1  樹(shù)狀鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況

    樹(shù)狀鋼結(jié)構(gòu)是空間仿生鋼結(jié)構(gòu)的一種，屬于建筑仿生鋼結(jié)構(gòu)的范疇。這種鋼結(jié)構(gòu)是德國(guó)奧托(F．Otto)在20世紀(jì)60年代提出的一個(gè)重要的鋼結(jié)構(gòu)形態(tài)概念。

它是一種比較新穎的鋼結(jié)構(gòu)形式，具有合理的傳力路徑，承載力較高，支撐覆蓋范圍廣，可以用較小的桿件形成較大的支撐空間。因此，對(duì)于樹(shù)狀鋼結(jié)構(gòu)，主要是從仿生學(xué)的角度去研究鋼結(jié)構(gòu)的受力，尋求合理的空間形式，以解決實(shí)際工程問(wèn)題。

    盡管樹(shù)狀鋼結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)，并且是自然界中極其普遍的鋼結(jié)構(gòu)形態(tài)，但是，真正意義上的樹(shù)狀鋼結(jié)構(gòu)直到60年代的現(xiàn)代建筑實(shí)踐中才得以表現(xiàn)。尤其在國(guó)內(nèi)，樹(shù)狀鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用還比較少見(jiàn)，大型的樹(shù)狀鋼結(jié)構(gòu)更是少之又少。國(guó)內(nèi)比較知名酌樹(shù)狀鋼結(jié)構(gòu)是深圳文化中心的“黃金樹(shù)”鋼結(jié)構(gòu)，如圖1所示。它是整個(gè)文化中心的點(diǎn)睛之筆，建筑師巧妙地賦予其建筑樹(shù)的想象，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是按照樹(shù)的生長(zhǎng)機(jī)理，由下至上按照主干、粗枝、中枝和端枝組成鋼結(jié)構(gòu)體系，多根桿件以不同的角度匯交于一點(diǎn)，組成樹(shù)形的空間三維體系‘1]。而在國(guó)外，樹(shù)狀鋼結(jié)構(gòu)已有較多的應(yīng)用。其中，德國(guó)斯圖加特機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓是最為典型的大規(guī)模樹(shù)狀鋼結(jié)構(gòu)建筑。它是奧托主持下的又一經(jīng)典作品。

候機(jī)大廳屋面呈一傾斜平面，內(nèi)部采用大型的樹(shù)狀支撐鋼結(jié)構(gòu)體系，呈三級(jí)分叉，如圖2所示。大廳由于支撐眾多、橫向分枝深遠(yuǎn)，有助于防止整體鋼結(jié)構(gòu)的水平失穩(wěn)。再有就是建筑師諾曼·福斯特設(shè)計(jì)的倫敦第三機(jī)場(chǎng)——斯坦斯特德機(jī)場(chǎng)新航站樓中央大廳，鋼結(jié)構(gòu)柱采用36 m×36 m的網(wǎng)格，屋面是一扁拱殼體，屋頂距離地面15 m，其支撐鋼結(jié)構(gòu)為4根鋼管柱組合而成樹(shù)狀柱和管簇鋼結(jié)構(gòu)，在水平方向斜桿伸出達(dá)4m，從而有效地減小了鋼結(jié)構(gòu)跨度。其內(nèi)景如圖3所示。

2  樹(shù)狀柱設(shè)計(jì)若干問(wèn)題研究

2.1  樹(shù)狀柱鋼結(jié)構(gòu)的組成

    樹(shù)狀柱的基本形態(tài)特征是多級(jí)分枝、三維伸展。如圖4所示的鋼管樹(shù)狀柱鋼結(jié)構(gòu)采用了三級(jí)分枝，先從樹(shù)狀主柱分出4根一級(jí)分枝柱，然后由每根一級(jí)分枝柱分出2根二級(jí)分枝柱，最后二級(jí)分枝柱與屋面梁鉸接連接。當(dāng)然．樹(shù)狀鋼結(jié)構(gòu)的分級(jí)和分枝越多．樹(shù)狀鋼結(jié)構(gòu)就越具有美感，鋼結(jié)構(gòu)的受力也就會(huì)越復(fù)雜。樹(shù)狀鋼結(jié)構(gòu)的分級(jí)和分枝受到加工技術(shù)和計(jì)算的限制，并不能無(wú)限增加。樹(shù)狀鋼結(jié)構(gòu)的材料一般來(lái)說(shuō)只有鋼材，對(duì)于分枝很多、受力比較大的鋼結(jié)構(gòu)，樹(shù)狀主柱也可以采用鋼管混凝土柱，以滿足受力要求。題』J。屋面所承受的荷載傳遞給各級(jí)樹(shù)分枝，再由各級(jí)樹(shù)分枝向上一級(jí)樹(shù)枝傳遞，最后，再把所有的力匯總在樹(shù)狀主柱上。圖5給出了樹(shù)狀主柱、一級(jí)分枝和二級(jí)分枝之間的傳力關(guān)系，具體過(guò)程如下：    首先，屋面承受的荷載直接傳遞到樹(shù)狀鋼結(jié)構(gòu)的二級(jí)分枝上。一般來(lái)說(shuō)，二級(jí)分枝與屋面梁之間是通過(guò)鉸接連接，這主要是考慮兩點(diǎn)：1）實(shí)際施工過(guò)程安裝的方便；2）由于二級(jí)樹(shù)枝的截面一般來(lái)說(shuō)比較細(xì)小，避免屢面粱上承受的彎矩直接傳遞到二級(jí)分枝上，使得其受力過(guò)大，產(chǎn)生破壞。

    其次，二級(jí)樹(shù)枝把承受的力通過(guò)連接節(jié)點(diǎn)Q、O。、04傳遞到一級(jí)樹(shù)枝上。在此過(guò)程中需要注意：1)當(dāng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的二級(jí)樹(shù)枝不能形成一個(gè)平面時(shí)．如二級(jí)樹(shù)枝AO。.B03、CQ不在一個(gè)平面上，此時(shí)，在進(jìn)行樹(shù)枝布置設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能調(diào)整這三個(gè)分枝的方向，使得這三個(gè)分枝的軸向合力沿著一級(jí)分枝軸線0，@，即要平衡二級(jí)分枝的水平合力，確保一級(jí)分枝只承受軸向荷載。2）當(dāng)二級(jí)樹(shù)枝形成一個(gè)平面時(shí)t如二級(jí)樹(shù)枝D0。、E-Op在同一個(gè)平面DE())上，此時(shí)-應(yīng)使DO.,、E-O。的合力延長(zhǎng)線在軸線，形成一個(gè)力的平行四邊形。

    最后，一級(jí)樹(shù)枝把承受的力通過(guò)連接節(jié)點(diǎn)傳遞到樹(shù)狀主柱上，其傳力過(guò)程類似以上所述。在經(jīng)過(guò)了樹(shù)枝上述力的傳遞之后，一級(jí)樹(shù)枝把承受的力（包括軸向力與水平合力）傳遞到樹(shù)狀主柱上，并

通過(guò)基礎(chǔ)來(lái)承擔(dān)。

    圖5樹(shù)狀柱受力特點(diǎn)

    由上可知，構(gòu)筑樹(shù)狀柱鋼結(jié)構(gòu)體系合理受力形態(tài)的必要條件是使得各個(gè)分枝承受沿著其軸線方向的合力，并且各級(jí)樹(shù)枝之間承受的力呈梯形狀分布，最后通過(guò)樹(shù)狀主柱與基礎(chǔ)連接傳遞到基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)上。 各級(jí)樹(shù)枝在節(jié)點(diǎn)處的連接方式應(yīng)裉據(jù)樹(shù)狀鋼結(jié)構(gòu)的具體形式確定。對(duì)于樹(shù)枝桿件不太長(zhǎng)、分枝不多、施工時(shí)方便直接焊接、受力滿足要求的節(jié)點(diǎn)在施工。