劉 智,武雄飛,柳之光,王麗霞,羅熙順
(中國建筑第三工程局有限公司,湖北 武漢 430074)
中國古代西漢時期,已基本形成使用榫卯連接梁柱的框架體系,在唐代得到成熟運用,五臺山佛光寺是現今可考究的世界上最早的全榫卯木結構建筑。傳統(tǒng)榫卯結構需使用復雜的建造技術加強每個關鍵節(jié)點,以保證滿足受力要求,且木結構體系受力理論存在一定局限性,導致古法木結構在建筑樣式創(chuàng)新上存在困難,不再完全適用于復雜多變的建筑環(huán)境。因此,需尋求新技術,以再現木結構建筑獨有的質感、美感及文化氣息,在傳承祖先智慧的同時不斷推陳出新。
天府國際會議中心項目位于四川省成都市天府新區(qū),緊鄰中國國際西部博覽城。天府國際會議中心前廳檐廊為膠合木全榫卯鋼木混合結構,是利用鋼材與膠合木組合受力的新型結構形式,可在保證體系良好受力性能的基礎上,極大減少木材的使用,有效控制建造成本,加快施工速度。
整個前廳平面尺寸為411.5m×16m,高24.78m,屋頂采用膠合木榫卯結構吊頂,膠合木總體量達3 600m3,其中橫梁1 700m3,膠合木縱梁1 200m3, 其余桿件700m3,成型效果如圖1所示。
圖1 膠合木成型效果
前廳跨度大,膠合木木椽條安裝高度大,施工工作量較大,難度大,存在巨大的安全質量風險,方案的技術經濟性指標較差。經過考慮,采用工廠定制+屋面分段吊裝+高空拼裝固定的方法完成屋面膠合木的施工,極大地降低了施工難度,且對控制其他因素具有重要作用。
屋面木結構采用分段吊裝+高空拼裝固定的方法進行安裝,配置2臺80t和8臺25,35t汽車式起重機轉運和吊裝材料,高空拼裝時利用汽車式起重機將施工所需的木構件吊至指定部位,逐層拼裝,施工完畢后卸載,進行下步工序的施工。
首先,確定屋面吊頂各施工區(qū)段及各相同標段(除起拱標段,其余標段柱間距均為9m)的構件分段圖,制定相應的施工方案,使用CADWork軟件進行建模計算,便于提前暴露各節(jié)點矛盾,及時修改并運用CLT(交錯層壓木材)工藝進行工廠加工,為后期快速安裝和一次成型提供保障。
在前者基礎上,確定具體施工順序:鋼結構施工→固定鋼連接件(見圖2)→固定首層膠合木橫梁→固定首層膠合木斗(見圖3,圖中節(jié)點適用于所有連接在鋼梁上的木斗)→固定首層膠合木縱梁與2層膠合木斗、橫梁→固定膠合木豎桿在膠合木縱橫梁交接處→固定上下層膠合木縱橫梁與膠合木豎桿→膠合木積木式搭設→頂層膠合木縱橫梁搭設(見圖4)。
圖2 鋼連接件固定
圖3 首層膠合木斗的固定
圖4 頂層膠合木縱橫梁連接
根據檐廊下方鋼結構支撐體系特點,以間距9m 的相鄰2根鋼柱作為單元體進行屋面膠合木設計(鋼架起拱處屋面膠合木吊頂單獨設計),單元體內的鋼結構作為膠合木吊頂的主要受力桿件,通過主鋼梁和鋼檁條、鋼柱間抬梁形成體系共同承受重力(見圖5),同時膠合木各構件分擔受力,使每個單元的膠合木與鋼結構形成一個良好的循環(huán)受力體系。在對圖紙深化的基礎上將整個檐廊劃分為多個跨度為9m的標準單元體進行施工,為后續(xù)施工分區(qū)和起重設備分階段施工提供便利,為項目施工組織及順利履約提供保障。
圖5 鋼柱抬梁支撐體系
傳統(tǒng)木材受空氣中溫度和濕度的影響,會逐漸開裂、變形,外觀也會受到較大影響,在使用過程中需經常進行養(yǎng)護。因此,本項目采用膠合木,該復合材料穩(wěn)定性高、美觀、可降解,常用來制作大跨度彎曲梁,符合本項目對木材性能的要求。同時,在原基礎上對前廳檐廊膠合木提出更高要求,進一步采用CLT工藝對膠合木進行加工制造。該工藝主要采用木方疊放膠合成實木板材,將橫紋和豎紋交錯排布的木材膠合在一起,以增加強度和耐火性,滿足本項目所需的高強度,如圖6所示。研究表明,采用挪威云杉生產的5層試件橫紋承壓性能十分優(yōu)異,橫紋承受極限荷載Fc,90達3MPa,彈性模量Ec,90為400MPa,由于CLT構件的相鄰層相互支撐,Fc,90和Ec,90比一般膠合木橫紋分別高出30%,70%。查閱相關規(guī)范BS EN 1995—1—2:2004《歐洲規(guī)范5:木結構設計——第1-2部分:概述——結構防火設計》表明,膠合木的碳化速度相比同尺寸普通木材降低10%,具有更加優(yōu)異的耐火性能,可有效控制后期受溫度影響而產生的開裂。所有木材由資質良好的工廠進行統(tǒng)一生產線定做,保證膠合木的高質量加工。
圖6 橫豎紋交錯排布
本工程膠合木方量大、種類多,安裝時若采用傳統(tǒng)的放線定位會造成大量的累計誤差,同時由于工廠統(tǒng)一標準生產膠合木,對安裝固定時的精度控制要求高。
安裝膠合木時,提前將連接板安裝在鋼結構上,以消化膠合木的安裝誤差,對連接板進行起拱,以抵抗膠合木結構自重導致的鋼材變形,同時對連接板的孔位進行空間定位,將幾厘米實際誤差消除在±5mm內,滿足木結構組裝的精度要求。
成立QC小組,對木結構曲屋面成型質量進行檢查和統(tǒng)計,對相應的問題進行研究,并制訂整改方案,以確保木結構曲屋面的成型質量。
本結構在設計時,鑒于傳統(tǒng)榫卯結構的復雜性及木材使用量巨大的現狀,對榫卯相應節(jié)點進行借鑒,并采用鋼木混合進行結構優(yōu)化,保留結構傳統(tǒng)樣式的同時極大減少木材的消耗,對項目降本增效及環(huán)境保護起到重要作用。
鋼木混合主要是在膠合木結構相交部位,使用一定尺寸的螺桿通過膠合木留設的孔洞進行螺栓連接,組合膠合木構件(見圖7)。
圖7 鋼木混合結構透視
結合本工程實際特點,提出工廠定制、鋼木混合、高空拼裝的施工方法,成功實現了超長鋼木混合榫卯檐廊的木結構施工建造。
1)構件深化,確保質量 對木結構各構件進行深化,確保屋頂木結構的安全,同時兼顧工廠生產、現場施工要求,為保證工廠制作、現場安裝質量創(chuàng)造條件。
2)工廠制作,綠色環(huán)保 所有膠合木構件在工廠加工深化完成后運輸到施工現場進行組裝,避免噪聲污染,同時通過工廠預定生產、現場拼裝建造,大幅度提高施工進度,有效確保工期履約。
3)軟件建模,提前把控 采用CADWork軟件對檐廊屋頂的仿古木結構吊頂進行建模,提前深化部分重要節(jié)點,確保各節(jié)點的高精度施工。
4)連接板提前定位,提高精度 采用連接板定位安裝方式消化鋼結構的安裝誤差,對連接板孔位進行空間定位,將幾公分實際誤差消除在±5mm內,滿足木結構組裝的精度要求。
5)CLT工藝加工,保障質量 本工程膠合木材料首次采用國際先進的小型CLT加工工藝,保證包板穩(wěn)定性,最大程度解決裝飾包板材料較薄、后期易變形開裂的問題。