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大跨度圓竹拱形結(jié)構(gòu)建造技術(shù)
發(fā)布時(shí)間：2021/8/10   來(lái)源：湖州獵神竹竹制品有限公司  閱讀：1323次
        圓竹具有輕質(zhì)高強(qiáng)、易于彎曲定型的特性，常用于建筑結(jié)構(gòu)中，尤其是大跨度拱形結(jié)構(gòu)這種具有曲線美感的建筑形式。

        該研究以2019年北京世界園藝博覽會(huì)竹藤館為案例，通過實(shí)地考察和文獻(xiàn)調(diào)研的方法，從原材料制備、建筑設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分散、拉結(jié)強(qiáng)化、裝配式以及建筑健康監(jiān)測(cè)等方面，綜述了國(guó)內(nèi)外較為經(jīng)典的大跨度圓竹拱橋梁和建筑建造關(guān)鍵技術(shù)，分析了拱形建筑的受力特性以及圓竹材用于大跨度拱形建筑的材料適用性，提出標(biāo)準(zhǔn)圓竹材的應(yīng)用在很大程度上延長(zhǎng)了圓竹拱結(jié)構(gòu)的壽命；構(gòu)件預(yù)制化不僅降低了工程難度，還在一定程度上推動(dòng)了竹建筑裝配式進(jìn)程；巧妙的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及拉結(jié)強(qiáng)化均大大提高了竹建筑安全性；而后期健康監(jiān)測(cè)和安全維護(hù)則進(jìn)一步保證了大跨度圓竹拱建筑的安全性。



        而且，該研究對(duì)圓竹標(biāo)準(zhǔn)材研究、圓竹拱形大跨度建筑技術(shù)體系建設(shè)、圓竹結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用具有重要的學(xué)術(shù)參考價(jià)值，此外還具有重要的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益。


        竹類植物是地球上生長(zhǎng)最快的禾本科植物，一次種植永續(xù)利用，資源豐富。竹材具有較高的抗壓、抗拉和抗彎性能以及優(yōu)良的韌性，輕質(zhì)高強(qiáng)，與木材相比優(yōu)勢(shì)明顯。圓竹具有中空、壁薄、有節(jié)的結(jié)構(gòu)形態(tài)，從物理力學(xué)角度看，是一種很好的筒體結(jié)構(gòu)，比等直徑的實(shí)心桿具有更大的抗彎強(qiáng)度和慣性矩，用于建筑材料時(shí)具有優(yōu)良的抗彎性能和穩(wěn)定性。

        此外，竹材天然可降解的屬性使得竹建筑在整個(gè)建造過程中所產(chǎn)生的能耗、污染也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于磚石、混凝土類型的建筑，并且竹材在整個(gè)建筑生命周期內(nèi)具有碳匯的功能，屬于可持續(xù)建筑材料。目前，竹材由于其優(yōu)良的材料性能、獨(dú)特的文化屬性和可持續(xù)發(fā)展的潛力，得到越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外當(dāng)代建筑師的關(guān)注。

一、圓竹在拱形結(jié)構(gòu)中的適用性

        竹材由于其壁薄中空的屬性，易直易彎，易剛易柔，在用于建筑結(jié)構(gòu)材時(shí)可以創(chuàng)造多種結(jié)構(gòu)類型，常見的如梁架結(jié)構(gòu)、編制結(jié)構(gòu)、拱結(jié)構(gòu)、穹頂結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)以及拉索結(jié)構(gòu)等，其中拱結(jié)構(gòu)和穹頂結(jié)構(gòu)較易創(chuàng)造出完整的大跨度空間。

        拱是在自身平面內(nèi)的豎向載荷作用下產(chǎn)生水平推力的曲桿，拱與其支座或拉桿構(gòu)成拱結(jié)構(gòu)，拱結(jié)構(gòu)是一種主要承受軸向壓力并由兩端推力維持平衡的曲線或折線構(gòu)件，在外載荷作用下，拱主要承受壓力，拱結(jié)構(gòu)支座即拱腳承受水平推力，跨度越大，推力越大。

        拱桿件主要受沿弧形的壓力，拱內(nèi)基本無(wú)剪切力，以2019年北京世界園藝博覽會(huì)竹藤館（以下簡(jiǎn)稱“竹藤館”）竹拱為例分析拱結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，如圖1所示。圓竹材具有較大的軸向抗壓強(qiáng)度和韌性，并且圓竹易于彎曲定型和連接的特點(diǎn)，在用于拱結(jié)構(gòu)時(shí)能夠很好地發(fā)揮其優(yōu)良的抗壓性能和韌性，創(chuàng)造出較大的空間尺寸和結(jié)構(gòu)美感。

二、國(guó)內(nèi)外竹拱結(jié)構(gòu)橋梁與建筑

竹材作為建材的歷史十分悠久，在宋朝《營(yíng)造法式》中對(duì)竹材的建造方式及用料均作出了詳細(xì)的注解。

竹拱結(jié)構(gòu)是竹結(jié)構(gòu)在近現(xiàn)代不斷演變的過程，從最初中國(guó)南方穿斗式結(jié)構(gòu)竹構(gòu)形式到20世紀(jì)80年代小作坊，廠房和生產(chǎn)區(qū)的大量興起，對(duì)大尺度空間的迫切需求，促進(jìn)了拱形竹棚的誕生；20世紀(jì)90年代以后，拱形竹棚在全國(guó)推廣；21世紀(jì)初，隨著現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)建造技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)組織的支持和推動(dòng)，越來(lái)越多的初具規(guī)模的拱形竹結(jié)構(gòu)在全國(guó)各地落成，多為竹橋和展館等公共建筑，具有代表性的為茅以升公益橋和2019年北京世界園藝博覽會(huì)竹藤館。

其中茅以升公益橋—重慶觀音橋（圖2）為2017年建成，橋身為竹拱結(jié)構(gòu)，跨度為20 m，每榀竹拱由7根立柱支撐。


a:橋身；b:側(cè)面；c:內(nèi)廊。圖2 茅以升公益橋——重慶觀音橋

國(guó)外的竹建筑也主要集中在竹資源豐富的地區(qū)，如東南亞一些國(guó)家。越南建筑師武重義擅長(zhǎng)利用各種形式竹拱結(jié)構(gòu)創(chuàng)造大空間竹建筑，在其很多竹建筑作品中均有竹拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。2009年建筑作品《竹之翼》（Bamboo Wing）（圖3），就是合理地利用了半拱結(jié)構(gòu)營(yíng)造出“竹之翼”的意境；2010年上海世博會(huì)的《越南館》（圖4）內(nèi)部空間是利用傳統(tǒng)綁扎方式形成的連續(xù)竹拱構(gòu)架，使人仿佛置身于竹林之中，被譽(yù)為“竹子宮殿”；2015年的作品《納曼海灘酒吧》（Naman Beach Bar）（圖5）主體結(jié)構(gòu)是由8個(gè)竹框架構(gòu)成的，每個(gè)竹框架則利用多種不同類型的竹拱交織而成。


a:側(cè)翼；b:內(nèi)部竹拱結(jié)構(gòu)。圖3 武重義作品《竹之翼》


a:外部；b:內(nèi)部竹拱結(jié)構(gòu)。圖4 武重義作品《越南館》


a:整體結(jié)構(gòu)；b:內(nèi)部竹拱結(jié)構(gòu)。圖5 武重義作品《納曼海灘酒吧》

而印度尼西亞艾卜庫(kù)建筑團(tuán)隊(duì)致力于利用巴厘島資源豐富的馬來(lái)甜龍竹（Dendrocalamus asper）（又稱“巨型竹”）建造房屋、酒店、學(xué)校和活動(dòng)場(chǎng)所，其中巴厘島的綠色學(xué)校（Green School）大量運(yùn)用了竹拱結(jié)構(gòu)表現(xiàn)竹建筑之美。

梅潘提根禮堂（Mepantigan Auditorium）（圖6）是綠色學(xué)校的多功能活動(dòng)空間，由2個(gè)橫跨15 m的巨大拱門支撐，每個(gè)竹拱僅由2根巴厘島當(dāng)?shù)鼐扌椭褡又瞥桑磺陿颍∕illennium Bridge）（圖7）是竹子力量的證明，在當(dāng)時(shí)是亞洲最大的竹橋，跨度23 m，屋頂以米南卡堡為靈感，令人印象深刻；海龜教室（Turtle Classroom）（圖8）是綠色學(xué)校最受歡迎的教室，由多個(gè)竹拱交錯(cuò)而成的橢圓形結(jié)構(gòu)使得整個(gè)空間具有一種膨脹感，充滿活力，教室可以容納30名學(xué)生。


a:圓竹禮堂實(shí)物圖；b:禮堂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 圖6 綠色學(xué)校的梅潘提根禮堂


a:圓竹橋全貌；b:內(nèi)部竹拱結(jié)構(gòu) 圖7 綠色學(xué)校的千年橋


a:外部全貌；b:內(nèi)部竹拱結(jié)構(gòu) 圖8 綠色學(xué)校的海歸教室

三、竹藤館建造關(guān)鍵技術(shù)

以2019年北京世界園藝博覽會(huì)竹藤館為案例，對(duì)拱形大跨度圓竹建筑的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行解析。竹藤館由意大利卡德納斯設(shè)計(jì)工作室負(fù)責(zé)建筑設(shè)計(jì)，香港中文大學(xué)建筑學(xué)院、清華大學(xué)土木工程研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)工程設(shè)計(jì)，國(guó)際竹藤中心負(fù)責(zé)圓竹建筑無(wú)支點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和原材料處理技術(shù)支持而建成。

竹藤館是國(guó)際竹藤中心主持的“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“竹資源全產(chǎn)業(yè)鏈增值增效技術(shù)集成與示范”的成果之一，完全使用圓竹結(jié)構(gòu)，在原材料制備、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、圓竹連接、力學(xué)設(shè)計(jì)和后期維護(hù)等方面，獲得多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。

竹藤館為圓竹竹拱建筑體系，整個(gè)建筑采用5000多根毛竹建成，其主要受力結(jié)構(gòu)為圓竹竹拱結(jié)構(gòu)，竹拱跨度達(dá)到32 m，中間無(wú)任何支點(diǎn)，是目前中國(guó)北方跨度最大的無(wú)支點(diǎn)拱形圓竹建筑，圖9所示為竹藤館效果圖和建成后實(shí)拍圖。


a:效果圖；b:建成后館頂；c:建成后側(cè)門。 圖9 竹藤館

1、竹藤館的組成部分

1）基礎(chǔ)。地基：鋼框架+混凝土；側(cè)墩：混凝土。

2）結(jié)構(gòu)。竹拱結(jié)構(gòu)（圖10）：以圓竹材為主（直徑8~10 cm），木材、五金輔助（作為連接件），拉索（直徑1.5 cm）（起連接作用，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性）；檁條：圓竹檁條和鋼檁條。

3）圍護(hù)。支撐：黑色方鋼管框架；面層：透明玻璃。

4）屋頂。彩鋼壓型板、瓦型陽(yáng)光板/屋面采光板（用于采集陽(yáng)光，減少電力使用）、多肉綠植（屋頂綠化）。

5）天花。中國(guó)傳統(tǒng)特色竹編（圖11）。


a:竹拱結(jié)構(gòu)；b和c：搭建中的竹拱 圖10 竹藤館竹拱結(jié)構(gòu)


a:裝飾前；b:裝飾后 圖11 竹編裝飾

2、圓竹原材料制備

1）標(biāo)準(zhǔn)化圓竹選取和處理

竹材是一種天然材料，各種自然因素致使竹竿粗細(xì)、尖削度以及力學(xué)性能等不均一，大大降低了圓竹結(jié)構(gòu)材質(zhì)量的可控性，因此在利用圓竹時(shí)，特別是作為建筑結(jié)構(gòu)材時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。竹藤館主要結(jié)構(gòu)用圓竹全部選取4~6年生、胸徑在8~10 cm的毛竹，標(biāo)準(zhǔn)竹竿長(zhǎng)度為600±3 cm，尖削度控制在2 cm之內(nèi)，含水率為8%~12%，與北京的年平均平衡含水率相近，以減少因干縮濕脹引起的開裂現(xiàn)象。

2）圓竹防護(hù)處理

竹材在迅速生長(zhǎng)過程中形成大量的糖分、淀粉和蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，易發(fā)生蟲蛀、霉變、腐爛等現(xiàn)象，導(dǎo)致原竹結(jié)構(gòu)材使用壽命縮短，因此在圓竹利用時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行防護(hù)處理，起到防蟲、防霉、防腐以及防火的效果，增強(qiáng)圓竹的性能穩(wěn)定性和使用耐久性。竹藤館所采用的圓竹是利用天然防腐劑+高溫?zé)嵊吐?lián)合處理技術(shù)進(jìn)行處理，其原理是利用天然防腐劑除去竹材內(nèi)部的淀粉和糖分等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，再利用熱油處理在竹材表面形成油膜，阻止水分浸入和微生物侵襲，從而達(dá)到長(zhǎng)效防護(hù)的效果。

3）圓竹調(diào)直、調(diào)彎處理

圓竹在生長(zhǎng)過程中由于地勢(shì)、風(fēng)向或遺傳等因素導(dǎo)致其竹竿通直度不均勻，在使用過程中根據(jù)圓竹所使用場(chǎng)合的不同需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)直和調(diào)彎處理。在竹藤館竹拱結(jié)構(gòu)中圓竹需要進(jìn)行調(diào)彎處理，調(diào)制一定的弧度；而當(dāng)圓竹用于館頂竹檁條時(shí)則需要通直的形態(tài)，以將館頂壓力均勻分布、傳遞在竹拱結(jié)構(gòu)上，這時(shí)則需要將圓竹材料進(jìn)行調(diào)直處理。竹藤館所用圓竹是利用高溫火烤加熱法使圓竹軟化，進(jìn)行調(diào)直或者利用弧度儀進(jìn)行調(diào)彎處理。

4）圓竹防開裂處理

圓竹由于其中空壁薄的構(gòu)造以及其竹青至竹黃層維管束存在梯度分布的特征，導(dǎo)致圓竹材在受外力或生物內(nèi)力時(shí)竹青、竹黃的應(yīng)力分布不均勻而產(chǎn)生開裂的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象與很多因素相關(guān)，如竹材含水率變化、外力形式等，因此對(duì)圓竹防開裂處理主要做了2個(gè)方面的工作：

①調(diào)節(jié)竹材含水率。竹材在砍伐至使用的過程中利用干燥窯將竹材進(jìn)行均勻干燥，并在北京施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行平衡含水率調(diào)節(jié)，使其平衡含水率與北京當(dāng)?shù)睾时３謩?dòng)態(tài)平衡。

②通過緊固件進(jìn)行加固。圓竹材的開裂一般是從兩端開始，逐漸蔓延至中間。因此，在實(shí)際使用圓竹時(shí)，利用緊固件將其兩端進(jìn)行加固，竹藤館使用的加固件是金屬喉箍件，如圖12a和b所示。



3、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

德國(guó)學(xué)者波拜恩認(rèn)為“建構(gòu)是一種連接的藝術(shù)”，表明了節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造對(duì)于建筑設(shè)計(jì)的重要性，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造是建筑品質(zhì)的基本保障，也是創(chuàng)造好的形式與空間效果的根本所在。圓竹作為建筑材料，其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造也是建筑品質(zhì)的關(guān)鍵。

1）竹竿之間的連接

①竹竿長(zhǎng)度方向的連接。將大竹筒兩端竹隔打通，鑲套與大竹筒內(nèi)徑一致的小竹筒，連接兩根竹竿，并輔以氣釘加固，實(shí)現(xiàn)竹竿長(zhǎng)度方向的加長(zhǎng)，如圖13所示。由于小竹筒連接件與大竹筒材質(zhì)相同、性能相近，采用大竹筒鑲套小竹筒的連接形式使得節(jié)點(diǎn)在受力時(shí)能夠發(fā)生同步變形，而且圓竹調(diào)彎過程中較易調(diào)至相似的弧度。


a：接長(zhǎng)的檁條；b：竹筒接口

②竹竿徑向連接。圓竹在作為建筑結(jié)構(gòu)體時(shí)多以成束的形式存在，以增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，傳統(tǒng)的連接形式為綁扎和榫接。綁扎多利用棕繩或鐵絲等將多根圓竹連接在一起，屬于柔性連接，節(jié)點(diǎn)容易松動(dòng)；而榫接屬于傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)典型連接方式，但由于竹材中空的特點(diǎn)，榫接對(duì)竹材的切削使竹材在節(jié)點(diǎn)處容易產(chǎn)生劈裂現(xiàn)象。

竹藤館采用現(xiàn)代五金件的連接方式，竹竿徑向之間通過螺栓螺母進(jìn)行連接，端部采用金屬喉箍件進(jìn)行加固，


a:螺栓螺母徑向連接；b:金屬喉箍端部緊固。

2）基礎(chǔ)與竹拱結(jié)構(gòu)之間的連接

竹拱拱腳處是竹拱受力較為集中的點(diǎn)，易發(fā)生開裂或斷裂，因此基礎(chǔ)與竹拱之間的連接尤為重要。竹藤館兩側(cè)均有混凝土側(cè)墩，側(cè)墩上有凸出的與圓竹內(nèi)徑相似的鋼管（圖15a），將鋼管插入竹拱拱腳內(nèi)（圖15b），在拱腳外包覆鋼板（圖15c），鋼板與拱腳之間的孔隙填充混凝土（圖15d）加固拱腳強(qiáng)度。


3）結(jié)構(gòu)與屋頂、圍護(hù)之間的連接

竹藤館的屋頂與圍護(hù)均不承受力，僅作為圍護(hù)使得建筑成為一個(gè)較為完整的空間。屋頂采用瓦型陽(yáng)光板和彩鋼壓型板，直接通過螺栓、螺母連接在竹檁條和鋼檁條之上，如圖16所示；圍護(hù)結(jié)構(gòu)則是將黑色方形鋼管通過螺栓、螺母連接在最外側(cè)的竹拱上，再鑲嵌玻璃而成，如圖17所示。


a:彩鋼壓型板；b:竹檁條。

4、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分散-變截面桁架竹拱

大跨度竹拱在竹藤館作為主要承壓構(gòu)件，竹拱主要受沿弧形的壓力，最終壓力集中到拱腳并傳遞給側(cè)墩，因此，拱腳處是應(yīng)力最為集中的地方，最易開裂。為分散拱腳處應(yīng)力集中現(xiàn)象，竹拱采用變截面桁架拱，如圖18a和b所示。該結(jié)構(gòu)兼具拱結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)勢(shì)，在竹拱中部將竹拱分為4個(gè)分拱，截面從中部位置至拱腳逐漸增大，大大降低了拱腳處的應(yīng)力集中現(xiàn)象；此外桁架式的竹拱結(jié)構(gòu)，本身也分散了竹拱拱身的壓力。


a:竹拱；b:變截面桁架拱；c:變截面桁架。 

5、拉結(jié)強(qiáng)化構(gòu)件——斜拉索

斜拉索是橋梁中常用的受拉構(gòu)件，竹藤館在2個(gè)竹拱拱腳處對(duì)角拉結(jié)斜拉索，如圖19a和b所示。在竹拱結(jié)構(gòu)中設(shè)置斜拉索是為了增加各個(gè)拱之間的約束，以及拱與拱腳之間的約束，避免拱結(jié)構(gòu)在風(fēng)力等作用下發(fā)生平面外傾側(cè)現(xiàn)象。


6、圓竹構(gòu)件預(yù)制化

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，裝配式建筑的技術(shù)也愈加成熟，這種在工廠預(yù)制構(gòu)件，在工地進(jìn)行構(gòu)件組裝的建造形式不僅能夠大大縮短工期，而且生產(chǎn)成本低，甚至在后期維護(hù)的過程中可以進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的替換，從而提高建筑的使用壽命。

現(xiàn)代圓竹建筑也逐漸采用裝配式的建造形式，其發(fā)展基礎(chǔ)是竹構(gòu)件的預(yù)制化。竹藤館的圓竹預(yù)制構(gòu)件主要為單榀竹拱和竹檁條，如圖20所示。在圓竹加工工廠，利用標(biāo)準(zhǔn)圓竹按照竹材軸向和徑向連接技術(shù)將其預(yù)制成所需的單榀竹拱預(yù)制構(gòu)件和竹檁條構(gòu)件，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝加固，大大縮短了竹藤館的施工工期。

7、竹拱結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

在建成的竹拱上安裝了位移力學(xué)測(cè)試裝置，在每榀拱上自拱腳至最拱頂處安裝了5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)竹拱豎向位移、拱面內(nèi)水平位移和拱面外水平位移。一方面實(shí)時(shí)有效了解竹拱結(jié)構(gòu)的工作狀況，為竹拱結(jié)構(gòu)在特殊氣候條件下或運(yùn)營(yíng)狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)；另一方對(duì)竹拱結(jié)構(gòu)的損傷發(fā)展進(jìn)行智能評(píng)估和預(yù)測(cè)，對(duì)竹拱結(jié)構(gòu)的加固和修繕具有重大的參考價(jià)值。圖21為技術(shù)人員正在測(cè)量竹藤館竹拱的位移。

四、總結(jié)

拱形大跨度圓竹建筑，充分發(fā)揮了圓竹優(yōu)良的抗壓性能，是一種結(jié)構(gòu)合理并且富有曲線美感的建筑形態(tài)。竹藤館作為目前中國(guó)北方跨度最大、無(wú)支點(diǎn)的竹拱建筑，摒棄了傳統(tǒng)的圓竹材料現(xiàn)伐、現(xiàn)用的做法，采用標(biāo)準(zhǔn)圓竹加工和處理的方法，降低了圓竹材在使用過程中的質(zhì)量不可控性，并在很大程度上延長(zhǎng)了竹材的使用壽命；此外，竹構(gòu)件的預(yù)制化大大降低了施工難度并縮短了工期，一定程度上推動(dòng)了竹建筑裝配化進(jìn)程。

巧妙的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及斜拉索的合理運(yùn)用均提高了竹拱建筑在北方較大風(fēng)壓的情況下的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了竹拱建筑的使用壽命，此外建筑健康監(jiān)測(cè)技術(shù)也進(jìn)一步保證了大跨度竹拱建筑的安全性。竹藤館的建造技術(shù)已凸顯現(xiàn)代化拱形大跨度圓竹建筑的形態(tài)，是現(xiàn)代化拱形大跨度圓竹建筑的典范。
 
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