竹藤館主體結構

圓竹金屬喉箍件

竹藤館竹拱構件

竹檁條分布

混凝土側墩

　　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(kāi)園，屆時(shí)，由國際竹藤中心竹藤生物質(zhì)新材料研究團隊和清華大學(xué)土木工程研究團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(huì )園區心臟，毗鄰國際館，占地面積3100平方米，是園內84個(gè)展館中最值得濃墨重彩的場(chǎng)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(mǎn)韻律的竹材匯聚成流暢的拱形，天然材料裹挾著(zhù)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，好似凝望園區的“竹之眼”。

　　竹藤館主體結構全部由圓竹材構成，單拱跨度長(cháng)達35米，是目前中國跨度最大的圓竹結構場(chǎng)館。竹藤館是科學(xué)與藝術(shù)完美結合的典范。其設計靈感源于意大利卡德納斯設計工作室馬儒驍設計師，施工設計由清華大學(xué)土木工程研究團隊負責，無(wú)支點(diǎn)結構設計及原材料處理技術(shù)由國際竹藤中心負責。建造團隊通過(guò)對圓竹的巧妙搭配和受力點(diǎn)的合理安排，既傳承了中國木結構傳統建筑的精髓，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)也表達了天圓地方的中國古代哲學(xué)理念。

　　該建筑是應用國際竹藤中心主持的“十三五”國家重點(diǎn)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。

　　攻克圓竹結構材料制備和建造多個(gè)難題，實(shí)現多項技術(shù)創(chuàng )新

　　國內最大跨度無(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35米，中間無(wú)任何支點(diǎn)，僅在拱腳兩側處采用混凝土側墩進(jìn)行壓力傳遞。該設計融合了拱結構和桁架結構的雙重優(yōu)勢，是目前中國最大跨度的無(wú)支點(diǎn)圓竹竹拱建筑。

　　圓竹全尺寸標準材方便建造

　　竹藤館原材料的選擇依據國際竹藤中心主持完成的“圓竹結構材應用技術(shù)研究”科技成果，嚴格選用標準化原材料，采用4-6年生毛竹，胸高以上的竹桿，長(cháng)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，含水率為8%-12%。建造前，先通過(guò)成套防霉防腐防蟲(chóng)蛀防火技術(shù)對原材料進(jìn)行處理，使原材料達到尺寸規格化、性能穩定。制備檁條構件和圓拱構件時(shí)，先用高溫處理將標準材調直，或調制成一定弧度，以滿(mǎn)足不同位置處的竹拱需求。此外，在圓竹標準材的兩端增加金屬喉箍，起到固定和防止開(kāi)裂的作用。

　　組合式圓竹結構構件重塑承載模式

　　竹藤館主體結構充分利用了圓竹優(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米跨度的圓竹拱構件，作為竹藤館的主要受力構件。然后以4根圓竹為一組，通過(guò)橫向連接形成檁條，作為圓竹結構的橫向承載構件單元。檁條搭置于竹拱之間，連接相鄰兩拱，起到承擔和分散館頂壓力的作用。竹藤館的整體結構通過(guò)竹拱件和竹檁條的合理配合，實(shí)現了大跨度圓竹結構的承載模式。

　　精確計算圓竹多管狀結構力學(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)土木工程院結合雙方的專(zhuān)業(yè)理論知識和前期數據積累，對圓竹管狀結構的受力情況進(jìn)行了詳細的計算分析，結合有限原技術(shù)將圓竹管狀結構力學(xué)及變形進(jìn)行了精確的模擬，為圓竹結構構件的設計和力學(xué)計算提供了基礎理論數據。

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

　　創(chuàng )新圓竹縱向連接技術(shù)

　　大跨度結構的首要需求是原材料縱向連接技術(shù)。32米長(cháng)跨度的竹拱構件，需要168根長(cháng)600±3厘米的圓竹標準材通過(guò)縱向接長(cháng)來(lái)制備。研究團隊共同研發(fā)了大竹筒內套小竹筒，用氣釘將大小竹筒連接加固的圓竹接長(cháng)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)竹檁條構件由4根圓竹標準材組成，通過(guò)直徑方向相互連接，形成橫截面為“田”字型的構件，即上下各兩根。

　　為了保證檁條兩端的強度相近、結構穩定，減小圓竹標準材固有的尖削度影響，設計中，將4根圓竹標準材分為2組，大小端交錯排列，并通過(guò)螺栓螺母將4根竹條兩兩連接，形成一個(gè)竹檁條構件，實(shí)現圓竹直徑方向的合理連接，形成多管束結構件。

　　三技融合實(shí)現竹拱結構應力分散

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

　　預制構件方便轉配圓竹結構

　　竹拱構件和竹檁條構件均可通過(guò)工廠(chǎng)預制而成。通過(guò)對單根竹標準材進(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，形成圓竹拱構件的二級單元，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)完整的竹拱構件。對4根圓竹標準材通過(guò)徑向螺栓兩兩相連形成橫截面為田字型的竹檁條構件。通過(guò)預制好的構件來(lái)建造圓竹結構，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

　　該結構建筑的防火設計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原材料進(jìn)行處理，使得其耐火等級和燃燒等級滿(mǎn)足國家標準；二是通過(guò)阻止火源的方法，在地下和墻體內部預埋電線(xiàn)管道，使得電源不暴露在外面，防止火源直接接觸材料，從而達到阻止或延遲火源蔓延。

　　防護處理延長(cháng)竹結構使用壽命

　　圓竹材的標準化、規格化預制，是增加耐久性的前提。結合當地的氣候特性，工程對圓竹原材料進(jìn)行相應的成套防護技術(shù)處理，保證了圓竹材料的使用壽命；精確的結構力學(xué)設計以及力學(xué)性能預測，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構設計，使得國際竹藤館的使用壽命至少可達15年。

　　北京世園會(huì )國際竹藤組織展館，傳承了傳統文化，踐行了現代理念，創(chuàng )新了建筑技術(shù)，實(shí)現了圓竹材大跨度無(wú)支點(diǎn)應用，為圓竹結構材標準化、規格化、商品化發(fā)展奠定了基礎。