1 樹狀鋼結構的發展概況
樹狀鋼結構是空間仿生鋼結構的一種，屬于建筑仿生鋼結構的范疇。這種鋼結構是德國奧托(F．Otto)在20世紀60年代提出的一個重要的鋼結構形態概念。
它是一種比較新穎的鋼結構形式，具有合理的傳力路徑，承載力較高，支撐覆蓋范圍廣，可以用較小的桿件形成較大的支撐空間。因此，對于樹狀鋼結構，主要是從仿生學的角度去研究鋼結構的受力，尋求合理的空間形式，以解決實際工程問題。
盡管樹狀鋼結構具有很多優點，并且是自然界中極其普遍的鋼結構形態，但是，真正意義上的樹狀鋼結構直到60年代的現代建筑實踐中才得以表現。尤其在國內，樹狀鋼結構的應用還比較少見，大型的樹狀鋼結構更是少之又少。國內比較知名酌樹狀鋼結構是深圳文化中心的“黃金樹”鋼結構，如圖1所示。它是整個文化中心的點睛之筆，建筑師巧妙地賦予其建筑樹的想象，鋼結構設計也是按照樹的生長機理，由下至上按照主干、粗枝、中枝和端枝組成鋼結構體系，多根桿件以不同的角度匯交于一點，組成樹形的空間三維體系‘1]。而在國外，樹狀鋼結構已有較多的應用。其中，德國斯圖加特機場候機樓是最為典型的大規模樹狀鋼結構建筑。它是奧托主持下的又一經典作品。
候機大廳屋面呈一傾斜平面，內部采用大型的樹狀支撐鋼結構體系，呈三級分叉，如圖2所示。大廳由于支撐眾多、橫向分枝深遠，有助于防止整體鋼結構的水平失穩。再有就是建筑師諾曼·福斯特設計的倫敦第三機場——斯坦斯特德機場新航站樓中央大廳，鋼結構柱采用36 m×36 m的網格，屋面是一扁拱殼體，屋頂距離地面15 m，其支撐鋼結構為4根鋼管柱組合而成樹狀柱和管簇鋼結構，在水平方向斜桿伸出達4m，從而有效地減小了鋼結構跨度。其內景如圖3所示。
2 樹狀柱設計若干問題研究
2.1 樹狀柱鋼結構的組成
樹狀柱的基本形態特征是多級分枝、三維伸展。如圖4所示的鋼管樹狀柱鋼結構采用了三級分枝，先從樹狀主柱分出4根一級分枝柱，然后由每根一級分枝柱分出2根二級分枝柱，最后二級分枝柱與屋面梁鉸接連接。當然．樹狀鋼結構的分級和分枝越多．樹狀鋼結構就越具有美感，鋼結構的受力也就會越復雜。樹狀鋼結構的分級和分枝受到加工技術和計算的限制，并不能無限增加。樹狀鋼結構的材料一般來說只有鋼材，對于分枝很多、受力比較大的鋼結構，樹狀主柱也可以采用鋼管混凝土柱，以滿足受力要求。題』J。屋面所承受的荷載傳遞給各級樹分枝，再由各級樹分枝向上一級樹枝傳遞，最后，再把所有的力匯總在樹狀主柱上。圖5給出了樹狀主柱、一級分枝和二級分枝之間的傳力關系，具體過程如下： 首先，屋面承受的荷載直接傳遞到樹狀鋼結構的二級分枝上。一般來說，二級分枝與屋面梁之間是通過鉸接連接，這主要是考慮兩點：1）實際施工過程安裝的方便；2）由于二級樹枝的截面一般來說比較細小，避免屢面粱上承受的彎矩直接傳遞到二級分枝上，使得其受力過大，產生破壞。
其次，二級樹枝把承受的力通過連接節點Q、O。、04傳遞到一級樹枝上。在此過程中需要注意：1)當每個節點上的二級樹枝不能形成一個平面時．如二級樹枝AO。.B03、CQ不在一個平面上，此時，在進行樹枝布置設計時，要盡可能調整這三個分枝的方向，使得這三個分枝的軸向合力沿著一級分枝軸線0，@，即要平衡二級分枝的水平合力，確保一級分枝只承受軸向荷載。2）當二級樹枝形成一個平面時t如二級樹枝D0。、E-Op在同一個平面DE())上，此時-應使DO.,、E-O。的合力延長線在軸線，形成一個力的平行四邊形。
最后，一級樹枝把承受的力通過連接節點傳遞到樹狀主柱上，其傳力過程類似以上所述。在經過了樹枝上述力的傳遞之后，一級樹枝把承受的力（包括軸向力與水平合力）傳遞到樹狀主柱上，并
通過基礎來承擔。
圖5樹狀柱受力特點
由上可知，構筑樹狀柱鋼結構體系合理受力形態的必要條件是使得各個分枝承受沿著其軸線方向的合力，并且各級樹枝之間承受的力呈梯形狀分布，最后通過樹狀主柱與基礎連接傳遞到基礎鋼結構上。 各級樹枝在節點處的連接方式應裉據樹狀鋼結構的具體形式確定。對于樹枝桿件不太長、分枝不多、施工時方便直接焊接、受力滿足要求的節點在施工。
