[分享]钢木组合结构赏析

来源：非解构，编辑：张妩迪

钢材和木材两种材料混合涉及的层面包含两个方面：其一是钢和木在结构构件层面的混合，其二是钢和木在节点层面的混合。其中，结构构件层面的混合可分为木材与钢材合为一体组成基本构件的一体式和相互分离分别组成基本构件的组合式两种。

请先欣赏一大波网图。

世界现存规模最大的木结构宫殿建筑——故宫

我国现存最高最古老的木结构——应县木塔

构思最大胆巧妙的木结构——广西容县真武阁

怎么样，有没有被我国的传统木结构建筑惊艳到？

是不是已经在慨叹我国木结构建筑历史的辉煌与厚重？

下面，将继续对木结构进行更加深入专业的了解。

我国传统木结构建筑技术在世界木结构历史上有着浓墨重彩的一笔，但是近代以来，我国木结构的发展一度停滞不前。在发达国家，现代木结构建筑已经十分普遍，美国90%的独户别墅都采用了木结构，日本的新建建筑中也有超过50%为木结构建筑。而我国的木结构直至上个世纪90年代才又迎来了新的春天。

随着现代技术的发展，单纯的木结构已经不能满足各个方面的需求。在木结构中融入钢材，不仅使整个结构具备了较强的拉、压、弯能力，并且钢节点的设计也极大地简化了构件的连接，同时将冷峻坚毅的钢材与自然又富有暖意的木材结合，使得钢木结构有一种独有的气息，既有现代感又不失亲和力。

钢材和木材两种材料混合涉及的层面包含两个方面：其一是钢和木在结构构件层面的混合，其二是钢和木在节点层面的混合。其中，结构构件层面的混合可分为木材与钢材合为一体组成基本构件的一体式和相互分离分别组成基本构件的组合式两种。

一体式

01  日本鬼石多功能厅

图片来源：doc88.com

日本的鬼石多功能厅，其演讲厅的屋顶采用了以木材作为腹板、木材外贴钢材作为翼缘的钢-翼缘型梁，这是在木结构构件中局部采用钢结构替代的经典案例。

02  列治文速滑馆

图片来源：uglassd.co；zh.mobile.wikipedia.org

2010年温哥华冬季奥运会的速滑馆Richmond Oval由加拿大著名木结构工程设计师艾普设计。这项设计拥有全球最大跨度的钢木结构屋顶，并获得了世界最佳运动场所设计奖。

该馆建筑面积33000㎡，可容纳8000名观众，跨度达到100m。速滑馆由2400m³的SPF规格材（用于波浪木屋面板）、19000张1.2m×2.4m的花旗松胶合板（主要用于屋面）和2400m³的花旗松胶合梁（用于屋面拱），结合70m³的黄柏胶合木柱（用于室外支撑柱）构成。速滑馆底部两层的地面是现浇混凝土，屋盖由100m跨度的钢-胶合木复合拱支撑在巨大的斜向混凝土支墩上，钢木复合拱的截面为空心V形，空心结构为管线的铺设提供了空间，拱身上可以看到有空调系统的出（进）风口。这个建筑优雅美观又不失实用性。

组合式

03  大馆树海体育馆

图片来源：bbs.qejc.cn；相关参考文献

1997年完成的日本大馆树海体育馆是日本最大型的木制拱形结构，由伊东丰雄建筑设计事务所和竹中工务店联合设计。椭圆形的屋顶的长轴175m、短轴157m，最高处52m，可以容纳5040人同时观看比赛，是名副其实的世界最大长轴的木结构建筑。

结构屋顶的框架是由纵长3到5m的拱构架每隔6m安置并且相互连接，形成格子状的设计。垂直于体育馆长轴方向的木拱断面较大，起主要结构作用；平行于长轴方向的木拱较为纤细，并分成上下两部分穿过垂直方向的木拱，起固定并支撑屋面结构的作用。整个拱架是一个钢木复合的结构体系：六角形的钢管捆束，钢杆用于斜撑，钢索用于拉紧各个杆件。整个结构充分利用了材料的特性。

04  出云穹顶

图片来源：

sports21.jp；taiyokogyo.co.jp；   jalan.net；rinya.maff.go.jp

位于日本中部的出云穹顶是典型的索支撑式拱结构体系，该建筑的表现形式是钢木格构式立体拱穹顶。它是当地政府为庆祝小城成立五十周年而建造的一个综合集会空间。

索支撑式拱结构体系拱架的直径为140m，高度49m，由36榀放射状的木质拱和张拉钢弦组合形成伞状结构，两者的组合从结构效能角度讲增加了整个体系的刚度和强度，同时伞状结构显示出舒展的轻柔与紧张感，传递着由复合构件组成的粗壮温暖的感觉。

05  白龙穹顶

图片来源：相关参考文献

由竹中工务店设计的位于日本的白龙穹顶是组合悬索结构体系的典型实例。该建筑为举行正式的篮球、排球和柔道、剑道等赛事而建，是日本首次采用现场胶合的大型梳齿状对接接头的杰作。

体育馆内，借助层板胶合木与膜材料的相互配合，旨在营造一个融于温暖柔和的大自然中的室内空间。比赛馆的平面为50m×47m，建筑最高处19.5m，出于满足建筑功能和建筑造型的需要，该建筑中通过设置中央支撑结构——刚性较大的格构式胶合木拱，适当地提高其比赛场地上方的净空高度，两侧的钢索网由从拱券向外框延伸的10根悬索(承重索)和与其呈正交方式布置的单侧共7根的压顶钢索(稳定索)构成，索网网格大小约50cm，其下垂形式与看台升起坡度一致，这样所形成的内部空间体积最小。

06  让-玛丽﹒吉帕欧文化中心

图片来源：

inhabitat.com；pinterest.com；

pinterest.co.uk；archinform.net；    giancarlovisivo.wordpress.com

意大利建筑师伦佐﹒皮阿诺于1991 年设计的“让-玛丽﹒吉帕欧文化中心”（1991-1998）不仅采用先进的建筑技术创造了现代化舒适文明的建筑环境，而且在材料运用及地方特色营造上也作了有益的探索。

这些曲线形的棚屋由木肋条和木隔栅通过钢杆支撑形成建筑的第一层表皮，起着吸纳和引导当地海风的主要功能。该结构可以看作是一系列格构式空间桁架排列组合而成的钢木混合体系，整个体系由粗壮的受压力木构件和纤细的受拉力钢拉杆或拉索组成，两者的并置形成视觉上强烈的粗与细、刚与柔的对比，彰显了钢材极强的抗拉能力，也强调了木材较好的抗压弯能力等材料特性。在水平和对角线方向穿插的钢索提高了结构的侧向刚度，同时融入整体建筑造型，外围弓形的木构件赋予整个建筑以张力。

钢节点

07 塔科马穹顶

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blog.sina.com.cn；flickr.com；       seattle.eventful.com；city-data.com

贵州省毕节穹顶

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westernwoodstructures.com；

westernwoodstructures.blogspot.com

塔科马穹顶作为美国华盛顿州塔科马市的一个多功能赛场和会议中心，由美国西部木结构公司设计。这一综合设施包括一个直径162m的穹顶。木结构穹顶高出地面达45.7m。穹顶结构包括重复的三角形木构架，这些构架交织成一个巨大的弧形，能够承受相当的荷载。木檩搭在主要的弧形结构上。主要的构架或者穹顶肋骨采用200mm×762mm的胶合梁。每一根主肋被弯曲以适应穹顶表面的曲线，主肋被Varax毂互相连接起来。这些六边形的钢连接构件能够将轴线方向的压力、剪力和弯矩从肋骨的端部传递到其他5根与之相接的肋骨。这样的连接件使得穹顶形成一个三维的空间构架，能够承载足够的荷载。

同样由美国西部木结构公司设计的亚洲最大木结构会馆——贵州省百里杜鹃国际会展中心，其毕节穹顶中心跨度53m，中间没有采用一根柱子作为支撑。6个叶片跨度18m。穹顶采用的形式类似于塔科马市体育馆，同样是凯威特型单层球面木结构网壳形式，节点采用胶合木杆件-钢夹板螺栓连接形式。

08  天津华侨城欢乐谷 

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天津华侨城欢乐谷文化演艺中心项目，完工于2012年，采用木结构单层球面网壳，节点处为木杆件-钢夹板螺栓连接。设计使用年限50年，建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度等级七度。外部框架采用胶合木结构穹顶按球面曲线设计，球体半径57m，弦高19m，木穹顶底边圆直径85m，采用6m高混凝土柱支撑，是目前国内单体规模最大的木结构建筑之一，屋顶结构木梁均采用胶合木结构。施工单位为上海臻源木结构公司。

09  汉诺威世博会展棚

图片来源：相关参考文献

汉诺威世博会展棚建成于2000年．设计师尤利乌斯·纳特尔将10个伞形的屋顶悬挂在26m高的木柱上，其中木塔上面的钢制金字塔式结构连接悬臂木粱与木柱，每个屋顶覆盖面积为1600㎡，木网格壳体间彼此连接，相互支撑。其屋顶展现了钢木结构建筑的造型潜力，垒叠式木板结构能有效地完成双曲网格壳体，以往这种双曲形式一般只能在钢索网结构中见到。壳体的网格大小不一，网格的非理性的表皮图案真实地反映了网壳的受力状：受力较大的地方杆件布置加密；壳体的高点受力较小，其构件布置稀疏。其结构计算结果对建筑师确定非均匀网格的形式起到了关键性作用，达到了结构技术与建筑美学的平衡。

10  比弗顿市立图书馆

图片来源：patch.com；commons.wikimedia.org

2000年9月建于美国俄勒冈州比弗顿市的图书馆使用16根由胶合板构成的树状结构柱，节点处采用钢节点。胶合层木柱子既是对图书馆前那棵美国大梧桐的一个回应，也是比弗顿市的口号“树木之城”的写照。

用螺栓固定在底部的4个分支部分形成一组7.92m的乔木树状柱子，所有的64个分支都由花旗松叠层结构构成，其厚度大约是普通胶合板的一半，从而允许更大的弯曲半径。这些柱子之上是两层格子结构，最上层的较轻的格子结构，是由正交平面旋转45度形成的。其下是呈正交布置的主体格子结构。其结构传力路径是屋面荷载经由较轻的格子结构传递至主体格子结构，分散至树状结构的各分枝，然后汇总至各树状结构的主干，最后传入基础。

“木材看起来美丽动人，摸起来柔软而舒适，嗅起来有大自然的芬芳，听起来牢固可靠”，而钢材这种人工化的材料充满理性冷峻之感。钢木结构则融合了二者在建筑造型及结构上的优点。在全球倡导绿色环保的背景下，虽然我国对于钢木结构的研究尚处于起步阶段，存在这样那样的问题，但钢木结构的发展十分迅速，应用领域也在逐步扩大，必将得到更多的推广及应用。

参考文献

[1] 王小盾，陈志华，白晶晶等. 钢木组合结构的研究现状与发展前景[C] . 2011全国钢结构学术年会论文集. 2011.

[2] 侯建芬. 现代钢木复合结构建筑设计研究[D].东南大学,2006.

[3] 耿志莹. 现代钢木建筑的技术与建筑表现[D].东南大学.2007.

[4] PaulC.Gilham. 塔科马穹顶体育馆—成功的木构多功能赛场的建设过程[J]. 世界建筑. 2002(9):80-81.

[5] 白润山，江卓林. 浅谈钢木组合结构研究进展[J]. 河北建筑工程学院学报, 2016, 34(3):75-78.