2013年12月17日 星期二

立體桁架非對稱扭轉結構之極致─水戶藝術館展望塔

【建築家/文/陳冠帆、圖片來源/陳冠帆、水戸芸術館














或許他是當時最耀眼的結構明星,也是在當時集結藝術、建築、結構的最好實證。


在1990年以鑄鋼的結構材料、立體桁架非對稱扭轉型態之姿竣工的水戶藝術館展望塔,是集結日本當時的結構家木村俊彥以及建築家磯崎新先生所共同創造融合『空間、造型、結構、景觀』的展望塔建築。展望塔的最高高度有100m之高,其內部有展望室、機械室以及垂直升降電梯以及螺旋樓梯。


這樣的塔狀結構矗立在城市中心,無論從哪個巷弄切入水戶美術館,你都可以看到它那纖細曲折的身影。即便週邊完全無高樓,只有它屹立不搖,你也完全感受不到與周邊的不協調。塔的主體結構是在外輪廓藉由螺旋旋轉所勾勒出的『扭轉三角筒狀懸臂立體桁架結構』,它的架構形狀是由一邊9.6m的正四面體,藉由28個單元排列連結而成,立體桁架的結構桿件為ψ500x21~60的鑄鋼管構造,連接合部位亦是用同一系列的鑄鋼來製造而成。
















▲由正四面體為單元堆疊而成的扭轉之塔。


當時的設計上,無論在建築或外觀上都是一大挑戰,以外觀來說,與其說是建築,還不如說是一項大型雕刻作品;材料上,考慮其獨特性與塑造性,大部分皆採用鑄鋼的材料來施作,桁架桿件與接合鑄鋼的接合全部採用現場焊接接合,對當時大量採用鑄鋼製品來施作,是非常獨特且少見的建築。


除此之外,必須採用高難度的焊接技術才能達到,因為在結構設計上,展望塔為立體桁架靜定結構,只要鑄鋼構件或現場焊接的任何一個部位無法承受耐力,就會有上部結構崩壞的可能。
















▲由鑄鋼製品所形塑出的建築雕刻作品與鑄鋼製作成型的接頭。
















▲桁架構件施工詳圖與當時的施工過程。


聽起來,結構與施工上的困難度都極高,那麼在設計上又是如何考慮的呢?


正因為施工是如此困難,當時全部的桁架桿件、鑄鋼、焊接部位都有採取較高安全係數的設計,並且追求嚴格的品質與施工管理,而在結構系統上也有它獨特巧妙之處!


不對稱扭轉的姿態下考慮質量的偏心,在巨觀上被視為垂直的懸臂結構,在地震、風的對應下都會產生連帶彎曲以及扭轉的影響,水戶藝術館展望塔是僅採用結構的剛性來抵抗外力,無任何制震裝置,內部設計成有圓筒狀的電梯核並與立體桁架結構的節點V字狀連接,則全體結構系統便形成雙重管狀結構系統(double tube)。


如此一來,便形成了有外部不對稱扭轉姿態的立體桁架,與其中心有一個垂直電梯核的雙重結構!


此外,塔基座設計三根側向支柱,對於塔而言提供了極大的穩定性控制,也可以說這樣型態的塔沒有那三根安定柱的支持便無法成立。水戶藝術館展望塔便是將這樣的設計思考融入其中的建築設計,試著讓建築與結構融合在一起,漸漸地建築本身便不僅是建築而是一件令人讚嘆的雕刻作品。
















▲SDG的結構設計師進入內部空間的對話過程。


水戶藝術館展望塔

建設地:日本次城縣水戶市

建築設計:磯崎新

結構設計:木村俊彥

施工:大成、竹中、東鐵、阿久井JV

建築面積:574.29m2

結構形式:立體桁架結構

竣工:1990年


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