1  树状钢结构的发展概况

    树状钢结构是空间仿生钢结构的一种，属于建筑仿生钢结构的范畴。这种钢结构是德国奥托(F．Otto)在20世纪60年代提出的一个重要的钢结构形态概念。

它是一种比较新颖的钢结构形式，具有合理的传力路径，承载力较高，支撑覆盖范围广，可以用较小的杆件形成较大的支撑空间。因此，对于树状钢结构，主要是从仿生学的角度去研究钢结构的受力，寻求合理的空间形式，以解决实际工程问题。

    尽管树状钢结构具有很多优点，并且是自然界中极其普遍的钢结构形态，但是，真正意义上的树状钢结构直到60年代的现代建筑实践中才得以表现。尤其在国内，树状钢结构的应用还比较少见，大型的树状钢结构更是少之又少。国内比较知名酌树状钢结构是深圳文化中心的“黄金树”钢结构，如图1所示。它是整个文化中心的点睛之笔，建筑师巧妙地赋予其建筑树的想象，钢结构设计也是按照树的生长机理，由下至上按照主干、粗枝、中枝和端枝组成钢结构体系，多根杆件以不同的角度汇交于一点，组成树形的空间三维体系‘1]。而在国外，树状钢结构已有较多的应用。其中，德国斯图加特机场候机楼是最为典型的大规模树状钢结构建筑。它是奥托主持下的又一经典作品。

候机大厅屋面呈一倾斜平面，内部采用大型的树状支撑钢结构体系，呈三级分叉，如图2所示。大厅由于支撑众多、横向分枝深远，有助于防止整体钢结构的水平失稳。再有就是建筑师诺曼·福斯特设计的伦敦第三机场——斯坦斯特德机场新航站楼中央大厅，钢结构柱采用36 m×36 m的网格，屋面是一扁拱壳体，屋顶距离地面15 m，其支撑钢结构为4根钢管柱组合而成树状柱和管簇钢结构，在水平方向斜杆伸出达4m，从而有效地减小了钢结构跨度。其内景如图3所示。

2  树状柱设计若干问题研究

2.1  树状柱钢结构的组成

    树状柱的基本形态特征是多级分枝、三维伸展。如图4所示的钢管树状柱钢结构采用了三级分枝，先从树状主柱分出4根一级分枝柱，然后由每根一级分枝柱分出2根二级分枝柱，最后二级分枝柱与屋面梁铰接连接。当然．树状钢结构的分级和分枝越多．树状钢结构就越具有美感，钢结构的受力也就会越复杂。树状钢结构的分级和分枝受到加工技术和计算的限制，并不能无限增加。树状钢结构的材料一般来说只有钢材，对于分枝很多、受力比较大的钢结构，树状主柱也可以采用钢管混凝土柱，以满足受力要求。题』J。屋面所承受的荷载传递给各级树分枝，再由各级树分枝向上一级树枝传递，最后，再把所有的力汇总在树状主柱上。图5给出了树状主柱、一级分枝和二级分枝之间的传力关系，具体过程如下：    首先，屋面承受的荷载直接传递到树状钢结构的二级分枝上。一般来说，二级分枝与屋面梁之间是通过铰接连接，这主要是考虑两点：1）实际施工过程安装的方便；2）由于二级树枝的截面一般来说比较细小，避免屡面粱上承受的弯矩直接传递到二级分枝上，使得其受力过大，产生破坏。

    其次，二级树枝把承受的力通过连接节点Q、O。、04传递到一级树枝上。在此过程中需要注意：1)当每个节点上的二级树枝不能形成一个平面时．如二级树枝AO。.B03、CQ不在一个平面上，此时，在进行树枝布置设计时，要尽可能调整这三个分枝的方向，使得这三个分枝的轴向合力沿着一级分枝轴线0，@，即要平衡二级分枝的水平合力，确保一级分枝只承受轴向荷载。2）当二级树枝形成一个平面时t如二级树枝D0。、E-Op在同一个平面DE())上，此时-应使DO.,、E-O。的合力延长线在轴线，形成一个力的平行四边形。

    最后，一级树枝把承受的力通过连接节点传递到树状主柱上，其传力过程类似以上所述。在经过了树枝上述力的传递之后，一级树枝把承受的力（包括轴向力与水平合力）传递到树状主柱上，并

通过基础来承担。

    图5树状柱受力特点

    由上可知，构筑树状柱钢结构体系合理受力形态的必要条件是使得各个分枝承受沿着其轴线方向的合力，并且各级树枝之间承受的力呈梯形状分布，最后通过树状主柱与基础连接传递到基础钢结构上。 各级树枝在节点处的连接方式应裉据树状钢结构的具体形式确定。对于树枝杆件不太长、分枝不多、施工时方便直接焊接、受力满足要求的节点在施工。