树状柱结构体系设计策略探究与实践

树状结构连接节点较多，且有多根杆件交汇，是力流交汇传递的重要保证。分级节点和顶部节点由于荷载条件、结构布置、内力和共同受力方式的不同，节点形式也不尽相同。如德国斯图加特机场候机厅（图1）采用三级分杈树状结构，顶部树枝与屋盖采用销轴式铰接连接节点，其余分级节点均为整体铸造的刚接节点。▲

图1

德国斯图加特机场候机厅伦敦韦斯特菲尔德购物中心（图2）采用二级分杈树状结构，顶部节点及二级树枝与一级树枝之间采用销轴式铰接连接节点，树杆与一级树枝之间为刚接节点。▲

图2

伦敦韦斯特菲尔德购物中心铰接连接计算长度明确，无需反算树枝构件计算长度。对树枝形态的分布方式要求较低，无需找形分析，便可始终保证上一级构件合力的方向与下一级构件轴心线重合。树枝构件只承受轴向力，多数情况下截面按构造长细比控制即可。刚接连接结构体系冗余度较高，有利于形成屋盖整体抗侧刚度，但刚接节点连接方式较为复杂，树状主钢管与树枝钢管相贯的地方，由于树枝所引起的侧向力很大，极易把树状钢管主柱撕裂。尤其是多根杆件交汇在一点时，往往需要整体铸造方可满足要求，制作成本高。当结构体系抗侧力构件以树状柱为主时，建议做成刚接连接，以形成更好的结构侧向刚度；若树状柱只负责承受竖向荷载，可考虑把部分连接方式设置为铰接，以减少构件尺寸，此时树状柱需与具备较强侧向刚度的结构形式相结合，通过屋顶整体联系作用将水平荷载传至此部分结构。工程概况冰雪小镇文创商街位于张家口市崇礼区太子城村，北京2022冬奥会张家口赛区核心区的中部，四面被群山环抱。太子城遗址和高铁站两条轴线交汇于此。基地西北低、东南高，高差约12m。该项目为冰雪公共服务的综合配套设施，设计以“雪花”为概念，通过形体组合，形成雪花状的坡屋面建筑组团和聚落。整体实景照如图3所示。▲

图3

冰雪小镇实景照片地上共分为9个楼栋，以颁奖广场为界分为南、北两区。其中8#楼、9#楼及8#楼与9#楼之间连桥属于北区部分。建筑功能为室内商街，包括商业/餐饮、影院、儿童游乐场、车库等。平面尺寸东西长约300m，南北长约260m,地上部分总建筑面积为6.7万m2。利用8#楼和9#楼之间的连桥设置两道结构缝，将8#楼、9#楼和连桥分成三个独立的单体。北区建筑平面布置图如图4所示。▲

图4

北区建筑平面布置图主楼部分结构体系采用钢框架+树状结构，地上三层（局部四层），建筑高度为18m（局部22m）。主楼屋顶由大量正六边形雪花状单元拼合而成，正六边形单元边长为10.8m。建筑物屋面分金属屋面区域和透明屋面区域，其中透明屋面区域采用树状结构，每个典型六边形单元下部设置两组树状柱支撑。跃层柱树杆为4根299×16组成的格构式柱，树杆一转四，分出4根299×16的一级树枝以支撑屋顶（图5）。▲

图5

中庭树状柱实景照屋顶采用大三角形分格将边长为10.8m六边形单位划分为若干个边长为5.4m的正三角形。典型屋顶钢梁截面为口350×200×12×30和口350×200×12×25。屋顶钢梁与一级树枝之间采用插板式铰接节点连接，树杆与树枝之间采用可万向转动的销轴式节点连接（图6）。金属屋顶区域采用折面式钢框架结构，钢梁沿屋顶坡度顺势弯折。金属屋顶钢梁之间满布水平支撑，以提高屋顶的整体性。典型钢柱截面为500×25和600×25；典型钢梁截面为HM582×300×12×17和H600×300×12×25。▲

图6

树状柱单元施工阶段照片屋面整体结构体系搭建本项目主楼屋顶由大量正六边形雪花状单元拼合而成，透明屋顶区域包裹在金属屋顶区域之间（图7中透明区域为透明屋顶范围）。金属屋面区域采用稳定的钢框架结构，且金属屋面区域占屋顶总面积的68%，因此可认为金属屋面可为透明屋面区域的树状结构提供有效的侧向支撑（钢框架结构和树状结构关系示意图如图8所示）。设计采用了“围魏救赵”的策略，通过加强框架部分截面和刚度，减弱树状柱承担水平力，进而实现减少树状柱构件截面的效果。▲

图7

屋顶平面布置图▲

图8

结构关系示意图8#和9#之间连桥设计连桥桥面长41.8m，宽9.75m，桥面下设置两组V形钢柱，V形柱间距20.9m。桥面以上对应下部V形钢柱支撑位置，设置4组V形桅杆。V形桅杆柱之间相互结合，通过共用节点的方式形成2组W形柱。设置承重钢索将W柱柱顶相互拉接，并在屋面与桥面之间每隔2m设置一道防风索，进而形成屋顶主承重体系（图9）。立面上呈W形的钢柱为屋顶承重钢索在跨中提供了一个竖向支撑点，进而有效地降低了钢索索力。为保证背索索力有效传递，在桥面与地面之间设置拉杆柱。▲

图9

连桥轴测图结合屋顶玻璃分格每隔2m设置一根钢梁，钢梁顶部设置两组反弓形稳定索（图10），防止屋面在风荷载作用下左右晃动。V形桅杆柱结合桥面形状按一定角度向桥面外侧倾斜，在形态上与主体建筑采用