建築
[ Architecture ]
【綠建築】弦閣:應用數位設計工具降低成本,實現兼具美感及永續的木構展亭
《弦閣》(KATENARA)是由香港大學建築學院Building Simplexity Lab(BSL)所設計,並與國立陽明交通大學在臺灣合作建造的一座展亭,藉著探索創新的方法和演算法,並運用膠合層壓曲木樑,創建了一座結構優美、適應低技術環境且永續的木構展亭,勾勒出這種新型建築模式令人嚮往的設計願景。
《弦閣》(KATENARA)於2023年11月在台中東勢林業文化園區完工,選用了強韌且永續的台灣柳杉為主要材料。展亭外形獨特,其設計特點是優雅的雙曲木屋頂表面,由兩根環形膠合木環樑和十根弧形近懸鏈狀的膠合木樑組成,與木板屋頂形成一個雙彎曲的外殼,在兩個點上保持平衡,並透過將整個結構錨定到地基的拉索固定到位。
這個專案旨在研究如何運用尖端的演算法,將施工的複雜程度減至最低,創造出結構最佳化且永續的弧形膠合木建築。《弦閣》是香港大學建築學院Building Simplexity Lab(BSL)大型設計研究專案的一部分,目的是將數位設計工具與實際建築相連結,特別希望能應用於發展中國家,在資源有限的環境實現創新且永續的木構建築。
膠合層壓木樑的訂製模具成本高昂
《弦閣》採用懸臂屋頂結構系統,以獨特形狀的膠合木樑為特色,其膠合層壓木梁的獨特形狀是經過演算法優化,適合於低技術環境中生產,這個高效且節省材料的系統,為傳統梁柱結構提供了一個環保的替代方案。透過簡化製造過程,並以演算法將所需的昂貴硬體設置數量降至最低,擴大了這種木構建築設計解決方案的實用範圍,並提倡使用木材作為可持續的低碳建築材料。
建築師和工程師一直在探索如何運用幾何學來降低建築成本,並且創造出穩固且美觀的空間。位於美國北卡羅來納州的多頓體育館(J. S. Dorton Arena,Matthew Nowicki, 1952年)、美國耶魯大學內的英格斯溜冰場(David S. Ingalls Rink,Eero Saarinen,1958年)和日本東京代代木國家體育館(丹下健三,1964年)等世界著名建築物,都以輕型懸掛鋼纜或鋼構件作為屋頂的結構系統,其使用的建材如混凝土、鋼和木材等,均有各自的優缺點。近年,作為大型屋頂結構建材之一的膠合層壓木樑(glulam),因其環保和永續性備受業界關注;然而,使用膠合層壓木樑興建大型屋頂結構,或要實現複雜的建築外形,訂製模具的成本昂貴,成爲其發展侷限。
運用演算法及數位設計工具,簡化製作和安裝
《弦閣》所面對的挑戰主要在於既要保持建築完整性,同時又要降低建築成本,最終這個專案展示了演化算法在簡化非標準、輕量懸鏈木結構方面的潛力。《弦閣》的雙曲面木屋頂由兩個環形和十個近懸鏈形的膠合層壓樑組成,並由鋼纜加以固定;參數化工程軟體優化了懸鏈樑的數量和間距,同時將設計改良,使其易於在低技術環境中實踐。本案選用強韌且具永續性的臺灣柳杉為主要材料,環形樑的切面優化為160mm x 100mm,懸吊樑的切面則為60mm x 90mm。
團隊制定的進化演算法,使所有膠合層壓曲樑都可以使用單個預製模具來製造,大幅減少所需模具至僅佔總木工成本的19%,總體生產成本降低將有助提高永續木構建築的普及性。此外,精準的參數化鋼構件簡化了屋頂與懸吊樑之間的連接,便於簡單製作和減少現場安裝的複雜程度,《弦閣》主體結構的現場組裝僅需3小時便完成。團隊另外還增加了屋頂物料層和環樑的細節,以延長木材使用壽命。
《弦閣》作為首個在低技術環境中建造的懸掛膠合層壓屋頂結構的實例,為未來更具創意的建築設計奠定基礎,尤其在發展中國家的建造環境,成本效益和永續發展都至關重要。《弦閣》展示了進化演算法如何改變建築設計和施工,不僅可作為日後類似專案的參考,更為建築師和工程師提供嶄新智能優化工具,能夠創建外形獨特、高效能結構且永續的建築,從而突破現代建築的界限。
關於《弦閣 KATENARA》
KATENARA由Catenary和Ara兩詞彙組成,Catenary指構建展亭的彎曲木樑,形如在兩支點間自由懸掛的弧形懸鏈線。拉丁語中Ara意味祭壇、聖堂、家或避難所,象徵展亭作為遮蔭場所,讓參觀者得以在此享受自然風光。
弦閣,「弦」同「懸」聲,象徵有二:懸鏈狀的木樑;維持展亭結構平衡的鋼索與木樑組成弓弦。「閣」多建於園林風景優美處,意指在山巒和丘陵上提供休閒和欣賞風景的休憩場所。命名同時寓意展亭在建築上的創新,以及其作為參觀者的避世之所。
Building Simplexity Lab(BSL)由香港大學建築學院的高仕棠教授(Professor Kristof Crolla)創立,反思數位設計工具可否以不同方式運用於當代環境、社會和經濟永續發展的建築領域上,藉以使數位設計更適用於實際施工情況,同時擴展設計上的發展空間,在以人為本的施工模式上,以最簡單的方法解決與數位化設計相關的施工難題。
Project Info
作品資訊
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弦閣Katenara
業主:農業部林業及自然保育署臺中分署
地點:台灣台中市東勢林業文化園區
完成時間:2023年11月
設計研究:香港大學建築學院 Building Simplexity Lab
合作者:國立陽明交通大學建築所
計畫主持人:高仕棠Kristof Crolla
偕同計畫主持人:侯君昊
專案負責人:黃朗軒
專案團隊:高仕棠、黃朗軒、許倍銜、侯君昊、鄭宇彤
結構工程:原型結構工程顧問有限公司
木材製造:國立臺灣大學實驗林水里木材利用實習工廠
金屬製造:國立陽明交通大學機械系實習工場
營建:藝創木構
材料支援:農業部林業與自然保育署