“力与形的完美结合”——空间树状柱结构

“力与形的完美结合”——空间树状柱结构
并不是所有的结构柱都是单枝、笔直的，比如说树形柱。

树形柱又称树状柱、分叉柱，有人把它归为建筑仿生结构的范畴，有人说它是结构构件的拓扑演化。

高迪在圣家族大教堂(Sagrada Familia) 的设计中大量使用
了树状柱。

柱子多次分生出枝叉，支撑着高低错落的拱顶，托起教堂内部巨大的空间。

圣家族大教堂: 树形柱仿生结构
树形柱将荷载传递由一点变为多点，提供了更多的传力路径，支承覆盖范围大。

它通过树杈分支减小屋盖结构的跨度，用较小的杆件即能支承更大的空间。

我们今天就来介绍一下，树形柱的特点和工程应用案例，供大家参考。

（以下案例的次序按树形柱分枝多少出场）Fort Worth 现
代艺术馆有两个分支的Y形柱，是最简单的树状柱。

Fort Worth现代艺术馆采用了清水混凝土Y形柱构件，有助于减小屋面结构的跨度。

直立的Y形清水构件、轻薄的混凝土屋面平板形成简洁大方的建筑效果Fort Worth现代艺术馆建筑设计TAAA，结构设计TT
上海浦东机场T2航站楼上海浦东机场T2航站楼采用Y形
斜柱支承的张弦梁屋盖结构，创造出轻盈、活泼的超大空间。

航站楼大厅采用两级分叉柱，室外挑檐采用Y形斜柱，钢结
构构件和节点细节都十分考究。

上海浦东机场T2航站楼，两级分叉的树形柱结构华东建筑设计总院
Y形斜柱支承的屋盖挑檐与登机桥桁架一起，呈现出简洁的效果一般来说，树形柱的末端与屋面结构之间采用铰接连接。

这主要是基于两点考虑：1）方便实际施工过程的安装；2）由于树枝的末端截面一般非常纤细，铰接连接可以避免屋面梁的弯矩直接传递给树枝端、产生破坏。

浦东机场T2航站楼，Y形柱顶采用万向铰节点树形柱分枝构件通常非常纤细，其整体稳定问题需要设计重点关注。

一般需进行弹性屈曲分析来判定其计算长度系数，用于弹性设计；并根据考虑非线性的弹塑性分析验算其极限承载能力。

N倍荷载时，Y形柱的失稳模式和塑性应变南京禄口机场2号航站楼，华东建筑设计总院
马德里机场T4航站楼由建筑师安东尼奥·拉梅拉（Antonio Lamela）和理查德·罗杰斯（Richard Rogers）设计的马德里机场T4航站楼，在2006年荣获英国皇家建筑师协会所颁发的RIBA Striling Prize奖。

颜色鲜艳的Y形柱是航站楼最主要的元素之一。

马德里机场T4航站楼航站楼内部颜色渐变的Y形柱树干为混凝土斜柱，分叉构件为钢管室外纤细的Y形柱，柱顶钢杆对拉平衡一般情况，树形柱的分枝拓扑原则，需尽量避免分枝对主干产生偏心弯矩。

当分枝与主干在二维共面时，尽量形成力的平行四边形；当分枝在三维空间
展开时，需使分枝的轴力尽量汇交到主干的轴线上。

杆件汇交节点的受力大且复杂，一般采用板件补强、劲板加强的相贯焊接节点，或者铸钢节点。

巴特洪堡人行天桥巴特洪堡人行天桥的长度为76m，最大跨度为46m。

设计的最大亮点，是用高15m的分叉柱实现斜拉桥结构。

均匀分布的树状分枝，能够确保树柱只承受轴压力。

巴特洪堡人行天桥，设计SBP这个树形柱的材料非常特别。

为了实现连接节点
处复杂的几何造型以及平滑过渡，需要采用能够三维成型的材料。

下图节点照片看起来像是铸钢，实际上它是一种花岗岩(辉长岩)。

分叉节点：材料为辉长岩为了确保在风力和偶然荷载下桅杆中也不会出现拉力，在岩块内设置了预应力钢筋使构件预压。

Boehringer Ingelheim餐厅餐厅美食广场极具建筑效果的是，6根形态自由的、清水混凝土预制的树状柱。

树状柱支承着混凝土无梁楼盖形式的屋顶，以及直径8.5m的圆形玻璃天窗。

德国BoehringerIngelheim公司餐厅建筑设计BM+P，
结构设计SBP,2008相较于其它“分杈”的树形结构，这里将
分杈设计成叶处形。

叶片表面形状不是标准的圆锥面，而是用膜结构找形原理优化而得的。

树形柱主干与叶片组装现场树形柱的主干和分枝均采用自密实的混凝土预制而成，并在现场通过浇筑节点成为一个整体。

Lee Hall Clemson大学当树形柱的分叉点比较高、分叉角度
比较大时，分枝传递竖向荷载同时产生的水平分力很大，柱顶需要拉杆平衡。

这时分枝更趋近是屋面结构的一部分，而树形柱的受力状态则像是伞状结构。

Lee Hall Clemson大学采用类似扁平树形柱的还有TEXACO加油站TEXACO 加油站树形柱结构超过4个分枝的树状柱，一般会采用更贴近自然的仿生结构的手法，以免给人杂乱的感觉。

堡尚茨利户外餐厅堡尚茨利户外餐厅是卡拉特拉瓦在1988
年设计的一个小规模项目。

用钢材和玻璃模拟的树状结构，成为他后期作品的一个重要元素。

结构总高12m，由4棵纤细的树状分叉柱支承。

每棵柱顶有4片自动控制、可折叠的玻璃方格，通过8条铰链连接，根据天气情况控制折叠或开启。

堡尚茨利户外餐厅(模型)，1988年纤细的树状柱和可折叠屋面
森林礼拜堂/ForestChapel森林礼拜堂是一座规模很小的教堂，在树木环绕的公园中。

建筑师将花园中的树木作为设计主题，树形柱既是支承结构，也是建筑表现的一种元素。

森林礼拜堂, Hironaka Ogawa & Associates, 2011每棵
树形柱都是由90x90x7mm和75x75x6mm的两种L形角铁组装成的，树干部分呈十字形，向上分叉伸展成柔和的曲线形“树枝”。

像大自然中的树木一样，树形柱彼此之间保持着一定的距离。

伸展的树枝减小了梁的跨度，托起轻薄的屋面。

看似复杂、随机的树形柱，实际上是由统一的基本单元旋转布置而成的。

建筑创造出丰富造型的同时，也有效地控制了建筑成本。

法国Margaux酒庄法国Margaux酒庄建筑外形简炼，重新诠释着乡村的瓦片屋顶，与既有的工业建筑相和谐。

新建的倾斜屋顶由树形承重柱支撑，安装玻璃窗作为采光井。

法国Margaux酒庄，Foster + Partners，2015.柱子分叉与
屋盖结构形成了空间整体作用，这使得树杈构件的截面能够更加纤细，同时有利于提高结构抗侧刚度。

建筑师们精心
地设计了树形柱的形态，每根柱有5个不对称的分枝。

树干部分为焊接的闭口截面，而在分叉点十分自然地过渡为H形分枝构件，受力合理、形式新颖，细节处理简洁美观。

树
形柱的分叉节点，焊接形式
德国斯图加特机场T3候机楼斯图加特机场T3候机楼，采用了大型的树状支撑结构体系。

屋面被设计为单坡斜面，以便采用相同的树形柱结构支撑（18根树形柱仅变化树干部分的高度）。

斯图加特机场T3候机楼建筑GMP,结构SBP,2000-2004年树形柱呈三级分叉，横向分枝深远。

每棵树形柱分出48个
端支点(4x3x4) ，支承屋面格栅梁和屋面板。

树形柱的第2、3级分枝处采用铸钢节点(共16个)。

仰视树形柱的分枝拓扑关系
加拿大BCE宫加拿大BCE宫Allen Lambert长廊，屋顶使用了拱结构和“羽毛”系杆，构造波浪状的屋顶。

支承结构是两列高耸的树状柱，使得长长的柱廊像“林荫大道”一般。

Allen Lambert 长廊，1987-1992年Allen Lambert 长廊，纤细的构件和节点处理
里斯本东方车站
里斯本东方火车站，树状柱，1993-1998年还有一些树形柱案例，限于篇幅无法一一介绍，仅罗列出来供大家欣赏。

Haramain高速铁路车站，建筑设计Foster+Partners树干为板肋形式，并由此向上分枝分枝构件与屋面梁融合成整体Medina Airport机场，有八个分叉的树形结构树形柱的衍生形式多种多样，预示了巨大的创新潜力。

如果大家有关于树形柱结构设计的想法和案例，希望能留言分享。

参考文献1.树状柱在大跨度空间结构中的研究与应用, 陈俊等.2.德国斯图加特机场3号航站楼,GMP.3.Detail工程系列图书第1册，/archives，森林礼拜堂。