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結構學要念得很好才設計得出來的懸臂竹構造橋╱來建築設計工作室

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橋,在傳統中國,是一種飽含「情」與「志」的標誌物。一方面,在鄉村造橋是一種功德或是紀念;另一方面,「橋」是一種詩情的想像,在傳統山水畫的謀篇中,是整個畫境的入口和起點。不只是物本身,橋是一個可以入畫的藝術形象,造橋是一個福祉於民的社會事件。

基地位於安徽祁門縣桃源村,一條10公尺寬的溪流貫穿村頭村尾,阻隔了村落和農田。為了便於村民去田間耕作,需要增加一座人行橋。溪流是居住和勞作的分界線,而橋則是通向田園山野的入口。後山上,毛竹密佈。用竹子建造,材料本身取之於自然,為人所用,是一種在地的營造。

© 趙奕龍

基地原貌

© 唐徐國

© 唐徐國

© 唐徐國

© 唐徐國© 唐徐國

確定了造橋的材料之後,這座橋該以怎樣的畫意呈現?

畫意

豎向挺立是重力最直白的表達,壓彎才是對重力的一種詩意的刻畫。不同於木構與石構,竹材本身就具有良好的可彎曲的韌性,而且通過人工的火烤工藝,弧線曲率變得更加可塑,為人所馭。被烤彎的竹子,隨著時間推移,會逐漸產生回彈力,這是一種天然的預應力。

施工中

橋面 ©唐徐國

如何實現一個跨度為10公尺的橋樑,簡支梁橋和拱橋是最適合的結構選型,但是河岸一側,橋頭正對兩棵樹,若要做成橋基礎無疑會破壞樹根,為了避免影響樹,選擇了懸臂樑結構。

建造中的福斯灣大橋 Forth Bridge construction, 1889(1889年興建於蘇格蘭福斯河河口上方的懸臂式大橋,長2.5公里,為 Sir John Fowler 及 Sir Benjamin Baker 設計。利用懸臂式鋼樑,支撐兩跨各為四十六公尺長的鋼架,共使用約五萬八千噸的鋼料)

德國結構學家 Carl Culmann ,在1866年就繪製了一張懸臂樑的結構主應力軌跡線。可以看到一個受到均布荷載下的懸臂樑,可以將其複雜的應力簡化為圖中的軌跡線,即當我們沿著應力線佈置成僅僅受拉或者受壓的二力桿,則達到了結構的最大效率。這也是後來工程師對結構構件進行格構化的依據和方法,比如造於1890年的福斯灣大橋即是一種鋼結構桁架懸臂樑。

剖面圖

模型圖

對比 Carl Culmann 的原圖可以發現,真實的合理主應力線其實是彎曲的,然而在工業化製作的鋼結構和混凝土結構當中,彎曲的成本較高,只能簡化為直線的三角形單元桁架。竹子的彎曲特性,可以更加接近合理應力線,比起工業化的材料更具有一種理性的優勢。

內力恆載軸力

內力恆載彎矩

通過對竹橋建模和結構計算可以看出,每一根竹竿的彎矩被很好得平均分佈在整根竹竿,而軸力則是逐漸遞增。符合材料的屬性和應力分配的設想。

© 趙奕龍

© 趙奕龍

© 趙奕龍

橋面扶手同橋身融為一體,成為主要的結構高度,而橋面較為平緩,利於行走。橋身上弧線的為受拉桿件,直線的為受壓桿件,有效避免了竹子受彎不利的弱點。竹結構的節點是核心技術問題。通過鋼片加強以及竹筒中用混凝土灌漿來加強節點,另外增加不鏽鋼抱箍解決了竹子日久開裂強度下降的問題。

© 唐徐國

© 唐徐國

最終,竹構懸臂橋,僅靠竹子的力量,自一岸飛架而出,直達對面,形成懸岸飛橋的畫面。橋的端頭同對岸脫開,猶如「斷橋」,強化了懸臂這一結構形式的奇觀感,形成了一種因結構張力而產生的戲劇性。

>>相關資料

作品名稱:

作品位置:中國安徽省黃山市祁門縣閃里鎮

建築師:來建築設計工作室

面積:20 平方公尺

完成年份:2019年

主持建築師:馬科元

結構顧問:常江

設計團隊:龔澄瑩,陳運,胡霄玥

攝影:唐徐國,趙奕龍

業主:祁門皖農旅遊投資發展有限公司

竹結構施工:上海境道原竹建築設計工程有限公司

竹亭 ©唐徐國

總平面圖

平面圖軸測圖

施工過程

施工過程

節點圖

節點圖

模型圖

施工中

施工中

施工細節

施工細節

施工細節

施工細節

 


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