基于科兴系列项目的绿色低碳型景观结构研究

文/中国建筑设计研究院有限公司 刘 旻 霍文营 郭 强 郑世伟 张 路 施 泓

0 引言

受新冠肺炎疫情影响，以短期范围解决新冠疫苗产能、长期方向提升生物医药产业研发能力为目的的一系列医药类建筑工程迎来建设高峰。科兴系列项目作为其中的标志性建设工程，在建筑结构设计领域延续其一贯的创新型设计思维。本文对科兴系列工程采用的绿色低碳景观结构及其研究成果进行系统性介绍，并为后续工程的技术开发梳理方向。

本文介绍的结构创新技术主要涵盖两个方面，即以改进型切割壳体方案为主要技术特征的创新型结构承载体系的开发应用及新型绿色低碳材料应用及其技术特征分析。涉及的工程案例包括科兴社区公寓项目和科兴天富景观棚架项目。

1）科兴社区公寓项目 作为高烈度地区的新型居住类建筑，为同时保证人的体验和建筑外观，创新性地引入“重结构”与“轻结构”设计理念；在室外功能性景观建筑物的绿色构建方面提出诸多新颖、实用的设计理念。项目室外景观结构典型效果如图1所示。

1 科兴社区公寓项目室外景观结构典型效果

2）科兴天富厂区景观棚架项目 作为投产阶段科兴天富厂区的景观改造提升工程，其立足于既有建筑室外空间的品质提升，重点采用新型切割壳体空间结构体系和绿色轻质结构材料。项目整体建筑效果如图2所示。

2 科兴天富厂区景观棚架整体建筑效果

1 新型切割壳体空间结构体系

科兴系列工程包括新型居住类建筑、新型工业生产研发基地。为匹配主体建筑的高标准设计要求，配套室外景观建筑物的设计要求涵盖绿色、轻盈、低碳等方面。

1.1 传统单层网壳结构的局限性

传统单层网壳结构体系具有良好的结构承载力学性能，其作为室外景观功能建筑物时具备良好的适用性，但在适配科兴系列工程的建筑方案创作中发现部分可继续改进的技术要素。

1）在室外环境条件下，钢结构材料无法完全满足耐腐蚀、免维护等耐久性设计要求，亟需新型结构材料的开发与应用。

2）当室外景观构筑物采用膜结构等轻质屋面材料时，结构自重已成为建筑物主要设计恒载，应尽量降低结构自重，或直接选用轻质高强新型结构材料。

3）传统单层网壳结构在两个大小不等壳体交接时，难以处理交界面位置三角形分割的标准化模数问题，对建筑效果和构件加工造成不利影响（见图3）。

3 单层网壳结构交界面示意

1.2 新型空间结构体系

结合科兴天富厂区景观棚架项目的工程实践，提出新型空间结构体系，完成效果如图4所示，结构计算模型如图5，6所示。

4 科兴天富厂区景观棚架建筑完成效果

5 科兴天富厂区景观棚架结构单元计算模型

6 科兴天富厂区景观棚架结构整体计算模型

1.3 主要技术特征

1）针对传统空间壳体结构，采取建筑几何切割改进方案，利用投影面等边三角形切割，保证双壳体或多壳体结合位置的几何模数规则性。典型方案生成如图7所示。

7 典型方案生成示意

2）结合建筑几何生成过程，配合结构合理化设计策略。①针对壳体结构等边三角形切割后引起的环向约束缺失问题，设置预应力约束平索结构，最大程度恢复原始壳体结构的环向约束效应，提升结构承载效率，预应力平索设置方案如图8，9所示。②考虑室外景观构筑物耐久性需求，选择耐腐蚀性能较强的不锈钢及铝合金作为主要建筑材料，其中，不锈钢材料既有良好的耐腐蚀特性又可基本满足钢材的承载性能，主要用于竖向构件、环梁等应力水平较高的构件；铝合金材质具备良好的耐腐蚀特性，承载力水平略低于钢材，但结构自重仅为钢材的1/3，主要用于结构荷载敏感的水平构件；壳体节点部分因需要焊接工艺，故优先选用高强度不锈钢材质（铝合金材料不适宜采用焊接工艺），高强度不锈钢和铝合金材料的选用范围如图1 0，11所示。③结合部分建筑高大立柱，为有效保证构件纤细、通透的效果，采用外张式张弦柱方案，利用约束索对芯柱构成有效侧向约束，最大程度降低芯柱构件截面尺寸，现场完工张弦柱效果及其结构做法如图12所示。④部分复杂节点采用专项设计措施，如多柱合一位置采用铸钢节点做法（见图13），铝合金与不锈钢节点交接位置采用新型嵌套节点方案（见图14）。⑤结合新型节点样式开发，将铝合金结构构件的型材选用从传统工字形截面改为矩形截面，在有效提升构件承载性能（尤其是平面外稳定性能和抗扭性能）的基础上有效减少构件截面尺寸，进一步提升建筑纤细、通透外观效果。工字形截面与矩形截面计算尺寸如图15所示。

8 单元模型预应力平索设置示意（红色突出显示部分）

9 整体结构预应力索设置示意（红色突出显示部分）

10 高强度不锈钢材料选用范围示意（红色突出显示部分）

11 铝合金材料选用范围示意（红色突出显示部分）

12 张弦柱完成效果及其结构做法示意

13 多柱合一铸钢节点

14 铝合金与不锈钢交接位置嵌套节点

15 工字形截面与矩形截面计算尺寸

2 新型绿色低碳建筑材料及其应用

在科兴系列项目设计过程中，新型绿色低碳建筑材料的选用及设计探索贯穿整个室外景观功能建筑的全过程，科兴社区公寓项目和科兴天富厂区景观棚架项目均有应用，涉及的结构材料及其对应结构体系包括木结构、竹结构、铝合金结构、不锈钢结构、复合材料组合结构等，具体应用如下。

2.1 木结构及其应用

在科兴社区公寓项目中，室外景观功能建筑的木结构方案包括木拱方案和钢木组合壳体方案。

1）单向木拱壳体方案 木结构单向设置木拱+次方向木梁（考虑木结构生产加工工艺及节点构造的效率最高）。最大结构跨度约36m，结构材料选用进口胶合木TCT32规格，典型结构计算模型如图16所示。该方案的技术优势为构件数量少、加工安装方便，相对应的单根构件截面尺寸相对较大，主要木拱梁采用300mm×700mm截面规格。

16 单向木拱壳体方案

2）木穹顶方案 采用半刚接节点连接样式的单层网壳结构体系及三角形单元分割。相较于单向木拱壳体方案，主要技术优势为构件截面纤细且加工工艺成熟，结构承载模式相对合理，构件应力水平如图17所示。

2.2 竹结构及其应用

相较于相对成熟的木结构，竹钢材料及其搭建的竹结构以构件强度高、原材料国产化、绿色低碳等技术优势获得科兴项目设计团队的青睐。现阶段竹结构在我国建筑结构设计领域中缺乏规范支撑，但参考钢结构、木结构等相关规范要求，外加专业竹结构生产加工厂家的配合，其依旧是技术优势显著的绿色低碳结构形式。

竹钢材料及其技术优势如下。

1）竹钢材料抗弯、抗压、抗拉强度通常在胶合木材料的1.5～3.0倍以上，材料性能显著。

2）竹钢材料为典型负碳材料，高度匹配我国碳中和发展策略。

3）竹钢材料具有国产化优势，相较于胶合木材料基本依靠进口现状，国内竹结构材料的市场潜力巨大。同时，竹钢结构材料相较胶合木材料，在碳排放、导热系数、阻燃性能、防腐性能、防虫性能等方面具有显著的优势。

科兴社区公寓项目采用竹钢材质构件搭建室外景观构筑物，结构计算模型如图18所示，经验算可有效满足规范要求，该结构体系可实现安全可靠、美观舒适的设计目标。

18 竹结构方案结构计算模型

针对单层网壳结构刚接节点的技术要求，科兴社区公寓项目的竹结构网壳采用半刚接节点构造（节点刚度达刚接节点样式的90%以上），典型节点样式如图19所示。

19 竹结构半刚接节点样式

2.3 复合材料组合结构及其应用

1）在科兴天富厂区景观棚架及其新型空间结构体系的介绍中，已详细分析高强度不锈钢材料与铝合金材料组合结构体系的应用，此处不再复述。

2）在科兴社区公寓项目的室外景观功能建筑设计中，基于业主单位提出的六边形企业医药标识的外观需求和结构三角形单元格壳体稳定的安全需求，探索选用铝合金构件与竹钢构件的组合型空间结构体系。其中，铝合金构件强度较高，编织六边形网格部分构成企业标识；竹钢构件进行网格划分，保证三角形结构单元和整体网壳结构的几何稳定。具体方案如图20所示。

20 竹钢与铝合金组合网壳结构（红色杆件表征铝合金构件；蓝色杆件表征竹钢构件）

3 结语

1）科兴天富厂区景观棚架项目及其选用的新型空间结构体系可在保证结构承载合理性的同时，最大程度地提升景观廊架多模块组合及空间平面布置的灵活性，是对传统单层网壳结构体系的实用性改进方案。

2）科兴系列项目及其采用的以木结构、竹结构、铝合金结构、不锈钢结构、复合材料组合结构为代表的新型绿色低碳建筑材料应用型结构体系，响应了我国“双碳”发展战略；同时，其合理化结构设计方案保证了整体结构承载效率，是安全、高效的新型材料结构体系。