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    建筑師的木結構建造實踐

    2018年06月27日
    天津中加生態示范區展示中心位于天津市濱海新區內的中加(中國和加拿大)生態示范片區,基地是一片待開發的填海地,毗鄰國家海洋博物館,以中加合作開發為背景。
     
    加拿大擁有豐富的森林資源,林木業已成為加拿大的符號。天津中加生態示范區展示中心的設計構想旨在進一步凸顯木材在建筑中應用的基礎之上,體現建筑的生態、宜居特點,打造一個集體驗、游樂、交流、銷售于一體的樓盤展示銷售中心。
     
     
    在占地面積不到5000㎡的條件下,業主要求建筑同時滿足體驗展示、兒童活動、樓盤銷售三個功能。根據業主的初步設想,我們設置了體驗展示區、活動區、銷售區三個部分,將三者按照形式追隨功能的原則做了分離,并根據實際使用需求確定每個體量的大小。之后,將每個體量進行旋轉切割,讓出各個方向的主入口和中心庭院。
     
     
    為了契合加拿大首次和中國開發商合作建設低碳、環保社區的設計理念,業主要求銷售中心所售樓盤中一部分為輕型木結構住宅,同時還提出將位于地塊東南角的展廳設計為重木結構建筑,讓建筑在陳列展品的同時其自身也能成為獨特的木結構展品。這一結構形式的定位設定了“以結構表現形式,凸顯木材在建筑中的應用,體現建筑生態、宜居特點”的設計理念。
     
    木結構選型
     
    目前常見的木結構建筑形式主要分為重木結構、輕型木結構和原木結構三種。
     
     
    重木結構一般是膠合木結構,即用膠粘的方法將木料或木料與膠合板拼接成具有整體木材效能的構件和結構,結構基礎一般采用鋼筋混凝土結構,墻體采用輕型木結構、玻璃幕墻、砌體墻及其他結構形式。輕型木結構是由采用規格材、木基結構板材或石膏板材制作的木骨架墻體、樓蓋或屋蓋組成的結構體系。原木結構是將經過原木屋制模機加工處理后的原木堆砌榫卯而成的結構形式。輕木結構可以理解為墻體承重體系,不適合于大型開敞空間,經常用于住宅的建造;原木結構工藝偏傳統,對施工工藝要求較高,造價高,常見于風景區、旅游景點、休閑場所或者酒店等設施的建設中;重木結構外觀挺拔雄偉,適用于柱跨較大、形象高敞的公共建筑類型,并且由于重木結構有比較成熟的構件加工廠家,所以在展廳的結構選擇上最終我們選用了重木結構體系。
     
    木結構建筑的設計表達
     
    1.結構表現力
     
    在木結構展廳內部空間的設計上,建筑師簡化了空間構成要素,削減與場景無關的功能性空間或過渡空間——如門廳、衛生間、休息室等,充分利用不可再減的必要結構、空間、交通、家具,構成一個意義明確的空間場所。展廳內部的大部分空間為兩層通高,一條敞開的樓梯將一層主入口與二層平臺相接。
     
     
    樓梯既承擔了交通功能,也是休憩場所和展柜空間。圍繞空間中心的位置設計了傘狀結構木柱,6根斜柱發散至屋頂與頂部的主、次梁相連并讓出一個矩形采光天窗。作為參與結構計算的一部分,木柱不僅是結構構件,也是一個具有精神象征意義的展品。天窗由露明的主、次梁和紅雪松木板構成,建筑師并沒有在結構梁底之下做吊頂,而是仿照中國古代建筑屋頂“徹上明造”的做法,讓梁架結構完全暴露,人們站在室內的任何地方都能清楚地看懂整棟建筑結構的交接邏輯。由于不做吊頂,減少了其占據的室內空間高度,使空間更為高敞,梁柱間構件交接的劃分成為室內頂部空間的裝飾手段,陽光透過天窗向兩層通高的室內傾瀉而下,室內光線被自成一體的梁柱及傘狀柱打碎,創造出斑駁夢幻的光影體驗。
     
    1 木結構次梁;2 木結構主梁;3 樹狀柱;4 底靴;5 混凝土基礎;6 面層;7 混凝土墊層;8 混凝土底板;9 螺栓對穿;10 普通螺栓;11 金屬件;12 預埋底板;13 抗剪縫;14 雙螺帽;15 地腳錨栓
     
     
    在室內墻面的設計5上,將木梁、木柱真實地暴露在外,只在梁柱之間填充了白色的內墻飾面用來包裹輕木結構墻面。由于木結構良好的保溫性能,故將梁柱暴露的設計邏輯也應用于外立面,外立面板材同樣以“填充”的方式置于梁柱框架之間。展示廳的外墻掛板被設計成了具有厚度感的木飾面造型,并利用不同角度的切削面制造光影,進一步強化了木材的厚重感。
     
    2.表皮與光影
     
    雖然其他兩棟單體沒有繼續采用木結構,但在建筑外觀上均植入了由木材構成的立面元素。木材具有很高的靈活度和可塑性,因此在立面形式上做了很多嘗試。
     
    在兒童活動中心、銷售中心的立面上,采用了純木面樹脂板的格柵,通過變換板材尺寸與安裝角度,制造出多元的光影效果;在展廳、銷售中心的女兒墻上也采用了純木面樹脂板,但板材形狀和安裝方式與墻面格柵有很大區別,通過設計創造出波光粼粼的質感;展廳外墻使用了加拿大紅雪松外墻掛板,用不同角度的切削體現木材的厚度和質感。
     
    除了展廳以外,銷售中心和兒童活動中心這兩棟單體由于業主并沒有使用木結構的傾向,所以我們以空間功能和建筑師自身的想法為出發點,分別將它們設定為混凝土框架結構和清水混凝土結構,而連接三個功能單體的室外連廊被定義為連接“完形”建筑之間的“負形體”,平面形狀極不規則,因此采用了可塑性較強的鋼結構。在整個項目中,建筑師希望各棟單體建筑選擇適宜的結構形式而不必強制統一,幾種不同的結構體系混搭在一起產生了有趣的對話,同時這也給結構設計過程帶來了多重挑戰。
     
    1.特殊結構與研發
     
    銷售中心三層的室外平臺與展廳的屋頂平臺由一座架空的室外連廊連接,連廊又通過一部鋼結構樓梯與二層室外平臺相連,連廊和樓梯不僅解決了銷售中心的疏散問題,也成為通往展廳屋頂的路徑。為了保持與展廳統一的形式語匯,將支撐連廊的鋼柱設置在靠近銷售中心的一端,并取消了鄰近展廳一側連廊下的鋼結構支撐。
     
    連接木結構展廳和銷售中心的鋼樓梯
     
    在受力計算的過程中,連廊會因受到較大風荷載影響產生較大位移而釋放力,同時鋼結構與木結構的剛度相差較大,所以鋼、木兩種結構無法直接連接,故須采用特殊的處理辦法,否則將嚴重破壞剛度較弱的木結構。經過反復的方案對比,最終植入了一種特殊的結構連接構件——單向滑移支座,將連廊受到的風荷載力傳導到展廳木結構梁的受力方向上去。
     
     
    不同于傳統意義上橋梁底座與橋面連接處的支座構件,單向滑移支座強調力在一個方向上做滑移時另一個方向上的運動受限。經過多方咨詢,找到了一家愿意根據設計要求訂做此種支座的廠家,在結構團隊和廠家多次修改之后,最終直到連廊施工時才生產出支座成品。
     
    2.報批審核階段的壓力
     
    國內現行建筑規范在木結構建筑類型的相關規章制度并不完善,而且國內木結構建筑案例較少,導致審核部門的相關審核經驗也相對不足,因此該項目也遭遇了在建筑報批、審核環節上的限制。在設計的中后期,結構工程師和最終的審核部門在木結構的結構計算體系上產生了不小的分歧,分歧點在于是否要將木結構體系簡化歸納成鋼結構體系。與建筑師配合的專業木結構設計廠家認為木結構有其自身的受力邏輯和自成一體的計算體系與交接方法,但傳統的設計院以及審核部門并不認可廠家的經驗數值,因此最終還是要求把重木結構等同于鋼結構來處理。無奈之下,只能在木梁與木柱之間增加了斜向的鋼拉桿以增強整體結構的受力性能,用這種混合的結構方式使整體結構剛度達到報審要求。此次實踐也說明了目前國內建筑行業在木結構建筑的相關標準規范以及認可體系方面還有很大的空白。
     
    結語
     
    借助此次建筑實踐,我們了解了現代重木結構的特性,并探索了不同結構交接的構造方法,感悟和思考頗多。縱觀混凝土框架結構、磚混結構、混凝土剪力墻結構等傳統結構類型,通過結構本身來表達建筑形象目前還具有一定的局限性,一般都會在主體結構外再穿上一層“外衣”來展示建筑的外觀。如果想要暴露結構和展現結構美學,必須要把經過結構計算的構件尺寸重新優化,才能具有一定的藝術表現力。
     
     
    木結構天然的材質特性使其本身既可作為結構也可成為裝飾,帶給人溫暖、怡人的感覺,同時木結構建筑不需要做任何尺寸的約束調整就能具有很強的藝術表現力,因此可以極大拓寬建筑師的設計思路。與此同時,在建筑物的全生命周期中,木結構建筑的能源消耗明顯小于其他類建筑,符合時下低碳、環保的能源理念。雖然中國傳統建筑幾千年來一直使用木構,但是在當代追求快速生產與廉價建造的時代背景下,國內對于木結構建筑的應用及推廣至今還沒有達到應有的深度和高度,需要整個社會對木結構建筑給予更多關注和推廣,這樣更多的木構實踐才能得以展開。

     

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