加拿大菲利普?柯里恐龍博物館

加拿大菲利普?柯里恐龍博物館

Philip J. Currie Dinosaur Museum

地點：加拿大阿爾伯特省

業(yè)主：大草原縣

建筑設(shè)計：Teeple建筑師事務(wù)所

總承包商：PCL建設(shè)管理公司

面積：29 000平方英尺

完工時間：2014年

Location: Pipestone Creek, Grand Prairie, Alberta, Canada

Client: County of Grande Prairie No. 1

Architect: Teeple Architects

General Contractor: PCL Construction Management

Building Area: 29 000 sqft

Completed: 2014

概述

這座占地2920平方米的博物館坐落在阿爾伯特省大草原附近傳說中的派普斯通恐龍骨床發(fā)掘地。該項目的特色在于其擁有一個復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的屋頂，采用暴露在外的木制梁柱結(jié)構(gòu)對其作為支撐，這些梁柱的造型猶如恐龍的骨架一般，博物館便隱于其中。建筑師們從一開始便表達(dá)了對使用木材的渴望，甚至想到讓這些骨頭看上去更逼真，給人們呈現(xiàn)出一個視覺振奮的骨架結(jié)構(gòu)。

挑戰(zhàn)

前期的造價分析顯示采用木材結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案似乎太昂貴了，因此當(dāng)時也準(zhǔn)備了一套全鋼筋結(jié)構(gòu)的方案。然而，使用木結(jié)構(gòu)的方案似乎更能滿足其本身的結(jié)構(gòu)本質(zhì)。采用重型木結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)支撐將是相當(dāng)直白的，但由于復(fù)雜的幾何設(shè)計和各種變角，問題變成了結(jié)構(gòu)“節(jié)點” — 這些梁柱間的交叉連接點 — 是否有方法可以讓這些節(jié)點和結(jié)構(gòu)本身無縫連接把這款建筑設(shè)計化為現(xiàn)實呢？粗壯的鋼結(jié)構(gòu)連接從視覺上來說就無法滿足這個要求，但如果使用木結(jié)構(gòu)的話又如何使用巨大的結(jié)構(gòu)支撐力將8根（1.6米粗）長方形的膠合木以同樣的3D角度連接起來，并且外觀造型也令人滿意呢？

結(jié)構(gòu)工程師在與建筑師的交談當(dāng)中獲得了諸多創(chuàng)意，其中之一便是讓該建筑整體造型中能夠體現(xiàn)出梁與柱自然地延伸交匯于彼此的節(jié)點的獨特設(shè)計。

最初的想法是從一個巨大的鋸材料中切割出一個節(jié)點，但是所必需的鋸材尺寸以及對應(yīng)成本清楚地告訴我們這個想法行不通。結(jié)構(gòu)工程設(shè)計公司StructureCraft選擇將這些巨大的復(fù)雜節(jié)點切割成操作起來比較可行的平面材，然后把它們粘合起來達(dá)到最終的立體造型。這就像3D打印一般，只是這里運用了多層疊加的膠合板。其使用數(shù)控機床對一整疊常規(guī)4'x8'膠合板像敲章一樣切割出所需形狀的材料，同時也將材料浪費最小化。

通過與建筑師在工作中的不斷互動，最終完成的節(jié)點基本遵照了最初的想法，尺寸也符合相關(guān)要求。在解決了這個幾何建筑學(xué)上的問題，StructureCraft和Fast+Epp兩家公司的工程師又要研究另一大問題——如何對這個復(fù)雜連接的結(jié)構(gòu)荷載力進(jìn)行分析。

工程與建模

試著分析一個由多層正交異性和非均勻材料粘合一起，被80顆螺釘無相互依靠地釘在不同角度和長度上的巨型三維體后，發(fā)現(xiàn)沒有任何可行性，即便使用最新的有限元軟件。這些節(jié)點對于木材連接工程來說是具有突破性的嘗試，因為它們具有獨特的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)。面對如此的復(fù)雜性，無疑需要更為仔細(xì)的分析和測試。

為了檢查這些節(jié)點的力度荷載和失效機理，在工程車間做了相關(guān)測試：將用膠合板組合疊加而成的柱子像這些節(jié)點裝配一樣進(jìn)行粘合固定。通過對使用和不使用螺釘加強的對比測試，可以推導(dǎo)出應(yīng)力參數(shù)，它可以反過來對節(jié)點本身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。使用直徑為19mm長度為1200mm的螺釘來完成“拉壓桿”模型的制作方式，這就如同混凝土里的鋼筋。

制作

與此同時，設(shè)計和建造團隊仍然不得不面對如何有效并經(jīng)濟地做出這些節(jié)點的問題。他們需要重點依靠3D建模軟件來進(jìn)行優(yōu)化、螺釘放置以及質(zhì)量控制。

開始，這些梁和柱的幾何形狀被輸入到Rhino 3D（犀牛造型軟件）。為了加快對節(jié)點的分析和建模，研究人員創(chuàng)建了相應(yīng)的腳本語言來自動完成各個節(jié)點及其相應(yīng)膠合板層的虛擬開發(fā)。每一個節(jié)點的二維異形層都是獨一無二的，多方位的，因此，數(shù)控技術(shù)是一種顯而易見的制造方法。Grasshopper，一款在Rhino環(huán)境下運行的采用程序算法生成模型的插件，推動這一過程，使之成為一個真正的數(shù)字制造的設(shè)計范例。

最大的節(jié)點須大于1500mm高2400mm寬，并裝有大約180個數(shù)控件。每個厚度為16mm的數(shù)控件在一定程度上受到4'x8'尺寸的標(biāo)準(zhǔn)膠合板的固定。經(jīng)過優(yōu)化之后，這1250個數(shù)控件和250片膠合板的布局可以一起完成。每一塊數(shù)控件都有自己的全球節(jié)點編號以及在具體項目中的位置編號。

但是當(dāng)這些膠合板層被制作完成后，如何對它們進(jìn)行索引并精確排列放置呢？三維自動化也包括在每一層上被整齊放置的小鉆孔，每一層上將允許安裝150mm長木銷釘，因而可以將這些膠合板層相互間精準(zhǔn)地堆疊。

完成層組件安裝后，最棘手的一步還在前方 — 如何準(zhǔn)確安裝80顆增強螺釘同時又不與其他螺釘和口碰撞？如上所述，每一個節(jié)點的擴展都具有不同方向和大小的對角線加強螺釘。螺釘安裝的最后階段是車間樓板和用于仔細(xì)定位各個螺釘?shù)娜S模型之間的緊密協(xié)作。

在整個制作過程中，進(jìn)行了工程審查和大范圍的質(zhì)檢監(jiān)控來確保整體節(jié)點和單個節(jié)點的擴展都符合相關(guān)容許度，因為之后在這些節(jié)點上要連接梁和支柱。

安裝

臨時鋼柱在Z方向固定住這些節(jié)點而同時在X和Y方向上的節(jié)點和斜拉鎖一起調(diào)整。這些節(jié)點需要精確地放置在三維空間中以便拉起過程會順利進(jìn)行。節(jié)點被安全地放置后，相關(guān)的梁和支柱連接到每個節(jié)點的擴展點上。

獲獎

2015年木結(jié)構(gòu)設(shè)計獎: 木材廣泛使用特殊建筑設(shè)計

2015年木結(jié)構(gòu)設(shè)計獎: 優(yōu)秀工程

2015年木結(jié)構(gòu)設(shè)計獎: 木結(jié)構(gòu)工程倡導(dǎo)獎模范提名和地方推選

平面圖

軸測圖