杭州桁架制作搭建(轻薄屋面的结构实现方法 - 板桁架技术)

Posted 2023-05-29

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杭州桁架制作搭建(轻薄屋面的结构实现方法 - 板桁架技术)

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”。

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，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。

图 1 1998年世博会设计的葡萄牙馆

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42m，由中心至挑出端21m。结构的主要荷载由4组跨度为32m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4cm厚，V形交叉拱最厚处仅为12cm厚。

图 2 霍奇米洛克餐厅（Los Manantiales Restaurant）

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8-10m，直接降为0.5m以内。为其研发的缆索直径70mm，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。

图 3 国家速滑馆

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。

图 4 妹岛和世海之车站

妹岛和世在2009年为英国伦敦蛇形画廊展览设计的亭子，采用了15mm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。

图 5 蛇形画廊

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。

图 6 良渚文化艺术中心

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，其高昂的造价，可能也只有苹果公司能够用得起。

图 7 史蒂夫剧院

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。

图 8 元荡桥连通上海青浦与江苏吴江两地

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。

纵观整座元荡桥，景亭雨棚是它最大的亮点。整个雨棚轻薄如飘带，在全长77m、端部悬挑4m的情况下，其厚度竟仅为100mm，边缘区域的厚度甚至缩小到了仅仅6mm。配合直径89mm的极细支撑柱，远远望去，这座雨棚犹如一页被精心裁剪的宣纸漂浮于桥面纸上，薄如蝉翼，振翅欲飞。整个雨棚几乎看不见任何显眼的接缝或横梁，好似没有重量般地落在立柱之上，其对于“轻薄”与“平整”的体现远胜于之前提及的案例。为什么这悬挑4m的雨棚能做到几乎看不到厚度、看不到结构？这是因为该项目的结构设计师采用了一种可以同时胜任这两项要求的新技术：板桁架。

图 9 景亭空中视角

图 10 景亭雨棚薄如蝉翼

图 11 景亭建筑图设计示意

板桁架技术介绍

板桁架是泰大创新的一种创新结构技术产品，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。

图 12 板桁架横断面传力示意图

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：

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200mm左右的装饰层厚度。
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。
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50mm~100mm，边缘厚度甚至可以做到5mm，比常规结构动辄300mm以上的建筑完成厚度要轻薄许多。100mm的板桁架甚至具备8m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。

对于造价与工期而言，相对于传统结构体系，板桁架在结构上面的支出虽然有所增加，但由于节省了装饰铝板的费用，综合造价基本不会增加。而且简单的现场工序可以大大降低甲方的工程管理复杂度，减少管理成本。板桁架采用标准化预生产，现场施工结构完成即宣告建筑完成，省却铝板装饰工序，现场施工工期亦可缩短50%。

正因超薄的厚度、丝滑无缝的表面与灵活的布置方式等凸出的优势，板桁架技术近几年便开始在许多新建的建筑项目里大放光彩。

图 13 两种结构的断面示意图

方案一

方案二

图 14板桁架方案示意

图 15 板桁架悬挑长度与厚度示意

图 16 采用“板桁架”技术的杭州绿景堂雨棚

图 17 采用板桁架技术的某售楼处屋面（施工阶段）

图 18板桁架实体示意

产品化的板桁架技术，使轻薄屋面的实施变得简单

板桁架技术可最大程度实现建筑师对于轻薄的追求。为了使板桁架技术在更多的项目中发挥其轻薄的优势，我们将板桁架技术进行了产品化打造，大大降低了轻薄屋面的使用门槛。对于建筑师而言，在设计方案时变得简单，可以假定屋面为一块刚度很大的薄板，根据空间需要布置若干柱子即可。

图 19 板桁架典型设计

首先将结构设计标准化，建立设计库，将部分标准化工作前置，借助高级分析软件编制有限元计算程序；同时，通过遗传算法获取最优的立柱布置方案，可最大程度的在建筑创作过程中快速评价结构的合理性和可实现度。

其次将生产标准化，通过定制专用焊接设备，使得在保证焊缝质量的同时，可以做到自动化生产，降低生产成本，缩短生产工期。

通过结构设计及生产环节的标准化工作，具体项目设计和施工过程中，都可以较为快速的推进项目，使的超薄结构并不会由于难度过大而难产。

总结

建筑的本真美，是材料通过技术手段与重力的抗衡方式之美。纵观人类历史，建筑形制的改革，背后的力量是材料的发展和技术手段的进步。越来越轻薄的结构，事实上反应的是越来越高强度的建筑材料和越来越集成的技术手法。板桁架，是一种技术，更是建筑师回归建筑本质的一条必然之路。它所能释放的力学自由，是一种时代性的设计手法升级，我们希望运用这种技术和更多的建筑师一起探寻建筑理性的本质和感性的可能。