直徑44m的半圓形和傘構造支撐起多雪地區的屋頂

最新 05-22

國際教養大學中島紀念圖書館

——和傘構造支撐起多雪地區的屋頂

撰文山田憲明山田憲明構造設計事務所

翻譯陸洋山田憲明構造設計事務所

1 大廳內景

國際教養大學於2004年建立，是一所專門培養世界級人才的公立大學。大學的一個重要建築是一個24小時開放的圖書館，其因平面是直徑約44m的半圓形而有「壯麗大廳」之稱，其中閱覽席、書架沿圓弧方向排列，樓梯沿半徑方向呈放射狀布置，寬大的兩層式平屋頂由秋田杉和鋼材的混合結構組成（圖1）。在兩層屋頂落差部分設計了狹長的玻璃便於自然採光，「和傘」狀的結構體系在陽光照射進來時呈現出獨特的光影，成為靜謐的閱覽空間中最自然的元素（圖2~4）。在建築圓心的位置設有控制區域可以看到整個藏書區，電腦查詢藏書可以迅速定位、方便搜索。整體的平面構成包括南區圖書館大廳、北區長方形區域的電腦教室、東區的學習語言開發中心（LDIC），這三個區域交匯的中央區是防火、抗震設計的核心區。從隔音、防火、雪荷載、活荷載等各個角度考慮，核心區一、二層建築為混凝土結構，核心區的地下室部分也是混凝土結構，在防火和抗震中起到重要作用，為木結構的圖書館大廳、PC教室、LDIC各區域的抗震起到了有效的分擔輔助作用。

2 平面圖

3 剖面圖

4 建築外觀

1 建築及結構的形象、概念的確定

建築和結構的設計方向是設計師經過約2個月的方案甄選確定的。業主的期望較高，要求很獨特，大約可以歸納為以下三點：1）作為學生經常能自習的圖書館，24小時開放；2）考慮到荷載、積雪、隔音、防水等因素，希望使用木結構和混凝土結構；3）希望能把秋田縣產的木材作為主要結構材料，同時使圖書館成為沒有任何地域特徵的建築。

綜合以上要求，設計師將圖書館設計成平面是半圓形、剖面是階梯狀的「書籍競技場」。書架和閱覽席為同心圓，樓梯是半徑，人們在使用圖書館時是面朝圓心的，可以有效地喚起學習熱情（圖5，6）。另外，屋頂光源可以使光線射入原本昏暗的大空間，恰到好處地烘托館內靜謐的氛圍。一方面，作為主要結構材料的木材，從成本和用量角度來看，選擇秋田杉比較妥當。特別是住宅建設用杉木，使用普通截面（截面寬度105～120mm，高度240～300mm，材料長度4～6m）的話，木材原料比較充足，價格也相對穩定。但是，作為構造木材使用的是戰後種植的E50～70左右的造林杉木，強度和剛度不夠大，因此按照普通截面尺寸進行設計計算的話，難度比較大。於是，普通截面的原木能裁切成最大正方形截面邊長約150~180mm、長4～6m的木芯成為結構主體材料，樑柱的剛度也得以提升。較長的木材在乾燥處理時需要特別注意，同時本案中軸力是力學體系的主體，力學體系的合理化尤為重要。由於組裝梁接合部分的節點數量非常多，會產生較高應力，因此在使用鋼板插入式連接時需要尺寸較大的節點材料，但這樣會相應提高成本同時也影響美觀。因此，各節點採用高級木工（大工）手工製作的榫卯節點來解決。以上結構設計概念使用秋田杉木、傳統木匠技術等日本特有的非物質文化遺產，非常適合交流國際文化的大學圖書館項目的定位。這些建築和結構的概念貫穿了設計的始終。

5 外觀效果圖

6 大廳手繪效果圖

2 外觀設計

屋頂形狀的設計對結構形態和力學性能影響很大，但在本案中積雪對結構體系的設計有著決定性的作用。多雪區域的積雪應對方法，可以大致分為增大屋頂傾斜度使積雪迅速落下與平坦屋頂上承載積雪這兩種。前者的屋頂結構對雪荷載要求較低，但突降大雪後的安全性和落雪後的積雪處理問題不容易解決。相反，後者是把所有積雪的問題都轉換為增加屋頂結構荷載，當使用強度不高的杉樹木材以及中小截面木材時，滿足相應的設計荷載需要費一番工夫。選擇哪一種結構形式，判斷依據之一是討論假如利用傾斜屋頂形態，能否形成力學上的合理結構，如是否可以考慮使用環形結構形成的曲面或摺疊形態等。但是在半圓形平面上，傾斜屋頂與半圓形成了不規則錐形，其半徑方向向外輻射的推力不平衡，難以得到較為合理的力學模型。如果不採用傾斜屋頂，平屋頂的結構能確保室內空間，節點更容易與樑柱接合。基於以上思考，設計師討論之後決定使用平屋頂的方案進行深入設計。支撐平屋頂的梁被設計成從圓心出發，沿半徑方向呈放射狀分布。

屋頂形態的決定過程還與另一個設計要素密不可分——屋頂側面的採光窗分布，將在平屋頂圓弧方向的側牆採光，室內設置前側燈。一方面，在兩層屋頂出現落差的地方，半徑方向力的傳達路徑不連續；另一方面，如果在圓周方向設計大空間，桁架梁等剛性結構會佔用一定空間。因此，在屋頂出現高差的位置設計放射梁的支持線，把屋頂的高差變化設計在半徑22m的中點附近，同時設計沿弧方向的橫樑。階梯狀閱覽空間的最上層需確保書架高度的空間，這裡小傾角屋頂、外牆高位採光窗，以及從積雪高度考慮的雙側屋頂落差高度等因素，自動決定了屋頂的高度。由此，建築外形基本確定下來。

3 結構體系的設計

外形確定之後，接下來就進入了結構系統的設計階段。本案的建築物防火等級為準耐火建築，因此每一個防火分區面積應小於1 000㎡，木結構主體部分的圖書館大廳需要使用混凝土牆體，牆壁厚度t=250mm。混凝土外牆的隔音和防水性俱佳，確保了圖書館內部空間的靜謐和乾燥。地震荷載可以由混凝土外牆100%承載，而因積雪垂直荷載產生的屋頂結構向外側的推力，也可以用混凝土牆體很好地解決。

屋頂側方光源設計在二層屋頂分段處以及外牆和屋頂交界的區域，同時選擇雪荷載和地震荷載能順暢傳達的輕桁架結構，以保證屋頂側方採光窗的開口率。特別是屋頂出現高差部分的弧形梁，承載著整個屋頂一半的荷載，超出了木結構的允許最大應力。另外，要用木結構做成弧形梁，必須使用昂貴的彎曲集成材料。因此，在屋頂高差部分設計了弧形鋼桁架梁，並將放射狀木結構梁連接在弧形鋼樑上。

屋頂高差部分位於半徑22m的圖書館大廳距離圓心13.5m處，弧形鋼樑長度為42m，在平面上根據軸力的不同調整柱子的間距在7~10.5m之間，共設置6根立柱。中間的柱子原計劃採用正方形截面邊長180mm、長度4m的4根木材集合而成並相互連接在一起。在與施工單位商討後最終決定使用截面邊長360mm的一整根木材。

弧形鋼桁架梁是由一般的鋼弧梁、柱、斜撐等桿件組成的弧形平行弦桁架梁。然而圓弧形平行弦桁架梁中弧形桿件和斜撐桿件之間有一定的角度扭轉，節點安裝相對較複雜。如果斜撐桿件改用較小尺寸，雖然可以解決節點的問題，但是會降低剛度，不足以支撐放射狀木結構橫樑。因此，沒有斜撐桿件的設計方案被提出並深入討論。最終的結果是弧形鋼樑截面稍微增大，用鋼量也有所增加，但由於沒有斜撐桿件，各構件的組成和節點更為規整，木結構放射梁也可以更好地與鋼樑連接。

建築最外側的高位採光窗位於混凝土牆壁之上，夾在獨立鋼柱之間。鋼柱直接支撐木結構放射梁。如果木結構放射梁的一端全部彙集在圓心位置，會造成節點的擁擠，因此設計了以圓心為中心、半徑為2.5m的半圓形鋼樑，一則解決了節點擁擠的問題，二則減小了放射梁的跨度。半圓形鋼樑的支撐方式也有很多種設計思路，如果立柱垂直，用斜撐支撐半圓形鋼樑，立柱上的彎矩會增大，因此考慮從地面圓心出發，採用傾斜立柱直接連接半圓形鋼樑，放射狀立柱為6根直徑300mm的杉木（圖7）。

在以上的結構體系中，整體結構還不夠穩定，由放射狀立柱而產生的水平面向外的推力引起的形變並沒有得到很好的抑制，會引起屋頂有高差部分的弧形鋼桁架梁的扭轉變形。因此屋頂面採用厚度t=24mm的木質膠合板，不僅提升了水平屋頂面的整體剛度，也提高了立體空間的整體穩定性，建築整體也會隨著木材幹燥收縮產生的細微形變做出相應的變形（圖8，9）。

7 放射狀斜柱施工現場

8 結構體系最終方案

9 結構體系分析過程

4 木結構放射梁的設計（雙重組合梁）

整體結構體系的設計思路確定後，接下來就進入了木結構輻射梁的設計階段。該地區的積雪厚度可達1.5m，採用平屋頂設計，桁架梁勢必會佔用一定的室內空間，選取正方形截面邊長150～180mm、長度4～6m的杉木作為主要結構材料，組成高質量的桁架梁。平屋頂短期雪荷載垂直方向可達5.5 kN/㎡。對於這一荷載，要用中小截面的杉木完成1/100小傾角的屋頂，對結構的剛度和強度都提出了很高的要求。滿足垂直荷載5.5kN/㎡，放射梁跨度約12m，如果是設計成單跨梁，梁高將近1m，而鑒於木材長度的限制，位於中間的節點很難實現。為此，引入橫截面為150mm×150mm的桁架梁（又稱作「叉頭梁」），將主跨分成4段、每段3m的小跨度，使用180mm×180mm木材作為下弦材料來實現。這樣屋頂荷載直接作用在上弦木材，立柱截面邊長360mm，然而這個尺寸並不能使用中小尺寸截面的木材。因此又將上弦梁分為三層（上層135mm×240mm，中層120mm×120mm，下層150mm×150mm），疊合使用（又稱作「重疊透視梁」），亦可全部由中小尺寸截面的木材所組成，同時使桁架梁自身也輕盈。節點則採用日本木工技術打造的彎矩強度較高的榫卯接合方式（日語稱之為「追掛大栓継手」，圖10），設置在長度4～6m木材應力相對較小的位置上。

10 追掛大栓継手

經過上述設計的放射梁，由適應不同跨度的兩種組合梁（重疊水印梁和叉頭梁）縱向重疊組合形成了「雙重組合梁」（圖11，12）。雙重組合梁配合放射梁角度的變化（上層屋頂7.50°，下層屋頂3.75°），最終被圓心-中點-外圈的鋼結構樑柱（位於圓心位置的半圓形鋼樑、屋頂高差部分的鋼結構弧形梁以及最外圈的鋼柱，圖13，14）支撐。

由於需要現場組裝的構件數量眾多，如果使用特製的木-木、木-鋼連接構件的話成本很高，而如果使用普通連接構件，會因為不夠精細而暴露在外，破壞纖細純木空間的設計感。因此在本案中運用了大量類似「追掛大栓継手」等以日本傳統木工技法生產打造的榫卯節點，控制成本的同時簡潔、完美地詮釋了木結構空間之美。放射梁的兩端，由於存在數十千牛的軸力需要傳遞，在木結構桁架梁的端部還設計了插入式鋼板輔助節點連接。洋式木結構房屋尖頂部分常用的帶銷釘的榫卯節點也被使用。所有節點的榫卯尺寸、應力大小、施工方式、美觀與否均是設計施工時思考和討論的重點。

11 雙重組合梁研究

12 雙重組立梁的建造

13 雙重組合梁和鋼結構弧形梁的接合

14 整體3D 分析模型

5 木材尺寸變化的應對

一般作為結構材料的木材，建設時的含水率大約為15%～25%。竣工後建築開始被使用，實際環境會造成含水率約10%～15%的下降。這一含水率的變化會引起木材幹燥收縮，且在纖維、半徑以及圓周方向上的收縮率會有所不同。收縮率大小依次是，圓周方向最大，半徑方向其次，纖維方向最小。但是構件的尺寸變化受纖維方向長度變化影響最大，特別是在本案所採用的結構體系屬於較大跨度的結構，容易受到纖維方向形變的影響，木材過於乾燥收縮會加大桿件應力、產生有損變形。因此，考慮到木材本身的收縮形變，對其尺寸變化進行了詳細討論。含水率在建造檢查時為15%，平衡時約10%，木材軸向的收縮率約為0.1%（圖15，16）。此外，為了減小乾燥變形對結構的影響，在木材的選擇和處理時均進行了充分的乾燥和保養。

對於任何建築物來說，建築的長期使用保養和維護都是至關重要的，木結構建築這一點尤為重要。我們為本案制定了幾年的定期檢查和簡易的桁架結構調整機制，特別是經常處於拉伸狀態的橫樑端頭，如果有磨損鬆動，很容易破壞平整的屋頂，所以在橫樑端頭設置了特殊的細部螺桿機關，將來必要時可以進行調整（圖17）。