樹狀結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用-機場航站樓為例

樹狀結(jié)結(jié)構(gòu)在在建筑筑中的的應(yīng)用用——以德國國斯圖圖加特特機場場航站站樓為為例目錄CONTENTS01樹狀結(jié)結(jié)構(gòu)的的發(fā)展展歷程程極其其結(jié)構(gòu)構(gòu)特點點02樹狀結(jié)結(jié)構(gòu)在在斯圖圖加特特機場場中的的應(yīng)用用03結(jié)語01樹狀結(jié)構(gòu)的的發(fā)展展歷程程極其其結(jié)構(gòu)構(gòu)特點點樹狀結(jié)結(jié)構(gòu)是是德國國人奧奧托(F.otto)在20世紀(jì)60年代，，根據(jù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)形態(tài)態(tài)學(xué)提提出的的結(jié)構(gòu)構(gòu)形式式，因因其幾何何形體體與自自然界界的樹樹相似似而得名。。典型型的樹狀狀結(jié)構(gòu)構(gòu)的形形態(tài)特特征是是多級級分枝枝、三維伸伸展。。樹狀結(jié)結(jié)構(gòu)的的提出出樹狀狀結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的基基本本力力學(xué)學(xué)特特征征從結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)角度度看，，樹樹狀狀結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)可可看看作作是是傳傳統(tǒng)統(tǒng)柱柱的的一一個個變化化，相當(dāng)當(dāng)于于用多多點點支支承承代代替替?zhèn)鱾鹘y(tǒng)統(tǒng)柱柱的的單單點點支支承承，，在在不不影影響響下下部部空空間間使使用用功功能能的的前前提提下下，，減減小小上上部部水水平平構(gòu)構(gòu)件件跨跨度度，，使使之之受受力力更更均均勻勻。。柱狀狀結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的幾幾種種形形式式01樹狀狀結(jié)構(gòu)構(gòu)的的發(fā)發(fā)展展歷歷程程極極其其結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)特特點點分形理論的樹狀結(jié)構(gòu)幾何生成方法

，該方法雖然在幾何上符合樹狀結(jié)構(gòu)的特點，但沒有考慮結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，因此基本不具備工程可行性相對對于于傳傳統(tǒng)統(tǒng)的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)體體系系，樹樹狀狀結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)內(nèi)部部構(gòu)構(gòu)件件的幾幾何何關(guān)系系較較為為復(fù)雜雜，，需需要要通通過過專專門門的的分分析析來來確定定，該該過過程程稱稱為為找找形。。以下下是是幾幾種種傳傳統(tǒng)統(tǒng)的的““找找形形””的的方方法法：：幾何何找找形法法方法法分形形幾幾何何模模型型將絲線模型浸在水中，利用水的表面張力作用形成偽最小傳力路徑，從而實現(xiàn)樹狀結(jié)構(gòu)找形實驗驗找找型型法法浸水水絲絲線線模模型型法法用絲絲線線將將珠珠子子串串連連，，通過過調(diào)調(diào)整整珠子子的的位位置置形形成成不不同同的的樹樹狀狀結(jié)構(gòu)構(gòu)模模型型；；相相對對于浸浸在在水水中中的的方方式式，，此此方方法法更更易易控控制制模模型型成形形。。數(shù)值值找形形方方法法首先將結(jié)構(gòu)假定為全鉸接模型，顯然此時結(jié)構(gòu)屬靜不定體系;然后在模型上添加可豎向滑動的虛支座，直至結(jié)構(gòu)靜定。結(jié)構(gòu)受力分析時，根據(jù)虛支座的反力情況調(diào)整內(nèi)部節(jié)點坐標(biāo)，直至虛支座反力為零，即為最終確定的結(jié)構(gòu)形狀。干絲絲線線模模型型法法數(shù)值值找找形形模模型型需要要進進行行反反復(fù)復(fù)迭迭代代計計算算，，這這不不僅僅增增加加了了計計算算量量，，還還增加加了程程序序開開發(fā)發(fā)的的難難度度，，從從工工程程實實用用的的角角度度略略顯顯不足足。。01樹狀狀結(jié)構(gòu)構(gòu)的的發(fā)發(fā)展展歷歷程程極極其其結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)特特點點逆吊吊遞遞推推找找形形法法通過在絲線、布等柔軟材料上施加(懸掛)重力荷載，并調(diào)整荷載分布和邊界約束條件，獲得設(shè)計所需的形狀。由于絲線和布等材料只能承受拉力，不能受彎和受剪，因此判定此時的模型構(gòu)件中只有拉力。假設(shè)將模型固化并翻轉(zhuǎn)180°，則在相同荷載條件下模型構(gòu)件中只有壓力。利用用逆逆吊吊試試驗驗法法實實現(xiàn)現(xiàn)形形效效結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)設(shè)計計最最早早由由西班班牙牙建筑筑師師高高迪迪提提出出，，基基本本思思想想是是利利用用只只拉結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)（（即即結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件件只只承承受受拉拉力力作用用））和和只壓壓結(jié)構(gòu)構(gòu)（（即即結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件只承承受壓力力作用）在在受力形態(tài)態(tài)上的一致性。。逆吊實驗驗?zāi)Ｐ徒梃b逆吊吊試驗法法的思路路，對樹狀狀結(jié)構(gòu)進進行一個個假想逆逆吊試驗驗分析。。將上圖圖所示的的樹狀結(jié)結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)180°°，荷載作用用位置及及方向不變;假設(shè)樹干干及各級樹樹枝單元元均為柔柔性絲線線，下部部屋蓋為為剛性構(gòu)件件，顯然當(dāng)當(dāng)模型處處于平衡衡狀態(tài)時時，所有有絲線只只受拉力力作用。01樹狀結(jié)構(gòu)的發(fā)發(fā)展歷程程極其結(jié)結(jié)構(gòu)特點點樹狀結(jié)構(gòu)構(gòu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)特點樹狀結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)構(gòu)成可概括為為多級分枝、三三維伸展展其主要構(gòu)構(gòu)件包括括樹干和和樹枝，，樹枝又又可分為一級樹枝、二二級樹枝等。由樹干衍生生出一級級樹枝，一級樹枝衍生生二級樹樹枝，二二級樹枝枝衍生三三級樹枝枝，以此類推推。雖然理論上樹樹狀結(jié)構(gòu)構(gòu)的分級級可以無無限增長長，但是是分級過多多會導(dǎo)致結(jié)結(jié)構(gòu)受力力復(fù)雜，，加工困困難，因因此工程程中的樹狀結(jié)構(gòu)一般般建議不不超過四四級。軸力云圖圖彎矩云圖圖02樹狀結(jié)構(gòu)在斯斯圖加特特機場中中的應(yīng)用用斯圖加特特機場候機樓是在奧托托主持下下的輕型型結(jié)構(gòu)研研究所經(jīng)經(jīng)多年試試驗研究究確定的大規(guī)模模樹狀結(jié)結(jié)構(gòu)建筑筑。候機機大廳屋屋面呈一一側(cè)傾斜斜平面。一號航站站樓內(nèi)部部采用了大大型的樹樹狀支撐撐結(jié)構(gòu)體體系,呈三級分分杈。大大廳面積積82.8m×93.6m，共12根樹狀束束柱,柱網(wǎng)尺寸寸32.4m×21.6m。大廳支支撐眾多多,橫向分支支深遠(yuǎn)，有有助于克服整體體結(jié)構(gòu)水水平失穩(wěn)穩(wěn)問題。一號航站站樓內(nèi)景景02樹狀結(jié)構(gòu)在斯斯圖加特特機場中中的應(yīng)用用斯圖加特特機場3號航站樓樓是1號航站樓樓的補充充，1號航站樓樓曾經(jīng)多多次獲獎獎的設(shè)計特征——樹形承重重結(jié)構(gòu)支支柱被沿沿用至3號航站樓樓的工程程。3號航站樓樓統(tǒng)一使使用了單單面傾斜斜的屋頂頂，使用用同樣的的樹形結(jié)結(jié)構(gòu)，同同時降低低建筑物物的高度度。該建建筑內(nèi)共共有18根樹形鋼鋼結(jié)構(gòu)樹樹狀支柱柱支撐著著階梯狀狀的屋頂頂。鋼結(jié)構(gòu)樹樹狀支柱柱特寫3號航站樓樓內(nèi)部空空間3號航站樓樓內(nèi)部空間間三號航站樓樓立面02樹狀結(jié)構(gòu)在斯斯圖加特特機場中中的應(yīng)用用斯圖加特特機場3號航站樓樓提供了了更寬敞敞的候機機空間和和儲藏空空間，四四座附加加的人行行橋可以以讓乘客客更舒適適的走進進飛機。。航站樓樓寬闊的的空間允允許垂直直的視覺覺連接，，保證了了乘客在在這座嶄嶄新的航航站樓中中能立刻刻獲得明明確的定定位。條條狀的建建筑體塊塊不僅提提供了必必需的建建筑進深深，而且且增加了了停機坪坪一側(cè)的的建筑面面積。3號航站樓樓平面圖圖3號航站樓樓出港大廳局部部三號航站樓樓剖面03結(jié)語最好的建