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將正式開園，屆時，由國際竹藤中心竹藤生物質(zhì)新材料研究團(tuán)隊和清華大學(xué)土木工程研究團(tuán)隊共同建造的國際竹藤組織園展館將驚艷亮相。

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

　　竹藤館用獨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。這個巨大的拱形在大地上形成一個靈動的明眸，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，單拱跨度長達(dá)35米，是目前中國跨度最大的圓竹結(jié)構(gòu)場館。竹藤館是科學(xué)與藝術(shù)完美結(jié)合的典范。其設(shè)計靈感源于意大利卡德納斯設(shè)計工作室馬儒驍設(shè)計師，施工設(shè)計由清華大學(xué)土木工程研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)，無支點結(jié)構(gòu)設(shè)計及原材料處理技術(shù)由國際竹藤中心負(fù)責(zé)。建造團(tuán)隊通過對圓竹的巧妙搭配和受力點的合理安排，既傳承了中國木結(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，明眸狀的造型同時也表達(dá)了天圓地方的中國古代哲學(xué)理念。

　　該建筑是應(yīng)用國際竹藤中心主持的“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目“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難題，實現(xiàn)多項技術(shù)創(chuàng)新

　　國內(nèi)最大跨度無支點竹拱建筑

　　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，中間無任何支點，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)計融合了拱結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)勢，是目前中國最大跨度的無支點圓竹竹拱建筑。

　　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，先通過成套防霉防腐防蟲蛀防火技術(shù)對原材料進(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，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)通過竹拱件和竹檁條的合理配合，實現(xiàn)了大跨度圓竹結(jié)構(gòu)的承載模式。

　　精確計算圓竹多管狀結(jié)構(gòu)力學(xué)

　　國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)理論知識和前期數(shù)據(jù)積累，對圓竹管狀結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行了詳細(xì)的計算分析，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)計和力學(xué)計算提供了基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。

　　安裝了位移力學(xué)測試裝置，多點位移計測點布置與全站儀測點位置相對應(yīng)，需要測竹拱豎向位移、拱面內(nèi)水平位移、拱面外水平位移。多點位移計的基準(zhǔn)點位于腳手架基座上。

　　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米長跨度的竹拱構(gòu)件，需要168根長600±3厘米的圓竹標(biāo)準(zhǔn)材通過縱向接長來制備。研究團(tuán)隊共同研發(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

　　每個竹檁條構(gòu)件由4根圓竹標(biāo)準(zhǔn)材組成，通過直徑方向相互連接，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)計中，將4根圓竹標(biāo)準(zhǔn)材分為2組，大小端交錯排列，并通過螺栓螺母將4根竹條兩兩連接，形成一個竹檁條構(gòu)件，實現(xiàn)圓竹直徑方向的合理連接，形成多管束結(jié)構(gòu)件。

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

　　本設(shè)計主要通過竹拱截面設(shè)計、竹拱與側(cè)墩連接和增加拉索3項技術(shù)，實現(xiàn)大跨度竹拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分散。一是竹拱設(shè)計采用變截面桁架拱，結(jié)構(gòu)兼具拱和桁架結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)勢，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)件均可通過工廠預(yù)制而成。通過對單根竹標(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)件的二級單元，再通過螺栓螺母在直徑方向連接形成1/2竹拱，并通過木質(zhì)連接和螺栓螺母將兩個1/2竹拱連接成一個完整的竹拱構(gòu)件。對4根圓竹標(biāo)準(zhǔn)材通過徑向螺栓兩兩相連形成橫截面為田字型的竹檁條構(gòu)件。通過預(yù)制好的構(gòu)件來建造圓竹結(jié)構(gòu)，施工簡單，且會大大縮短工程周期。

　　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)計從原材料的處理和防止火源兩個方向進(jìn)行。一是采用阻燃處理工藝對原材料進(jìn)行處理，使得其耐火等級和燃燒等級滿足國家標(biāo)準(zhǔn)；二是通過阻止火源的方法，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?，工程對圓竹原材料進(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)計以及力學(xué)性能預(yù)測，使得此館可以抵抗風(fēng)荷載和雪荷載。對圓竹材料的因地制宜改性處理和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得國際竹藤館的使用壽命至少可達(dá)15年。

　　北京世園會國際竹藤組織展館，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)，實現(xiàn)了圓竹材大跨度無支點應(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)。