华东建筑设计总院

Y形斜柱支承的屋盖挑檐

与登机桥桁架一起，呈现出简洁的效果

一般来说，树形柱的末端与屋面结构之间采用铰接连接。这主要是基于两点考虑：1）方便实际施工过程的安装；2）由于树枝的末端截面一般非常纤细，铰接连接可以避免屋面梁的弯矩直接传递给树枝端、产生破坏。

浦东机场T2航站楼，Y形柱顶采用万向铰节点

树形柱分枝构件通常非常纤细，其整体稳定问题需要设计重点关注。一般需进行弹性屈曲分析来判定其计算长度系数，用于弹性设计；并根据考虑非线性的弹塑性分析验算其极限承载能力。

N倍荷载时，Y形柱的失稳模式和塑性应变

南京禄口机场2号航站楼，华东建筑设计总院

马德里机场T4航站楼

由建筑师安东尼奥·拉梅拉（Antonio Lamela）和理查德·罗杰斯（Richard Rogers）设计的马德里机场T4航站楼，在2006年荣获英国皇家建筑师协会所颁发的RIBA Striling Prize奖。颜色鲜艳的Y形柱是航站楼最主要的元素之一。

马德里机场T4航站楼

航站楼内部颜色渐变的Y形柱

树干为混凝土斜柱，分叉构件为钢管

室外纤细的Y形柱，柱顶钢杆对拉平衡

一般情况，树形柱的分枝拓扑原则，需尽量避免分枝对主干产生偏心弯矩。当分枝与主干在二维共面时，尽量形成力的平行四边形；当分枝在三维空间展开时，需使分枝的轴力尽量汇交到主干的轴线上。

杆件汇交节点的受力大且复杂，一般采用板件补强、劲板加强的相贯焊接节点，或者铸钢节点。

巴特洪堡人行天桥

巴特洪堡人行天桥的长度为76m，最大跨度为46m。设计的最大亮点，是用高15m的分叉柱实现斜拉桥结构。均匀分布的树状分枝，能够确保树柱只承受轴压力。

巴特洪堡人行天桥，设计SBP

这个树形柱的材料非常特别。为了实现连接节点处复杂的几何造型以及平滑过渡，需要采用能够三维成型的材料。下图节点照片看起来像是铸钢，实际上它是一种花岗岩(辉长岩)。

分叉节点：材料为辉长岩

为了确保在风力和偶然荷载下桅杆中也不会出现拉力，在岩块内设置了预应力钢筋使构件预压。

德国Boehringer Ingelheim公司餐厅

餐厅美食广场极具建筑效果的是，6根形态自由的、清水混凝土预制的树状柱。树状柱支承着混凝土无梁楼盖形式的屋顶，以及直径8.5m的圆形玻璃天窗。

德国BoehringerIngelheim公司餐厅

建筑设计BM+P，结构设计SBP,2008

相较于其它“分杈”的树形结构，这里将分杈设计成叶处形。叶片表面形状不是标准的圆锥面，而是用膜结构找形原理优化而得的。

树形柱主干与叶片组装现场

树形柱的主干和分枝均采用自密实的混凝土预制而成，并在现场通过浇筑节点成为一个整体。

Lee Hall Clemson大学

当树形柱的分叉点比较高、分叉角度比较大时，分枝传递竖向荷载同时产生的水平分力很大，柱顶需要拉杆平衡。这时分枝更趋近是屋面结构的一部分，而树形柱的受力状态则像是伞状结构。

Lee Hall Clemson大学

采用类似扁平树形柱的还有TEXACO加油站

TEXACO 加油站树形柱结构

超过4个分枝的树状柱，一般会采用更贴近自然的仿生结构的手法，以免给人杂乱的感觉。

堡尚茨利户外餐厅

堡尚茨利户外餐厅是卡拉特拉瓦在1988年设计的一个小规模项目。用钢材和玻璃模拟的树状结构，成为他后期作品的一个重要元素。

结构总高12m，由4棵纤细的树状分叉柱支承。每棵柱顶有4片自动控制、可折叠的玻璃方格，通过8条铰链连接，根据天气情况控制折叠或开启。

堡尚茨利户外餐厅(模型)，1988年

纤细的树状柱和可折叠屋面

森林礼拜堂 /ForestChapel

森林礼拜堂是一座规模很小的教堂，在树木环绕的公园中。建筑师将花园中的树木作为设计主题，树形柱既是支承结构，也是建筑表现的一种元素。

森林礼拜堂, Hironaka Ogawa & Associates, 2011

每棵树形柱都是由90x90x7mm和75x75x6mm的两种L形角铁组装成的，树干部分呈十字形，向上分叉伸展成柔和的曲线形“树枝”。

像大自然中的树木一样，树形柱彼此之间保持着一定的距离。伸展的树枝减小了梁的跨度，托起轻薄的屋面。

看似复杂、随机的树形柱，实际上是由统一的基本单元旋转布置而成的。建筑创造出丰富造型的同时，也有效地控制了建筑成本。

法国Margaux酒庄

法国Margaux酒庄建筑外形简炼，重新诠释着乡村的瓦片屋顶，与既有的工业建筑相和谐。新建的倾斜屋顶由树形承重柱支撑，安装玻璃窗作为采光井。

法国Margaux酒庄，Foster + Partners，2015.

柱子分叉与屋盖结构形成了空间整体作用，这使得树杈构件的截面能够更加纤细，同时有利于提高结构抗侧刚度。

建筑师们精心地设计了树形柱的形态，每根柱有5个不对称的分枝。树干部分为焊接的闭口截面，而在分叉点十分自然地过渡为H形分枝构件，受力合理、形式新颖，细节处理简洁美观。

树形柱的分叉节点，焊接形式

德国斯图加特机场T3候机楼

斯图加特机场T3候机楼，采用了大型的树状支撑结构体系。屋面被设计为单坡斜面，以便采用相同的树形柱结构支撑（18根树形柱仅变化树干部分的高度）。

斯图加特机场T3候机楼

建筑GMP,结构SBP,2000-2004年

树形柱呈三级分叉，横向分枝深远。每棵树形柱分出48个端支点(4x3x4) ，支承屋面格栅梁和屋面板。树形柱的第2、3级分枝处采用铸钢节点(共16个)。

仰视树形柱的分枝拓扑关系

加拿大BCE宫

加拿大BCE宫Allen Lambert长廊，屋顶使用了拱结构和“羽毛”系杆，构造波浪状的屋顶。支承结构是两列高耸的树状柱，使得长长的柱廊像“林荫大道”一般。

Allen Lambert 长廊，1987-1992年

Allen Lambert 长廊，纤细的构件和节点处理

里斯本东方车站

里斯本东方火车站，树状柱，1993-1998年

还有一些树形柱案例，限于篇幅无法一一介绍，仅罗列出来供大家欣赏。

Haramain高速铁路车站，建筑设计Foster+Partners

树干为板肋形式，并由此向上分枝

分枝构件与屋面梁融合成整体

Medina Airport机场，有八个分叉的树形结构

树形柱的衍生形式多种多样，预示了巨大的创新潜力。如果大家有关于树形柱结构设计的想法和案例，希望能留言与小i 一起分享。

参考文献

1.树状柱在大跨度空间结构中的研究与应用, 陈俊等.

2.德国斯图加特机场3号航站楼,GMP.

3.Detail工程系列图书第1册，SBP.

4.www.lvshedesign.com/archives，森林礼拜堂

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