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竹在当代建筑结构体系中的应用

作者:admin 发布时间:2019-07-12 浏览次数:146次

1、竹材竿件结构体系

竹材竿件结构体系是指竹材在砍伐后,不破坏其一节一节的自然形态,将竹材加工成段,用于建筑结构所组成的结构体系。国外通常根据结构计算理论,经过精密的计算,将竹材力学性能薄弱的连接部分采用新的节点构造方式,将竹材应用在跨度更大的建筑当中。使竹材良好的结构力学性能得到表现,例如印度巴厘岛由设计师约翰和辛西娅哈迪设计的绿色学校、西蒙·维列兹为了2000年汉诺威世博会图设计了ZERI厅。

巴里岛上的“绿色学校”采用岛上大量出产的巨龙竹为主要材料,为了避免竹材抗压能力的不足,设计师将竹建筑外部柱子的设计成多根竹竿发散支撑的柱子形态,使结构的支撑点增多,分散了巨大屋顶向下传递的荷载,底部多跟竹柱又相交于一点,使底部使用空间保持相对开阔的形态,同时在内部结构柱设计中又根据不同部位的实际情况,采用了多根竹竿成束组合与多根竹制柱子发散支撑相结合使用的方法。

西蒙·维列兹为了2000年汉诺威世博会设计了ZERI厅,建筑面积2150㎡,其中地面1650㎡,一层的展厅500㎡。整座建筑使用了4000根瓜达竹,建筑屋顶直径40m,向外悬挑7m,整个建筑平面呈12边形。主体架构完全由竹材竿件制成。主要结构单元为2个斜柱及其支撑的2个悬臂梁,12对基本结构单元按照圆形规律布置,横梁在最高处形成圆环。结构的设计使荷载由直接传递在竹柱变为了柱间的相互挤压,建筑中间为旋转展厅,与结构单元形成相互支撑,受力上更加合理。

2、竹材拱形结构体系

竹材竿件结构体系体现了竹材直线方向的抗压,抗拉的力学特点,竹材的良好韧性则在竹束拱形结构中得到了更好的体现,此种结构形式在当代建筑设计中得到了广泛的应用。竹材拱形结构体系主要有两种表现,一种是将竹材捆扎成束,根据结构受力情况对结构端部竹材数量减少;另一种是将竹竿材均匀布置,向心形成穹顶。

2、1竹束拱形结构

在2010世博会越南馆中,竹竿束柱向上升起,接近顶部处四周竹竿四散与周围竹束柱四散出的竹竿形成拱形结构,对结构中部形成支点,使结构受力更加合理,也使结构整体更加轻盈,形成了变化的顶部结构。多根竹竿的竹束结构还使结构在局部损坏的情况下进行修缮成为可能,延长了竹结构建筑的使用寿命(如图7)。

越南河内的“竹之翼”咖啡馆,结构上采用了竹束的双层V字形支撑,作为主要结构,结构在端部竹竿数量减少,顶部屋顶压在竹束的端部,使其呈现出自然的拱形结构状态,竹材的韧性得到充分的体现。

2、2竹材穹顶结构

在建筑师与结构师的共同努力下,竹材的韧性得到了更深入的挖掘,竹材同样应用到了穹顶结构中,在竹材穹顶结构中,竹材作为结构构件表现出了均匀分布的外形状态,竹材直接外露在穹顶内部,形成规律整齐的形态。

2010年上海世博会印度馆,其中央穹顶被称为世界上跨度最大的竹制 “绿色”穹顶,穹顶半径36米,高18米,用了40吨竹材,竹竿均匀分布向穹顶中心聚集,水平向以横向竿件相连,整个穹顶完全由竹子组成的网格支撑,竹子的良好韧性得到充分体现。

圆顶小屋是设计师Pouya Khazaeli Parsa在伊朗设计的临时安置房。设计师通过用竹子在中间部位旋转后进行弯曲成形的模式形成了一个穹顶结构,即作为屋顶又作为墙身。竹子旋转后形成的两个开口大的成为入口,小的开口则作为通风用的窗户,该建筑面积总共40平方米,造价为7000元人民币,建筑独特的弧形竹结构圆顶设计能够承载更多的荷载,底部整体的环形基础使建筑可以抵抗风力和地震。建筑表面用稻草覆盖,由于稻草良好的透气性,使建筑可以很好的应对当地时而潮湿下雨时而干燥暖和的气候。

3、竹材空间结构体系

现代建筑结构计算理论的完善和结构形式体系的进步,竹子也更多的被应用在新型结构体系中。空间结构体系的产生使竹材运用在更大跨度的结构中,使竹材获得更广泛的应用。

泰国湾苏梅沽岛儿童活动与学习中心是一座全竹制建筑,其主体用竹材按照蝠鲼(一种来自海洋的生物)的形状十字交错捆扎而成,结构分为上下两层,分别向两侧凸凹,形成建筑饱满外凸的造型,端部结构进行交接,形成整体的网状空间结构。整个结构由向上发散形成底部支座,分散了受力点,支撑着整个建筑,竿件合于底部两点,减少了建筑对周围环境的影响,也使得整个建筑好像漂浮在空中,像蝠鲼在海水中悠然漂游。

佩雷拉中心教堂的地震灾后重建同样选取了竹子空间结构。这座建筑的屋顶由弯曲的瓜多竹支撑,每5根瓜多竹组成一组,从地面四散延伸到屋顶,在屋脊处两侧的竹材成锐角相交,形成结构构架的基本单元,竖向竿件间以短横竿相连,增加了结构的整体性和结构强度,使得有双层竿件来承载屋顶的荷载。竹材竿件 的竖直向上的形式和空间,使人联想到哥特式教堂的尖券,表达了人们对于天堂的向往,产生了生动和虔诚的氛围。

4、竹制板材梁柱结构体系

由于材料加工技术的进步,竹制集成板材的出现使得竹材可以不受自然形态的影响,按照结构需要将竹材加工成需要的尺寸,也使得竹材也可以承受更大的荷载。使得竹材成为可以代替木材的材料。

建在浙江省临安金子山乡新场镇的临金楼,结构采用了竹集成板材梁柱体系,这个建筑的梁柱材料全部预制,通过合金构件将梁柱构件进行连接,加强了结构的整体性。整个结构体系共用了47根柱子、362根梁、208个连接件。建成后的临金楼高8.9米是目前国内最高的竹子建筑。建成后的临金楼外表上和普通的混凝土建筑没有什么两样。

竹材的强度在现代通行车辆的桥梁的建设中得到了验证。在湖南耒阳市的竹结构桥已经完成整桥荷载试验,正式通车投入使用。竹桥由湖南大学土木工程学院研究建成,桥净宽3.4米、长10米,由9根竹梁组成,竹梁为预制的竹胶合板,9根竹梁间隔0.4米紧密排列,实际荷载能力达90吨,预计使用寿命20年。

5、竹与其他材料组合的结构体系

竹材有着相当出色的材料力学性能,但是在一些设计中竹材的耐腐、抗压、抗拉等特性仍满足不了结构强度和耐久性的需要,这就需要我们将竹材与建筑材料组合使用。

5、1竹与混凝土组合的结构体系

竹子防腐一直都是我们要面临的问题,通常的办法就是防止竹子断面与潮湿的地面接触,将竹子建在石材柱础上。当代建筑设计中,将竹材进行防腐处理后仍需要用此方法对其进行处理。如在西蒙.维列兹设计的广东南昆山十字水生态度假村。设计者采用混凝土结构基础和墙体,竹结构屋顶的组合方式,即避免了竹材遇潮湿易腐蚀的问题,上部竹材的屋顶结构从混凝土柱顶部呈多组V字形发散的状态,创造出大的屋顶进深,起到了一定的遮阳作用,也使屋顶与墙体在形式上脱开,产生良好的通风效果,解决了建筑对当地气候的适应问题。竹与混凝土的搭配将混凝土的稳固和竹材的轻巧巧妙的结合,将两个完全向悖的感觉呈现给人们。

5、2竹与钢材组合的结构体系

在中德同行展馆中钢材与竹材的共同使用,表现出了两种材料各自的优势,形成的良好的互补。整个德中同行展馆的由96根、每根高8米、直径超过22厘米的V字型巨龙竹框架结构支撑,竹与竹间全部由钢材连接件相连,屋顶采用了竹结构和钢结构相组合的网架结构,竹结构在底层通过钢制节点与外立面上的V字型柱连接,使建筑构架成为整体,然后又在第一层竹屋架之上架设了一层与屋顶膜结构相结合的钢结构屋架。由于整体结构较轻,建筑又高度达到了8米,建筑的整体性和抗风压性能又成为了必须要解决的问题。建筑师又在设计中V字形框架间用钢丝拉索进行结构的强化,增加了结构的整体性和强度,使竹材结构与钢材结构呈现出完美结合。

在环境不断恶化,绿色生态越来越受到人们关注的今天,竹材在建筑中的应用范围不断扩大,在建筑结构体系中,竹材也表现出了多种的新的结构形式,我相信随着科学技术的进步,人们对竹材的了解会更加深入,竹材也必定会在建筑设计中得到更加广泛的应用。

参考文献:

1、现代主结构建筑研究陈晓扬 建筑与文化2010年7月

2、哥伦比亚建筑师西蒙·维列和他的竹建筑 刘宇波 李佳世界建筑2009年6月

3、竹子与高科技的完美结合 晓露 自然与科技2010年9.10月 总181期

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