[分享]直径44m的半圆形和伞构造支撑起多雪地区的屋顶

作者：Theone唯一时间: 2018-05-22 00:00 阅读: 次大中小

国际教养大学中岛纪念图书馆

——和伞构造支撑起多雪地区的屋顶

撰文山田宪明山田宪明构造设计事务所

翻译陆洋山田宪明构造设计事务所

1 大厅内景

国际教养大学于2004年建立，是一所专门培养世界级人才的公立大学。大学的一个重要建筑是一个24小时开放的图书馆，其因平面是直径约44m的半圆形而有“壮丽大厅”之称，其中阅览席、书架沿圆弧方向排列，楼梯沿半径方向呈放射状布置，宽大的两层式平屋顶由秋田杉和钢材的混合结构组成（图1）。在两层屋顶落差部分设计了狭长的玻璃便于自然采光，“和伞”状的结构体系在阳光照射进来时呈现出独特的光影，成为静谧的阅览空间中最自然的元素（图2~4）。在建筑圆心的位置设有控制区域可以看到整个藏书区，电脑查询藏书可以迅速定位、方便搜索。整体的平面构成包括南区图书馆大厅、北区长方形区域的电脑教室、东区的学习语言开发中心（LDIC），这三个区域交汇的中央区是防火、抗震设计的核心区。从隔音、防火、雪荷载、活荷载等各个角度考虑，核心区一、二层建筑为混凝土结构，核心区的地下室部分也是混凝土结构，在防火和抗震中起到重要作用，为木结构的图书馆大厅、PC教室、LDIC各区域的抗震起到了有效的分担辅助作用。

2 平面图

3 剖面图

4 建筑外观

1 建筑及结构的形象、概念的确定

建筑和结构的设计方向是设计师经过约2个月的方案甄选确定的。业主的期望较高，要求很独特，大约可以归纳为以下三点：1）作为学生经常能自习的图书馆，24小时开放；2）考虑到荷载、积雪、隔音、防水等因素，希望使用木结构和混凝土结构；3）希望能把秋田县产的木材作为主要结构材料，同时使图书馆成为没有任何地域特征的建筑。

综合以上要求，设计师将图书馆设计成平面是半圆形、剖面是阶梯状的“书籍竞技场”。书架和阅览席为同心圆，楼梯是半径，人们在使用图书馆时是面朝圆心的，可以有效地唤起学习热情（图5，6）。另外，屋顶光源可以使光线射入原本昏暗的大空间，恰到好处地烘托馆内静谧的氛围。一方面，作为主要结构材料的木材，从成本和用量角度来看，选择秋田杉比较妥当。特别是住宅建设用杉木，使用普通截面（截面宽度105～120mm，高度240～300mm，材料长度4～6m）的话，木材原料比较充足，价格也相对稳定。但是，作为构造木材使用的是战后种植的E50～70左右的造林杉木，强度和刚度不够大，因此按照普通截面尺寸进行设计计算的话，难度比较大。于是，普通截面的原木能裁切成最大正方形截面边长约150~180mm、长4～6m的木芯成为结构主体材料，梁柱的刚度也得以提升。较长的木材在干燥处理时需要特别注意，同时本案中轴力是力学体系的主体，力学体系的合理化尤为重要。由于组装梁接合部分的节点数量非常多，会产生较高应力，因此在使用钢板插入式连接时需要尺寸较大的节点材料，但这样会相应提高成本同时也影响美观。因此，各节点采用高级木工（大工）手工制作的榫卯节点来解决。以上结构设计概念使用秋田杉木、传统木匠技术等日本特有的非物质文化遗产，非常适合交流国际文化的大学图书馆项目的定位。这些建筑和结构的概念贯穿了设计的始终。

5 外观效果图

6 大厅手绘效果图

2 外观设计

屋顶形状的设计对结构形态和力学性能影响很大，但在本案中积雪对结构体系的设计有着决定性的作用。多雪区域的积雪应对方法，可以大致分为增大屋顶倾斜度使积雪迅速落下与平坦屋顶上承载积雪这两种。前者的屋顶结构对雪荷载要求较低，但突降大雪后的安全性和落雪后的积雪处理问题不容易解决。相反，后者是把所有积雪的问题都转换为增加屋顶结构荷载，当使用强度不高的杉树木材以及中小截面木材时，满足相应的设计荷载需要费一番工夫。选择哪一种结构形式，判断依据之一是讨论假如利用倾斜屋顶形态，能否形成力学上的合理结构，如是否可以考虑使用环形结构形成的曲面或折叠形态等。但是在半圆形平面上，倾斜屋顶与半圆形成了不规则锥形，其半径方向向外辐射的推力不平衡，难以得到较为合理的力学模型。如果不采用倾斜屋顶，平屋顶的结构能确保室内空间，节点更容易与梁柱接合。基于以上思考，设计师讨论之后决定使用平屋顶的方案进行深入设计。支撑平屋顶的梁被设计成从圆心出发，沿半径方向呈放射状分布。

屋顶形态的决定过程还与另一个设计要素密不可分——屋顶侧面的采光窗分布，将在平屋顶圆弧方向的侧墙采光，室内设置前侧灯。一方面，在两层屋顶出现落差的地方，半径方向力的传达路径不连续；另一方面，如果在圆周方向设计大空间，桁架梁等刚性结构会占用一定空间。因此，在屋顶出现高差的位置设计放射梁的支持线，把屋顶的高差变化设计在半径22m的中点附近，同时设计沿弧方向的横梁。阶梯状阅览空间的最上层需确保书架高度的空间，这里小倾角屋顶、外墙高位采光窗，以及从积雪高度考虑的双侧屋顶落差高度等因素，自动决定了屋顶的高度。由此，建筑外形基本确定下来。

3 结构体系的设计

外形确定之后，接下来就进入了结构系统的设计阶段。本案的建筑物防火等级为准耐火建筑，因此每一个防火分区面积应小于1 000㎡，木结构主体部分的图书馆大厅需要使用混凝土墙体，墙壁厚度t=250mm。混凝土外墙的隔音和防水性俱佳，确保了图书馆内部空间的静谧和干燥。地震荷载可以由混凝土外墙100%承载，而因积雪垂直荷载产生的屋顶结构向外侧的推力，也可以用混凝土墙体很好地解决。

屋顶侧方光源设计在二层屋顶分段处以及外墙和屋顶交界的区域，同时选择雪荷载和地震荷载能顺畅传达的轻桁架结构，以保证屋顶侧方采光窗的开口率。特别是屋顶出现高差部分的弧形梁，承载着整个屋顶一半的荷载，超出了木结构的允许最大应力。另外，要用木结构做成弧形梁，必须使用昂贵的弯曲集成材料。因此，在屋顶高差部分设计了弧形钢桁架梁，并将放射状木结构梁连接在弧形钢梁上。

屋顶高差部分位于半径22m的图书馆大厅距离圆心13.5m处，弧形钢梁长度为42m，在平面上根据轴力的不同调整柱子的间距在7~10.5m之间，共设置6根立柱。中间的柱子原计划采用正方形截面边长180mm、长度4m的4根木材集合而成并相互连接在一起。在与施工单位商讨后最终决定使用截面边长360mm的一整根木材。

弧形钢桁架梁是由一般的钢弧梁、柱、斜撑等杆件组成的弧形平行弦桁架梁。然而圆弧形平行弦桁架梁中弧形杆件和斜撑杆件之间有一定的角度扭转，节点安装相对较复杂。如果斜撑杆件改用较小尺寸，虽然可以解决节点的问题，但是会降低刚度，不足以支撑放射状木结构横梁。因此，没有斜撑杆件的设计方案被提出并深入讨论。最终的结果是弧形钢梁截面稍微增大，用钢量也有所增加，但由于没有斜撑杆件，各构件的组成和节点更为规整，木结构放射梁也可以更好地与钢梁连接。

建筑最外侧的高位采光窗位于混凝土墙壁之上，夹在独立钢柱之间。钢柱直接支撑木结构放射梁。如果木结构放射梁的一端全部汇集在圆心位置，会造成节点的拥挤，因此设计了以圆心为中心、半径为2.5m的半圆形钢梁，一则解决了节点拥挤的问题，二则减小了放射梁的跨度。半圆形钢梁的支撑方式也有很多种设计思路，如果立柱垂直，用斜撑支撑半圆形钢梁，立柱上的弯矩会增大，因此考虑从地面圆心出发，采用倾斜立柱直接连接半圆形钢梁，放射状立柱为6根直径300mm的杉木（图7）。

在以上的结构体系中，整体结构还不够稳定，由放射状立柱而产生的水平面向外的推力引起的形变并没有得到很好的抑制，会引起屋顶有高差部分的弧形钢桁架梁的扭转变形。因此屋顶面采用厚度t=24mm的木质胶合板，不仅提升了水平屋顶面的整体刚度，也提高了立体空间的整体稳定性，建筑整体也会随着木材干燥收缩产生的细微形变做出相应的变形（图8，9）。

7 放射状斜柱施工现场

8 结构体系最终方案

9 结构体系分析过程

4 木结构放射梁的设计（双重组合梁）

整体结构体系的设计思路确定后，接下来就进入了木结构辐射梁的设计阶段。该地区的积雪厚度可达1.5m，采用平屋顶设计，桁架梁势必会占用一定的室内空间，选取正方形截面边长150～180mm、长度4～6m的杉木作为主要结构材料，组成高质量的桁架梁。平屋顶短期雪荷载垂直方向可达5.5 kN/㎡。对于这一荷载，要用中小截面的杉木完成1/100小倾角的屋顶，对结构的刚度和强度都提出了很高的要求。满足垂直荷载5.5kN/㎡，放射梁跨度约12m，如果是设计成单跨梁，梁高将近1m，而鉴于木材长度的限制，位于中间的节点很难实现。为此，引入横截面为150mm×150mm的桁架梁（又称作“叉头梁”），将主跨分成4段、每段3m的小跨度，使用180mm×180mm木材作为下弦材料来实现。这样屋顶荷载直接作用在上弦木材，立柱截面边长360mm，然而这个尺寸并不能使用中小尺寸截面的木材。因此又将上弦梁分为三层（上层135mm×240mm，中层120mm×120mm，下层150mm×150mm），叠合使用（又称作“重叠透视梁”），亦可全部由中小尺寸截面的木材所组成，同时使桁架梁自身也轻盈。节点则采用日本木工技术打造的弯矩强度较高的榫卯接合方式（日语称之为“追掛大栓継手”，图10），设置在长度4～6m木材应力相对较小的位置上。

10 追掛大栓継手

经过上述设计的放射梁，由适应不同跨度的两种组合梁（重叠水印梁和叉头梁）纵向重叠组合形成了“双重组合梁”（图11，12）。双重组合梁配合放射梁角度的变化（上层屋顶7.50°，下层屋顶3.75°），最终被圆心-中点-外圈的钢结构梁柱（位于圆心位置的半圆形钢梁、屋顶高差部分的钢结构弧形梁以及最外圈的钢柱，图13，14）支撑。

由于需要现场组装的构件数量众多，如果使用特制的木-木、木-钢连接构件的话成本很高，而如果使用普通连接构件，会因为不够精细而暴露在外，破坏纤细纯木空间的设计感。因此在本案中运用了大量类似“追掛大栓継手”等以日本传统木工技法生产打造的榫卯节点，控制成本的同时简洁、完美地诠释了木结构空间之美。放射梁的两端，由于存在数十千牛的轴力需要传递，在木结构桁架梁的端部还设计了插入式钢板辅助节点连接。洋式木结构房屋尖顶部分常用的带销钉的榫卯节点也被使用。所有节点的榫卯尺寸、应力大小、施工方式、美观与否均是设计施工时思考和讨论的重点。

11 双重组合梁研究

12 双重組立梁的建造

13 双重组合梁和钢结构弧形梁的接合

14 整体3D 分析模型

5 木材尺寸变化的应对

一般作为结构材料的木材，建设时的含水率大约为15%～25%。竣工后建筑开始被使用，实际环境会造成含水率约10%～15%的下降。这一含水率的变化会引起木材干燥收缩，且在纤维、半径以及圆周方向上的收缩率会有所不同。收缩率大小依次是，圆周方向最大，半径方向其次，纤维方向最小。但是构件的尺寸变化受纤维方向长度变化影响最大，特别是在本案所采用的结构体系属于较大跨度的结构，容易受到纤维方向形变的影响，木材过于干燥收缩会加大杆件应力、产生有损变形。因此，考虑到木材本身的收缩形变，对其尺寸变化进行了详细讨论。含水率在建造检查时为15%，平衡时约10%，木材轴向的收缩率约为0.1%（图15，16）。此外，为了减小干燥变形对结构的影响，在木材的选择和处理时均进行了充分的干燥和保养。

对于任何建筑物来说，建筑的长期使用保养和维护都是至关重要的，木结构建筑这一点尤为重要。我们为本案制定了几年的定期检查和简易的桁架结构调整机制，特别是经常处于拉伸状态的横梁端头，如果有磨损松动，很容易破坏平整的屋顶，所以在横梁端头设置了特殊的细部螺杆机关，将来必要时可以进行调整（图17）。