竹藤館主體結(jié)構(gòu)

圓竹金屬喉箍件

竹藤館竹拱構(gòu)件

竹檁條分布

混凝土側(cè)墩

　　4月29日，匯聚全球園林園藝精華的北京世界園藝博覽會(huì)將正式開園，屆時(shí)，由國(guó)際竹藤中心竹藤生物質(zhì)新材料研究團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)土木工程研究團(tuán)隊(duì)共同建造的國(guó)際竹藤組織園展館將驚艷亮相。

　　竹藤館位于世園會(huì)園區(qū)心臟，毗鄰國(guó)際館，占地面積3100平方米，是園內(nèi)84個(gè)展館中最值得濃墨重彩的場(chǎng)館之一。

　　竹藤館用獨(dú)具匠心的造型烘托出“創(chuàng)意竹藤 五洲風(fēng)景”的主題。充滿韻律的竹材匯聚成流暢的拱形，天然材料裹挾著自然氣息，給人以回歸自然的舒適感。這個(gè)巨大的拱形在大地上形成一個(gè)靈動(dòng)的明眸，好似凝望園區(qū)的“竹之眼”。

　　竹藤館主體結(jié)構(gòu)全部由圓竹材構(gòu)成，單拱跨度長(zhǎng)達(dá)35米，是目前中國(guó)跨度最大的圓竹結(jié)構(gòu)場(chǎng)館。竹藤館是科學(xué)與藝術(shù)完美結(jié)合的典范。其設(shè)計(jì)靈感源于意大利卡德納斯設(shè)計(jì)工作室馬儒驍設(shè)計(jì)師，施工設(shè)計(jì)由清華大學(xué)土木工程研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)，無(wú)支點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原材料處理技術(shù)由國(guó)際竹藤中心負(fù)責(zé)。建造團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)圓竹的巧妙搭配和受力點(diǎn)的合理安排，既傳承了中國(guó)木結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)建筑的精髓，又利用竹子柔韌的特性創(chuàng)造出流暢的美感，明眸狀的造型同時(shí)也表達(dá)了天圓地方的中國(guó)古代哲學(xué)理念。

　　該建筑是應(yīng)用國(guó)際竹藤中心主持的“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“竹資源全產(chǎn)業(yè)鏈增值增效技術(shù)集成與示范”的成果之一。

　　攻克圓竹結(jié)構(gòu)材料制備和建造多個(gè)難題，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新

　　國(guó)內(nèi)最大跨度無(wú)支點(diǎn)竹拱建筑

　　竹藤館為圓竹竹拱建筑體系，主體部分采用5000多根毛竹建成。

　　展館屋頂由9榀圓竹拱作為主要受力體系，單拱跨度達(dá)35米，中間無(wú)任何支點(diǎn)，僅在拱腳兩側(cè)處采用混凝土側(cè)墩進(jìn)行壓力傳遞。該設(shè)計(jì)融合了拱結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)勢(shì)，是目前中國(guó)最大跨度的無(wú)支點(diǎn)圓竹竹拱建筑。

　　圓竹全尺寸標(biāo)準(zhǔn)材方便建造

　　竹藤館原材料的選擇依據(jù)國(guó)際竹藤中心主持完成的“圓竹結(jié)構(gòu)材應(yīng)用技術(shù)研究”科技成果，嚴(yán)格選用標(biāo)準(zhǔn)化原材料，采用4-6年生毛竹，胸高以上的竹桿，長(zhǎng)度為600±3厘米，最大直徑為8-10厘米，尖削度控制在2厘米之內(nèi)，含水率為8%-12%。建造前，先通過(guò)成套防霉防腐防蟲蛀防火技術(shù)對(duì)原材料進(jìn)行處理，使原材料達(dá)到尺寸規(guī)格化、性能穩(wěn)定。制備檁條構(gòu)件和圓拱構(gòu)件時(shí)，先用高溫處理將標(biāo)準(zhǔn)材調(diào)直，或調(diào)制成一定弧度，以滿足不同位置處的竹拱需求。此外，在圓竹標(biāo)準(zhǔn)材的兩端增加金屬喉箍，起到固定和防止開裂的作用。

　　組合式圓竹結(jié)構(gòu)構(gòu)件重塑承載模式

　　竹藤館主體結(jié)構(gòu)充分利用了圓竹優(yōu)良的抗彎性能，將168根圓竹通過(guò)縱向和橫向連接，組合成35米跨度的圓竹拱構(gòu)件，作為竹藤館的主要受力構(gòu)件。然后以4根圓竹為一組，通過(guò)橫向連接形成檁條，作為圓竹結(jié)構(gòu)的橫向承載構(gòu)件單元。檁條搭置于竹拱之間，連接相鄰兩拱，起到承擔(dān)和分散館頂壓力的作用。竹藤館的整體結(jié)構(gòu)通過(guò)竹拱件和竹檁條的合理配合，實(shí)現(xiàn)了大跨度圓竹結(jié)構(gòu)的承載模式。

　　精確計(jì)算圓竹多管狀結(jié)構(gòu)力學(xué)

　　國(guó)際竹藤中心竹藤生物質(zhì)新材料研究所和清華大學(xué)土木工程院結(jié)合雙方的專業(yè)理論知識(shí)和前期數(shù)據(jù)積累，對(duì)圓竹管狀結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析，結(jié)合有限原技術(shù)將圓竹管狀結(jié)構(gòu)力學(xué)及變形進(jìn)行了精確的模擬，為圓竹結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和力學(xué)計(jì)算提供了基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。

　　安裝了位移力學(xué)測(cè)試裝置，多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)點(diǎn)布置與全站儀測(cè)點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)，需要測(cè)竹拱豎向位移、拱面內(nèi)水平位移、拱面外水平位移。多點(diǎn)位移計(jì)的基準(zhǔn)點(diǎn)位于腳手架基座上。

　　創(chuàng)新圓竹縱向連接技術(shù)

　　大跨度結(jié)構(gòu)的首要需求是原材料縱向連接技術(shù)。32米長(zhǎng)跨度的竹拱構(gòu)件，需要168根長(zhǎng)600±3厘米的圓竹標(biāo)準(zhǔn)材通過(guò)縱向接長(zhǎng)來(lái)制備。研究團(tuán)隊(duì)共同研發(fā)了大竹筒內(nèi)套小竹筒，用氣釘將大小竹筒連接加固的圓竹接長(zhǎng)技術(shù)。由于小竹筒連接件與大竹筒材質(zhì)相同、性能相近，如此操作可使連接處在受力過(guò)程中既能發(fā)生同步變形，又能夠很好地調(diào)至相似的弧度，工藝簡(jiǎn)單，是良好的圓竹連接技術(shù)。

　　巧妙組合解決圓竹徑向連接

　　每個(gè)竹檁條構(gòu)件由4根圓竹標(biāo)準(zhǔn)材組成，通過(guò)直徑方向相互連接，形成橫截面為“田”字型的構(gòu)件，即上下各兩根。

　　為了保證檁條兩端的強(qiáng)度相近、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，減小圓竹標(biāo)準(zhǔn)材固有的尖削度影響，設(shè)計(jì)中，將4根圓竹標(biāo)準(zhǔn)材分為2組，大小端交錯(cuò)排列，并通過(guò)螺栓螺母將4根竹條兩兩連接，形成一個(gè)竹檁條構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)圓竹直徑方向的合理連接，形成多管束結(jié)構(gòu)件。

　　三技融合實(shí)現(xiàn)竹拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力分散

　　本設(shè)計(jì)主要通過(guò)竹拱截面設(shè)計(jì)、竹拱與側(cè)墩連接和增加拉索3項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大跨度竹拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分散。一是竹拱設(shè)計(jì)采用變截面桁架拱，結(jié)構(gòu)兼具拱和桁架結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)勢(shì)，大大分散了竹拱的應(yīng)力；二是在竹拱兩側(cè)修建混凝土側(cè)墩，并在拱腳和側(cè)墩連接處加灌水泥，降低拱腳處應(yīng)力集中，防止拱腳處圓竹開裂或斷裂；三是在竹拱兩側(cè)增加拉索，拉索在橋梁中常被用作受拉結(jié)構(gòu)，用在竹拱中可以增大竹拱腹桿拉桿的容許應(yīng)力。

　　預(yù)制構(gòu)件方便轉(zhuǎn)配圓竹結(jié)構(gòu)

　　竹拱構(gòu)件和竹檁條構(gòu)件均可通過(guò)工廠預(yù)制而成。通過(guò)對(duì)單根竹標(biāo)準(zhǔn)材進(jìn)行縱向連接，形成單根全尺寸跨度的單元，對(duì)該單元再進(jìn)行徑向技術(shù)連接，形成圓竹拱構(gòu)件的二級(jí)單元，再通過(guò)螺栓螺母在直徑方向連接形成1/2竹拱，并通過(guò)木質(zhì)連接和螺栓螺母將兩個(gè)1/2竹拱連接成一個(gè)完整的竹拱構(gòu)件。對(duì)4根圓竹標(biāo)準(zhǔn)材通過(guò)徑向螺栓兩兩相連形成橫截面為田字型的竹檁條構(gòu)件。通過(guò)預(yù)制好的構(gòu)件來(lái)建造圓竹結(jié)構(gòu)，施工簡(jiǎn)單，且會(huì)大大縮短工程周期。

　　雙向把控消除竹建筑防火隱患

　　該結(jié)構(gòu)建筑的防火設(shè)計(jì)從原材料的處理和防止火源兩個(gè)方向進(jìn)行。一是采用阻燃處理工藝對(duì)原材料進(jìn)行處理，使得其耐火等級(jí)和燃燒等級(jí)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；二是通過(guò)阻止火源的方法，在地下和墻體內(nèi)部預(yù)埋電線管道，使得電源不暴露在外面，防止火源直接接觸材料，從而達(dá)到阻止或延遲火源蔓延。

　　防護(hù)處理延長(zhǎng)竹結(jié)構(gòu)使用壽命

　　圓竹材的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化預(yù)制，是增加耐久性的前提。結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱匦?，工程?duì)圓竹原材料進(jìn)行相應(yīng)的成套防護(hù)技術(shù)處理，保證了圓竹材料的使用壽命；精確的結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)以及力學(xué)性能預(yù)測(cè)，使得此館可以抵抗風(fēng)荷載和雪荷載。對(duì)圓竹材料的因地制宜改性處理和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得國(guó)際竹藤館的使用壽命至少可達(dá)15年。

　　北京世園會(huì)國(guó)際竹藤組織展館，傳承了傳統(tǒng)文化，踐行了現(xiàn)代理念，創(chuàng)新了建筑技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了圓竹材大跨度無(wú)支點(diǎn)應(yīng)用，為圓竹結(jié)構(gòu)材標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化、商品化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。