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如何实现轻薄屋面的结构?板桁架技术解读

发布时间:2022-7-20 17:33:12浏览次数:10014文章出处:设计院幕墙
一、为什么要做得轻薄
建筑学的历史发展中,结构和建筑的统一,技术和美学的融合是一条主要线路。从中国建筑标识“斗拱”对地震的作用,到西方哥特建筑力学的完美传导逻辑,力学,或言之结构工程学,一直是建筑的核心语言之一。20世纪以来,战争、机械、航空、计算机都导致了材料学的大发展。一种必然的逻辑开始引导了建筑学世界的震动,即:高强度的材料、高精准度的优化设计,必然会带来建筑的轻型化。甚至可以说,建筑的“轻巧”是一种时代进步的综合体现。齐奕先生在其学位论文《多维视角下的当代建筑轻型化创作研究》中从科技进步与环境保护的角度给出了基于此逻辑的一个推论,即:建筑师在新材料、新技术的加持下,对空间秩序的追求逐渐演变成对砌筑与建构的讨论,并在自然环境不断恶化的背景下寻求建筑的可持续性以减小对环境的影响,是一场从建筑表象向建筑本体回归的动态过程。



同时代的 Hugh Dutton 则在他的文章《对结构与建筑的一体化追求》(An Integral Approach to Structure and Architecture)中论证了基于力学逻辑的建筑表皮轻薄化设计方向。其论文提出了一对新的概念:“结构”(structure)与“包层”(cladding),两者关系类似“骨骼”与“皮肤”。“结构”是力学的承载,而“包层”覆盖结构挡住雨水等环境扰动。同时,文章指出了 20 世纪中叶的建筑表皮基本规律——“结构-包层一体化”:利用计算机的辅助,建筑的表皮可以同时做到承担传导受力和抵御外部环境。这种进步,使得对建筑立面和屋顶的轻薄化有了力学的逻辑支撑。

可以做出结论:对结构轻薄化的追求,事实上是对结构、材料逻辑回归建筑学的本质探索。社会的分工,使得当代建筑学和结构工程学分属于两个学科,然而毋庸置疑的是,回归设计的理性需要两者的完美融合。设计更轻薄的屋顶、表皮,某种程度上是结构理性主义世界里的“文艺复兴”。



二、如何实现轻薄屋面
1998 年世博会设计的葡萄牙馆,是一场结构轻薄实验的狂欢。作为东道主建筑设计师的Alvaro Siza,面对大海,为了形成大跨度、无柱的框景,最终和著名结构工程师 Cecil Balmond 合作,两个领域共同营造出一场建筑学的哲学回归。此屋顶发挥了混凝土材料的极限天津王子幕墙装饰工程有限公司,利用类似悬索桥的结构方式以及混凝土中增强钢索,使得面积达到 3500 平方米的屋面厚度仅有 20 厘米。游客置身其下无法感觉到结构的尺寸,只有在屋顶和门廊的交界处才能一睹结构的轻薄性。



菲利克斯·坎德拉(Felix Candela)于 1958 年设计的霍奇米洛克餐厅(Los Manantiales  Restaurant)则是通过混凝土薄壳实现轻薄屋面的代表。餐厅平面轮廓最大外径为42 米,由中心至挑出端 21 米。结构的主要荷载由 4 组跨度为 32 米的交叉拱(4 个双曲抛物面相交形成)承受,其汇交于中心顶点。“花瓣”不设边梁,顶端最薄处混凝土壳体才 4 厘米厚,V 形交叉拱最厚处仅为 12 厘米厚。

而谈到从形的角度获得轻薄的大跨屋面,那么马鞍形屋面是最典型的代表,国家速滑馆的柔性屋面便是其最新的运用案例。其地上结构由马鞍形屋面、巨型环桁架、拉索-网壳组合结构幕墙组成。下部看台及车库为混凝土结构。场馆长为 225 米,宽为 174 米。这样一张大钢网,就像羽毛球拍一样,把屋顶结构从 8-10 米,直接降为 0.5 米以内。为其研发的缆索直径 70 毫米,采用高钒密闭索,其强度达到了 1570MPa,最终使得这座世界上跨度最大的索网体育馆得以呈现。



三、受弯屋面实现轻薄

但是如何在屋面受弯的情况下实现轻薄一直是一项难题,建筑师工程师们时常要借助一些辅助手段得以实现其效果。SANAA 在 2006 年设计的直岛海之车站,屋面采用了将围护结构做在经过极致设计的钢梁侧面的方案,将屋面设计的极薄。可惜的是,为了维持屋面的稳定性,屋面的底侧被设计成了格栅状而非绝对的平面,如同大多数工业风格的建筑那样。

妹岛和世在 2009 年为英国伦敦蛇形画廊展览设计的亭子保证措施,采用了 15 毫米实心铝合金板作为屋面,通过密柱将屋面的轻薄感做到了极致。由于是一座临时建筑,其对荷载的要求也较低。然而铝合金屋面由于焊接工艺复杂、造价高、刚度低、没有配套的防火方案等问题,难以被大规模复制。


而在有些情况下建筑师则是更多的关注视觉效果的把握。比如日本建筑师安藤忠雄在良渚文化艺术中心项目中通过变截面的屋顶处理,只将纤细的屋顶边缘展示在人们眼前而将有厚度的屋顶结构藏于体量中部,进而实现一种视觉上的轻薄。

史蒂夫剧院(Steve Theater)则采用了高科技材料 - 碳纤维来实现屋顶的轻薄。碳纤维不但抗拉强度高达 3000MPa,是常规 Q355 钢材强度的 8  倍,而且其质量也也不到钢材的 1/4,因此碳纤维是一种实现轻薄的理想材料。然而哈尔滨华鸿,其高昂的造价,可能也只有苹果公司能够用得起。

建筑师对轻薄的追求从未止步。然而,受制于技术、设计难度和造价,建成的既美观又稳固的轻薄建筑屈指可数。不过现在,在一项新技术的加持下,实线建筑师理想中的轻薄而平整的屋面成为了可能。

笔者在环元荡贯通桥项目中应用此技术实现了极致的轻薄效果。环元荡贯通桥(以下简称“元荡桥”)位于沪苏交界处,宛如一根丝带,联通着两岸的苏州吴江与上海青浦。

元荡桥全长 586 米,整体设计以“同心结”为理念,体现青浦与吴江两地同心共治的发展愿景。桥身造型如同一条缎带,其上揉和湖水柔波元素的桥上栏杆,与元荡湖上的盈盈水波交相呼应,形成和谐统一的生态景观体系。桥上景亭的灵感源自当地传统雕塑的太湖石景亭,犹如一颗璀璨的明珠,镶嵌于宛如玉带的元荡桥之上。景亭设计采用参数化数字建模技术,创造了既是雕塑又是游乐场的多孔墙。

四、板桁架技术介绍

板桁架是一种创新结构,通过钢材的有效利用,结合先进的精细化自动制造,形成一种工厂生产具备超强面内与面外刚度的超薄板式结构单元。这是一种基于产品化思维,通过极致设计和标准化的方式打造的一种用于轻薄屋面的技术方案,相对于传统钢结构 + 上下铝板包覆的屋面设计方案具有明显优势。

板桁架的主要特点就是超薄。之所以超薄,是运用了以下几项创新技术:

1、结构即建筑,通过机加工等多种技术,保证面层平整美观,无需另做铝板装饰,从而节省了双面 200 毫米左右的装饰层厚度。2、面层即结构,相比于分散布置的梁式结构而言,板式结构的面层钢板具备强大的刚度。3、巧妙地 W 型腹板,使得板桁架双向传力效应明显,大大提高了结构的整体效应。因此,板桁架的建筑完成厚度可以做到 50 毫米~100 毫米,边缘厚度甚至可以做到 5 毫米,比常规结构动辄 300 毫米以上的建筑完成厚度要轻薄许多。100 毫米的板桁架甚至具备 8 米的悬挑能力。板桁架的第二个显著特点是连续的无缝外观,它的无缝外观甚至优于传统的铝板装饰方案,铝板拼缝处的硅胶由于年久老化易变形变色,影响外观,板桁架结构则无此顾虑,结构完成面可代替建筑面层直接使用,可在屋面、雨棚、廊桥等结构类型中广泛应用。

板桁架的第三个优点是支点布置灵活,由于板桁架具有良好的双向传力性能,建筑师可以根据空间要求灵活的布置立柱,而不必像常规梁式结构一样必须考虑与上部结构的关系。


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