【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）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。

日出時分的弦閣正面。

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。

上／膠合層壓曲木樑的現場組裝過程。下／膠合層壓曲木樑的預製過程（左），可重複使用的膠合層壓曲木樑模具（右）。

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。

上／木質屋頂安裝過程。下／《弦閣》內部。

《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。

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