山田憲明 陸洋（翻譯）

山田憲明構(gòu)造設(shè)計(jì)事務(wù)所

建設(shè)地點(diǎn)：日本宮城縣仙臺(tái)市

建筑設(shè)計(jì)：Seseki設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：増?zhí)锝ㄖ?gòu)造事務(wù)所（山田憲明）

建筑面積：997.555 m2

構(gòu)造形式：木結(jié)構(gòu)

建筑層數(shù)：主樓2層，副樓1層

建成時(shí)間：2010

1 建筑概要

“Eco Lab”（生態(tài)實(shí)驗(yàn)室）是日本東北大學(xué)為了推進(jìn)“環(huán)境省生態(tài)住宅項(xiàng)目”，作為環(huán)境科學(xué)研究科的標(biāo)志性建筑而建造的木制建筑，建筑面積約1 000m2，地上共2層，是集研究所、教育等設(shè)施為一體的綜合性建筑（圖1，2）。作為“地產(chǎn)地消”的典范，本案利用東北大學(xué)自有農(nóng)業(yè)生態(tài)林中的杉木為主要結(jié)構(gòu)木材，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了沒(méi)有剪力墻的開放空間建筑。

在日本，積極使用建筑所在地范圍內(nèi)的本地木材來(lái)生產(chǎn)建造木結(jié)構(gòu)建筑的“地產(chǎn)地消”的嘗試在各地被大力推行。因此，配合當(dāng)?shù)啬静牡淖陨硖攸c(diǎn)而采用的建造方式顯得尤為重要。例如，若所在地自產(chǎn)木材尺寸小于建筑使用木材標(biāo)準(zhǔn)，則會(huì)給生產(chǎn)和建造環(huán)節(jié)帶來(lái)不必要的麻煩；若大于要求的標(biāo)準(zhǔn)建筑用材，則可以使建造和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理和巧妙。

本案中可供使用的本地木材尺寸比標(biāo)準(zhǔn)要求的建筑流通木材規(guī)格尺寸稍大（截面120mm×360mm，長(zhǎng)度約6m），截面尺寸可達(dá)150mm×390mm，長(zhǎng)度約4～6m，最長(zhǎng)可達(dá)8m左右。為了將木材處理成“無(wú)垢”木材，需要對(duì)其進(jìn)行充分的干燥。因此在設(shè)計(jì)方案確定之后，將建造木材分析、分類，請(qǐng)業(yè)主方提前分批采購(gòu)處理。

建筑平面布局分為南北兩個(gè)部分，其中南側(cè)為2層建筑，由教室和辦公室等教學(xué)功能區(qū)組成，北側(cè)建筑為1層，主要是設(shè)備間（圖3）。南側(cè)主樓平面是東西方向長(zhǎng)約24m、南北長(zhǎng)約18m的長(zhǎng)方形布局，東西兩側(cè)及南側(cè)分別有突出的陽(yáng)臺(tái)和門廊。東西方向24m由等分的三個(gè)區(qū)域構(gòu)成（各8m長(zhǎng)），以挑高的中央大廳為中心，一層?xùn)|西兩側(cè)分別設(shè)置了教室，二層則圍繞中央大廳布置了10間教師辦公室。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

一層層高約4.2m，二層層高3.2m，作為木結(jié)構(gòu)建筑算是比較高的層高設(shè)計(jì)。中央大廳在設(shè)計(jì)上被賦予了“光和風(fēng)的通道”概念，頂部可開啟的天窗集采光和通風(fēng)換氣功能于一體，比屋頂平面還高出2.7m（圖4），正對(duì)入口中央大廳的方向設(shè)計(jì)了標(biāo)志性的懸梯以通往屋頂。

在整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，有以下幾個(gè)重點(diǎn)需要特別注意：1）8m跨度的樓板其恒載、活載和水平方向荷載的抵抗能力；2）較大層高的相應(yīng)解決方案；3）建筑整體剛性的控制；4）水平構(gòu)面元素的表示；5）接合細(xì)部的設(shè)計(jì)與施工方式；6）入口大廳上方的設(shè)計(jì)。

2.1 8m跨度的樓板其恒載、活載和水平方向荷載的抵抗能力

為了可以全面、有效地利用長(zhǎng)度和截面尺寸有限的本地杉木木材，實(shí)現(xiàn)8m跨度的無(wú)柱無(wú)剪力墻的開放空間，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上下一番功夫。按照一般的方法思路，簡(jiǎn)單地將8m跨度的樓板架設(shè)在主梁上，需要特別定制大截面的集成木材，而這樣的設(shè)計(jì)需要大量的剪力墻（構(gòu)造用合板組成）。而本案則巧妙地運(yùn)用了“立柱+雙梁+加腋+半剛接柱腳”等技術(shù)要素，采用常規(guī)的小尺寸木材制作“組裝式木結(jié)構(gòu)框架”（圖5）。

首先，用雙梁夾住位于區(qū)域邊界線上的立柱，形成門式框架結(jié)構(gòu)的雛形。不過(guò)，因?yàn)橹髁嚎缍?m且整跨之間不希望出現(xiàn)連接構(gòu)件，理論上需要8m長(zhǎng)的整根木材。另外，豎直方向的荷載會(huì)導(dǎo)致主梁應(yīng)力和形變都比較大，而且?guī)缀鯚o(wú)法抵抗水平方向的側(cè)力。因此，為了能利用木材制作出像鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)那樣有效的框架結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)決定在框架的角部加入加腋斜撐。由此可有效減少垂直方向荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力和形變，也能夠在水平方向起到抵抗側(cè)力的作用。而且，即使在主梁整跨的中間部分，從加腋的位置也可以有效地設(shè)置榫卯梁頭節(jié)點(diǎn)，這樣就不需要使用8m長(zhǎng)的特殊木材了。另外，雙主梁的設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化主梁與柱子，以及主梁與加腋斜撐的節(jié)點(diǎn)，盡可能減少對(duì)立柱截面完整性的破壞，可以相對(duì)簡(jiǎn)單地連接連續(xù)主梁。通過(guò)由南向北排列的2m框架梁軸線間隔，形成了能夠有效抵抗豎直、水平方向荷載的基本框架結(jié)構(gòu)。但是，由于這種加腋設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)立柱產(chǎn)生較大的局部彎矩和剪力，為了能夠承受這個(gè)影響，決定在柱材中使用平角材（長(zhǎng)方形截面）而不是通常的正角材（正方形截面），加腋梁連接立柱的長(zhǎng)（強(qiáng)）軸方向（圖6，7）。

2.2 較大層高的設(shè)計(jì)要素

隨著層高以及建筑整體高度的增加，整個(gè)建筑物水平方向的應(yīng)力和形變都會(huì)逐漸增大，而相對(duì)細(xì)長(zhǎng)的立柱也更容易產(chǎn)生屈曲。外立面也由于風(fēng)荷載而更容易產(chǎn)生形變，很難設(shè)置尺寸較大的開口來(lái)提高開放性。項(xiàng)目一層層高為4.2m，整個(gè)建筑水平方向抗側(cè)力、立柱屈曲，以及外立面抵抗風(fēng)荷載都成為了需要解決的重要課題。

為了提高門式框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力和整體剛性，提高柱腳部的穩(wěn)定性是非常有效的措施之一。因此，設(shè)計(jì)考慮給木柱腳部“穿上鞋子”，做成嵌入混凝土基礎(chǔ)的“掘立柱”，以提高柱腳的穩(wěn)定性（圖8，9）。通過(guò)與上述加腋斜撐及門式框架的組合，不僅能夠大幅降低水平方向的應(yīng)力及形變，而且由于有效地減小了屈曲長(zhǎng)度而提高了整體結(jié)構(gòu)的效率。

2 入口大廳

3 平面圖

4 剖面圖

5 組合式木結(jié)構(gòu)門式框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程

6 組合式框架結(jié)構(gòu)的施工

7 施工完成后的組合式木結(jié)構(gòu)門式框架結(jié)構(gòu)

8 施工中的“掘立柱”

9 基礎(chǔ)完成之后的“掘立柱”

在抵抗外立面風(fēng)荷載時(shí)，則巧妙利用建筑物外側(cè)長(zhǎng)廊的木制屋頂。雖然長(zhǎng)廊屋頂原本是從二層樓板平面伸出，再由外圍立柱支撐，但是由于長(zhǎng)廊屋頂?shù)膬?nèi)側(cè)直接與外立面相連，從而間接但有效地抑制了外立面平面外的形變。雖然長(zhǎng)廊原本只是為外觀及建筑周圍環(huán)境服務(wù)的附屬設(shè)施，但是通過(guò)這樣巧妙的設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧了外立面抵抗水平風(fēng)荷載的有效次級(jí)結(jié)構(gòu)，使得在外立面原有基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)大開口的出入口成為可能（圖10）。

10 實(shí)現(xiàn)大開口的抗風(fēng)長(zhǎng)廊屋頂

2.3 剛度的控制

在建筑平面布局規(guī)劃上，北側(cè)設(shè)計(jì)成較為封閉的單層附屬建筑，而南側(cè)設(shè)計(jì)了較為開闊的出入口大廳和面積較大的教室，因此結(jié)構(gòu)上需要考慮建筑的整體剛度平衡（偏心率）以及豎向剛度平衡的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，考慮通過(guò)改變加腋斜撐的位置和角度來(lái)平衡建筑的整體剛度。

通常，加腋只是設(shè)計(jì)在柱子上部，如果降低斜撐與立柱的連接位置，會(huì)增加框架的剛度。當(dāng)框架的上下角同時(shí)加入斜撐桿件時(shí)，整體的剛度會(huì)更進(jìn)一步提高，當(dāng)上下斜撐角度變成菱形狀態(tài)的時(shí)候，整體剛度達(dá)到最大（圖11）。綜上所述，通過(guò)改變加腋斜撐桿件的數(shù)量和位置，能夠較為自由地控制建筑物的剛度，各層能夠得到偏心率0.15以下、剛度率0.60以上（日本木結(jié)構(gòu)規(guī)范對(duì)這兩個(gè)數(shù)據(jù)有詳細(xì)的要求和限制）的平衡狀態(tài)（圖12，13）。

11 斜撐設(shè)計(jì)的位置與角度對(duì)剛度的影響

12 立體交叉的立柱、加腋與雙梁

13 剛度控制結(jié)構(gòu)的施工現(xiàn)場(chǎng)

14 地板構(gòu)面單元的制作和安裝

15 地板的安裝現(xiàn)場(chǎng)

16 地板構(gòu)面單元的走線空間

2.4 水平構(gòu)面的要素

水平耐力的結(jié)構(gòu)單元需要批量集中生產(chǎn)和安裝，而水平構(gòu)面之間的間隔相對(duì)較大（層高較高），因?yàn)槲蓓數(shù)乃胶奢d能否確實(shí)傳遞到地面是需要認(rèn)真落實(shí)的重要問(wèn)題。剛度較大的水平構(gòu)件在與梁連接的部分需要放置較厚的構(gòu)造用合板，用釘子在合板四周加以固定。同時(shí)要注意將梁結(jié)構(gòu)有效地遮蔽，才不會(huì)影響視覺(jué)效果。這樣的結(jié)構(gòu)單元全部在工廠完成組裝，生產(chǎn)成合板、根太（次梁）、單元主梁一體的水平（地板、屋頂）結(jié)構(gòu)單元，然后現(xiàn)場(chǎng)安裝，用較大的釘子固定單元與結(jié)構(gòu)大梁，從而形成剛度較大的完整水平構(gòu)面（圖14，15）。而在地板單元的內(nèi)部，通過(guò)在次梁上預(yù)留的孔洞來(lái)布置管線，提高整體建造的靈活性（圖16）。

2.5 連接節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)施工

為了實(shí)現(xiàn)連接節(jié)點(diǎn)等部位的結(jié)構(gòu)特性，同時(shí)滿足低成本和易生產(chǎn)的要求，決定將木-木接合的方式作為建筑主要的節(jié)點(diǎn)連接方式。

門式框架的立柱和斜撐的節(jié)點(diǎn)主要由嵌入式榫頭和穩(wěn)定螺栓構(gòu)成，雙梁和斜撐的節(jié)點(diǎn)主要由金屬筒套和長(zhǎng)銷構(gòu)成，雙梁與雙梁之間的節(jié)點(diǎn)則采用了傳統(tǒng)的“追掛け大栓継手”（圖17，18），該節(jié)點(diǎn)位置的確定應(yīng)是從加腋斜撐向梁中心方向，選擇彎矩和剪力較小的位置，而這種傳統(tǒng)的榫卯節(jié)點(diǎn)能夠傳達(dá)彎矩和剪力，其應(yīng)用非常廣泛。

17 施工圖細(xì)部

18 傳統(tǒng)的“追掛け大栓継手”

19 入口大廳的懸掛樓梯

20 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

21 竣工后內(nèi)景

22 建筑夜景

2.6 入口大廳的懸掛樓梯

進(jìn)入建筑的入口大廳，最先映入眼簾的就是大廳正面設(shè)計(jì)的內(nèi)部樓梯。這個(gè)位于整座建筑最顯眼位置的樓梯，其整體設(shè)計(jì)給人的感覺(jué)就像是樓梯穿過(guò)了大廳，穿過(guò)了天窗直接通向室外。

U字形鋼制樓梯的最上面懸掛在木結(jié)構(gòu)主梁上，而U字形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的扭曲和水平方向的形變則通過(guò)連續(xù)的鋼結(jié)構(gòu)踏步以及兩側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)來(lái)抵抗和消化（圖19）。

3 東北地區(qū)在太平洋大地震之后的狀況

2011年3月11日，日本東北地區(qū)的太平洋海上發(fā)生震度為6級(jí)（日本地震分級(jí)）的強(qiáng)烈地震，校園內(nèi)設(shè)施損壞嚴(yán)重，Eco Lab整個(gè)建筑雖在地震中搖擺晃動(dòng)，卻連一塊玻璃都沒(méi)有破損，地震后學(xué)校也在建筑內(nèi)設(shè)置了大學(xué)抗震總部。在地震中，本案的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)完全發(fā)揮了抗震的設(shè)計(jì)功能，作為設(shè)計(jì)者我們也可以放心了（圖20～22）。