加拿大菲利普•柯里恐龙博物馆

加拿大菲利普•柯里恐龙博物馆

Philip J. Currie Dinosaur Museum

地点：加拿大阿尔伯特省

业主：大草原县

建筑设计：Teeple建筑师事务所

总承包商：PCL建设管理公司

面积：29 000平方英尺

完工时间：2014年

Location: Pipestone Creek, Grand Prairie, Alberta, Canada

Client: County of Grande Prairie No. 1

Architect: Teeple Architects

General Contractor: PCL Construction Management

Building Area: 29 000 sqft

Completed: 2014

概述

这座占地2920平方米的博物馆坐落在阿尔伯特省大草原附近传说中的派普斯通恐龙骨床发掘地。该项目的特色在于其拥有一个复杂几何结构的屋顶，采用暴露在外的木制梁柱结构对其作为支撑，这些梁柱的造型犹如恐龙的骨架一般，博物馆便隐于其中。建筑师们从一开始便表达了对使用木材的渴望，甚至想到让这些骨头看上去更逼真，给人们呈现出一个视觉振奋的骨架结构。

挑战

前期的造价分析显示采用木材结构的设计方案似乎太昂贵了，因此当时也准备了一套全钢筋结构的方案。然而，使用木结构的方案似乎更能满足其本身的结构本质。采用重型木结构作为结构支撑将是相当直白的，但由于复杂的几何设计和各种变角，问题变成了结构“节点” — 这些梁柱间的交叉连接点 — 是否有方法可以让这些节点和结构本身无缝连接把这款建筑设计化为现实呢？粗壮的钢结构连接从视觉上来说就无法满足这个要求，但如果使用木结构的话又如何使用巨大的结构支撑力将8根（1.6米粗）长方形的胶合木以同样的3D角度连接起来，并且外观造型也令人满意呢？

结构工程师在与建筑师的交谈当中获得了诸多创意，其中之一便是让该建筑整体造型中能够体现出梁与柱自然地延伸交汇于彼此的节点的独特设计。

最初的想法是从一个巨大的锯材料中切割出一个节点，但是所必需的锯材尺寸以及对应成本清楚地告诉我们这个想法行不通。结构工程设计公司StructureCraft选择将这些巨大的复杂节点切割成操作起来比较可行的平面材，然后把它们粘合起来达到最终的立体造型。这就像3D打印一般，只是这里运用了多层叠加的胶合板。其使用数控机床对一整叠常规4'x8'胶合板像敲章一样切割出所需形状的材料，同时也将材料浪费最小化。

通过与建筑师在工作中的不断互动，最终完成的节点基本遵照了最初的想法，尺寸也符合相关要求。在解决了这个几何建筑学上的问题，StructureCraft和Fast+Epp两家公司的工程师又要研究另一大问题——如何对这个复杂连接的结构荷载力进行分析。

工程与建模

试着分析一个由多层正交异性和非均匀材料粘合一起，被80颗螺钉无相互依靠地钉在不同角度和长度上的巨型三维体后，发现没有任何可行性，即便使用最新的有限元软件。这些节点对于木材连接工程来说是具有突破性的尝试，因为它们具有独特的结构表现。面对如此的复杂性，无疑需要更为仔细的分析和测试。

为了检查这些节点的力度荷载和失效机理，在工程车间做了相关测试：将用胶合板组合叠加而成的柱子像这些节点装配一样进行粘合固定。通过对使用和不使用螺钉加强的对比测试，可以推导出应力参数，它可以反过来对节点本身的结构进行分析。使用直径为19mm长度为1200mm的螺钉来完成“拉压杆”模型的制作方式，这就如同混凝土里的钢筋。

制作

与此同时，设计和建造团队仍然不得不面对如何有效并经济地做出这些节点的问题。他们需要重点依靠3D建模软件来进行优化、螺钉放置以及质量控制。

开始，这些梁和柱的几何形状被输入到Rhino 3D（犀牛造型软件）。为了加快对节点的分析和建模，研究人员创建了相应的脚本语言来自动完成各个节点及其相应胶合板层的虚拟开发。每一个节点的二维异形层都是独一无二的，多方位的，因此，数控技术是一种显而易见的制造方法。Grasshopper，一款在Rhino环境下运行的采用程序算法生成模型的插件，推动这一过程，使之成为一个真正的数字制造的设计范例。

最大的节点须大于1500mm高2400mm宽，并装有大约180个数控件。每个厚度为16mm的数控件在一定程度上受到4'x8'尺寸的标准胶合板的固定。经过优化之后，这1250个数控件和250片胶合板的布局可以一起完成。每一块数控件都有自己的全球节点编号以及在具体项目中的位置编号。

但是当这些胶合板层被制作完成后，如何对它们进行索引并精确排列放置呢？三维自动化也包括在每一层上被整齐放置的小钻孔，每一层上将允许安装150mm长木销钉，因而可以将这些胶合板层相互间精准地堆叠。

完成层组件安装后，最棘手的一步还在前方 — 如何准确安装80颗增强螺钉同时又不与其他螺钉和口碰撞？如上所述，每一个节点的扩展都具有不同方向和大小的对角线加强螺钉。螺钉安装的最后阶段是车间楼板和用于仔细定位各个螺钉的三维模型之间的紧密协作。

在整个制作过程中，进行了工程审查和大范围的质检监控来确保整体节点和单个节点的扩展都符合相关容许度，因为之后在这些节点上要连接梁和支柱。

安装

临时钢柱在Z方向固定住这些节点而同时在X和Y方向上的节点和斜拉锁一起调整。这些节点需要精确地放置在三维空间中以便拉起过程会顺利进行。节点被安全地放置后，相关的梁和支柱连接到每个节点的扩展点上。

获奖

2015年木结构设计奖: 木材广泛使用特殊建筑设计

2015年木结构设计奖: 优秀工程

2015年木结构设计奖: 木结构工程倡导奖模范提名和地方推选

平面图

轴测图