木结构建筑在我国有着悠久的发展史，并且在发展的过程中形成了一套“数字化”建造的逻辑体系。从宋代的材分制，到清代的斗口制，模数制度成为古代木结构建造的核心方法，通过这种数字化的设计建造，采用简单构件即可组合成复杂的结构体系。 在当今绿色低碳的设计趋势下，木材作为一种可再生的碳汇材料，被越来越多地运用到建造实践之中。相较于传统以实木为主要材料的建造体系，胶合木结构更适合现代工业加工体系且符合环保固碳要求，已成为现代建筑的主要探索方向。 其主要建造方式为预制拼装，具有可变且离散的加工与建造特征，以“文件到工厂”的工作流程，将设计结果通过特定的数据形式，直接从建模软件传递到数控机床或建造机器人上，实现设计、加工和建造的无缝衔接 。利用这种三维数控加工技术，能够大幅度提高木材加工精度，并且可将木材加工成复杂的三维形态构件。这为天府农业博览园主展馆（以下简称“主展馆”）的大尺度非标准构件胶合木结构建造提供了技术手段。

▲ 建造过程  ?上海思卡福建筑科技有限公司

主展馆整体建筑形态由5个近似桶壳的形体组成 ，根据下部不同的功能需求，桶壳的母线形态各不相同，这也造成了间隔9m共77榀钢木混合空腹桁架的形态母线各不相同。同时，每榀钢木桁架采用三角型截面，上部采用双拼胶合木弦杆，下部采用2个单截面胶合木弦杆，桁架三角形截面根据整体受力逻辑采用变截面设计，底部放大、顶部缩小，每根木结构构件也根据材料的受力逻辑设计为底部截面大、顶部截面小，这就造成了 每榀钢木桁架的每根组合木弦杆形态均不相同，没有标准的单元构件 。

▲ 建造过程  ?上海思卡福建筑科技有限公司

同时，木弦杆之间的钢腹杆也随整体桁架截面产生变化， 每组钢杆件的尺寸、节点连接角度都存在差异 。高精度的数字化设计-加工-现场安装流程，才能满足复杂构件在现场的精确安装 ，任何一个环节的疏漏所产生的误差累积都会造成现场无法成功吊装拼接。

在项目的深化设计阶段，我们与加拿大StructureCraft Builders和上海思卡福建筑科技有限公司合作，基于数字化三维设计模型，对整体钢木桁架进行结构优化、节点设计等深化设计工作。

软件框架和工作流的搭建对于数字化设计十分重要，各深化设计单位在相同的工作体系和平台下工作，才能保证数据的无缝传递，避免不必要的误差。如今参数化建筑平台的发展已经可以将越来越多的相关专业软件连接到一起，形成整体工具框架。 深化设计以Rhino+Grasshopper为主体平台 ，结合Grasshopper中的结构受力计算插件Karamba和单一目标最优解算法插件Galapagos，在结构优化阶段直观展示不同截面形态、桁架选型等要素的受力状态，为建筑师提供相对最优的建议，便于选型与决策。

结构体系与框架基本确定后，再利用Swallow、Tomaso等Grasshopper插件将参数化模型无缝桥接到SAP2000、Midas等有限元计算软件中，进行精确计算并导出结果。 在节点设计阶段，对节点和在胶合木弦杆上预留的槽口孔洞进行整体参数化建模 ，方便批量调整，在确定效果的同时，也为导出加工数据打下基础。 在现场运输组装阶段，通过Rhino软件进行建模，动画模拟施工场景，并采用Procore线上施工管理系统分级管理整体图纸数据 ，更细致精准地描述运输、装卸、组装的场景，更好地指导现场安装操作。

StructureCraft Builders作为木结构顾问，进行了大量的结构分析优化工作。在整体形态控制下，对三次贝兹曲线（Bezier Curve）、椭圆曲线、悬链线等拱形棚架母线线形进行比较分析。从结构受力角度，悬链线的线形最为合理，但因为部分棚架下部有建筑形体，如果都采用悬链线逻辑生成结构基准线，会与下部建筑产生碰撞冲突。 最终为4个桶壳结构选择悬链线形态的棚架母线，G1馆则由于下部有大型建筑体量，选择二次曲线为棚架结构母线。

?本土设计研究中心、StructureCraft Builders

▲ 线形计算

?本土设计研究中心、StructureCraft Builders

桁架结构形式的选择成为建筑结构设计的另一个关键点。初步设计按常规三角桁架的形式，在上下弦杆间连续布置斜撑作为腹杆，但密集的腹杆会影响建筑效果。后续调整为在上下弦杆间设置平面内三角形腹杆，但由于腹杆间采用数量较多的交叉拉索，以保证弦杆间的整体受力，导致节点设计和施工过程控制都比较困难。 最终创新性地采用了空腹拱桁架体系，结合结构受力需求，在上下弦间间隔布置立体四角锥形腹杆，且采用实心钢片腹杆以最大限度减少截面尺寸。 通过不断优化杆件布置，使桁架结构呈现出通透轻盈的视觉效果。

在选型确定之后，为对钢木混合空腹桁架进行整体优化，建立了多参数求最优解的程序逻辑。由于拱形结构在地脚处弯矩较大，跨中处弯矩较小， 对三角形结构体截面进行跨端放大、跨中减小的优化设计，而组成三角形结构体的每根木弦杆采用底部大、顶部小的渐变截面 ，以提高材料的使用效率。空腹桁架三角锥腹杆的密度、布置位置都成为输出的参数条件，通过设定变形最小的单一目标，得出相关参数组合的最优解，通过迭代获得合理的钢木桁架截面和腹杆布置方案。

▲ 单拱形态

节点

由于钢木混合结构中木材的特殊性， 钢木结构连接和钢构件连接都不能采用大量焊接的方式 。因此将节点拆解为两部分，一是在木构件上的钢结构连接板，二是钢腹杆。 连接板在工厂内提前焊接耳板，与木结构之间以高强合金螺钉连接 ，每一块连接板上根据不同的受力状态设置数量不一的螺钉孔，分垂直和斜45°两种角度打入胶合木梁，以满足连接板与木梁之间的连接强度。

▲钢木铰接节点

我们也要求将连接板嵌入木梁，与木梁完成面做平，并按照数字模型定位在木梁上加工出连接板定位槽口 ，既保证了后期现场组装的精度和效率，也为连接板提供侧向约束，使其受力状态更为合理。 连接板与钢腹杆之间采用耳板穿插 ，用高强度螺栓连接 ，最多时两者之间有7块耳板穿插连接，形成半刚接节点。在节点形式确定后，通过Grasshopper进行批量建模，采用相同逻辑生成不同尺寸的构件，为后期导出近2万张加工图纸提供精确的数据支持。

▲ 节点深化

木次梁与主梁的连接并没有采用过于复杂的方式，而是根据数字模型在胶合木弦杆上留出定位槽口，与木次梁之间直接采用高强合金螺钉连接，有效限制了木次梁沿主梁曲线方向的滑移。

主展馆中来自不同地区的构建材料在现场的精确组装，有赖于以整体棚架数字化模型作为统一输出的数据依据。 胶合木结构的CNC加工数据由Rhino数字化模型导出，在欧洲的工厂加工完成。钢结构部分同样采用Rhino数字化模型导出加工图纸，在国内进行加工。

施工时需要在现场搭建临时加工厂房进行精细的小段拼装，在小段构件出厂后，在相应的桁架位置附近，将3~4个小段构件拼接为中段构件。每一榀桁架的整体吊装作业，则是由大型履带将3或5段中段构件吊在空中拼接为整体。在整体形体逻辑相同的前提下，每榀桁架形态均有差异，每一个环节的微小误差都会导致拼装不能顺利进行。

▲ 木梁组装过程

?本土设计研究中心、StructureCraft Builders

▲ 现场吊装    ?上海思卡福建筑科技有限公司

以往的项目中，作为结构深化顾问的外方团队会派技术人员进行现场指导，但在主展馆的施工中，由于疫情等影响因素，外方团队无法亲临现场。因此在木棚架深化设计阶段， 从木构件运输，到现场厂房预拼装，再到现场吊装拼接的整体过程，均通过Rhino进行全面建模模拟，并通过动画演示的方式与现场团队沟通 ，确定方案的可行性。更重要的是 通过工程管理软件Procore搭建全新的线上模型图纸混合工程管理系统，将加工图的每个细节分层级进行连接整合，形成文件存储在现场施工管理终端中 ，现场技术负责人可随时查看比对，及时反馈问题和加工情况，方便进行下一步的技术指导。

在主展馆木结构棚架围护结构的设计中，选择彩色ETFE膜作为主要材料 ，在建筑上部选择贴近棚架的平铺ETFE膜，在下部结合消防排烟要求设置ETFE百叶系统，百叶的高度范围与内部活动平台对应。由于主展馆整体的形态逻辑，结构形成的基础网格并非横平竖直的标准网格，彩色ETFE膜的拼接缝隙、安装构件均需与下部木结构体系严格对应，精确裁切定位。

▲ ETFE彩膜百叶  ?本土设计研究中心

我们 用Grasshopper为彩色ETFE膜建立了一套动态拼色系统，选取20种不同颜色和透明度的膜材进行排列组合，确定整体的色彩比例 ，精确输出每个膜片的颜色控制信息，以及百叶膜和非百叶膜的具体位置，并直接将模型连同设计程序提给膜结构深化厂家。厂家再根据木结构模型、彩色膜拼色模型、安装节点模型，通过Rhino+Grasshopper软件平台， 对ETFE膜结构的安装进行整体三维建模，并与木结构模型联动 ，实现模型修改时的动态更新。

▲ ETFE彩膜色彩构成  ?本土设计研究中心

同时，膜结构的三维数字模型可以直接导出构件加工数据及膜片的裁切文件， 建立了从主体结构到围护结构的数字化工作流程 ，在模型体系中提前发现问题，把误差降到最低，保证现场安装的效率和精度。

仿真模拟技术在飞机制造、航空航天、芯片制造等领域已经非常成熟，但其在建筑设计中的应用起初也仅仅局限于日照分析这种相对简单的模拟情景。由于传统建筑设计对精确度的要求并不高，冗余度较大，通风、排水等是否合理有效更多是依靠建筑师的经验进行判断。随着设计复杂度逐渐增加，新的、科学的设计工作体系融入进传统的设计流程，基于这种体系的多元数据分析平台正在逐渐成型，例如用于环境数据分析的LadyBug、ANSYSFluent、Eddy3D等CFD模拟软件，结构分析插件Karamba，以及能与结构计算软件连接的Swallow插件等。这些模拟软件正在 建立一种对设计进行整体分析的模拟平台 ，而不是传统独立切分的专业工作或者经验判断。

▲ 结构分析

在主展馆设计中，这种综合分析系统也初见端倪。由于棚架内部并不是完全封闭的空调空间，而是以自然通风采光调节内部气候环境的半室外空间，为了保证棚架下部空间在不使用空调的前提下达到使用上的相对舒适， 主展馆在不同阶段运用大量模拟技术筛选设计策略并进行对比论证，依托ANSYSFluent软件对棚架内部的通风和温度进行不同工况模拟 ，建立棚架底部两侧进风、顶部天窗排风的分析模型，并通过叠加进风口温度变化的模型，判断底部增加喷雾对于室内环境舒适度的影响。

▲ 通风模拟  ?本土设计研究中心

在消防设计论证中，由于规范对木结构建筑的消防要求比较苛刻，对火灾时的烟气和人员疏散时间的数字模拟，成为论证棚架内部安全性的重要数据支撑。此外，由于钢木结构棚架面积较大、形态复杂，直接判断表面排水状态较为困难，针对这一问题， 在深化设计中采用排水模拟和底部截水沟水流状态模拟等方式，协助建筑师判断棚架排水情况 。利用风洞模拟测算不同表面位置的风荷载状态及数据，并结合风洞实验，为主体钢木结构设计和围护结构设计提供重要的依据。

▲ 膜排水模拟  ?本土设计研究中心

在数字化技术蓬勃发展的今天，建筑设计这个诞生早于现代计算机技术的传统艺术门类也不能固步自封，需要在技术的迭代中不断充实对于城市和建筑设计的认知，使数字化技术从单纯的复杂形态生成，逐渐转变为以解决问题为导向与设计的深度融合，并显示出以下几点发展趋势： 模拟技术的三维可视化；模拟和计算结果的实时呈现；数字模型中各种构件的动态化调整；综合各种输入参数进行整体计算迭代，形成建议结果矩阵，建立筛选机制，求得最优解 。主展馆木结构的数字化设计体系可以看作是对于未来数字化工作流程的一次探索实践。

▲ 建造过程    ?上海思卡福建筑科技有限公司