1、为什么要做到轻薄化？
在建筑的历史发展中，结构与建筑的统一、技术与美学的融合是主线，从中国建筑符号“斗拱”对地震的影响，到西方哥特式建筑力学、力学、或语言的完美传导逻辑，结构工程一直是建筑的核心语言之一。
20世纪以来，战争、机械、航空、计算机等引发了材料科学的大发展，一个必然的逻辑开始引领建筑界震动，那就是高强度的材料、高精度的优化设计必然会带来建筑的轻量化，甚至可以说，建筑的“轻量化”是时代进步的综合体现。
山西五台佛光寺东殿外檐角石（唐）：七块重顶重底石
齐翼先生在其毕业论文《多维视角下的当代建筑轻量化创作研究》中，从科技进步与环境保护的角度，基于这一逻辑给出了结论，即：建筑师在新材料、新技术的支持下，对于空间秩序的追求逐渐演化为对砌体与建造方式的探讨，并在自然环境日益恶化的背景下，寻求建筑的可持续性，减少对环境影响，这是建筑可持续性回归的动态过程。
巴黎圣母院
同一时代的休·达顿（Hugh Dutton）在其《结构与建筑的一体化方法》一文中主张，建筑表皮的设计方向应该是基于力学逻辑的更薄、更轻，其论文提出了一对新的“结构”与“覆盖层”的概念，类似于“骨架”与“表皮”的关系，“结构”是承受力学荷载，而“覆盖层”则覆盖在结构上，阻挡雨水等环境干扰。同时，文章指出了20世纪中期建筑表皮的基本规律——“结构-覆盖层一体化”：在计算机的帮助下，建筑表皮可以同时承受传导力和抵抗外界环境的影响。这一进步，为建筑立面和屋顶的减薄提供了力学逻辑支撑。
可以总结的是，追求更薄的结构，其实是对结构和材料回归建筑本质的逻辑探索。社会的分工让当代建筑和结构工程成为两个独立的学科。但毫无疑问，回归设计的理性需要两者的完美融合。设计更薄的屋顶和立面，某种程度上是结构理性主义世界的一次“文艺复兴”。
巴黎圣母院，来源：维基百科
2. 如何实现薄屋顶
1998年世博会设计的葡萄牙馆，是一场轻质结构实验的嘉年华。主办建筑师阿尔瓦罗·西扎面朝大海，最终与著名结构工程师塞西尔·巴蒙德合作，形成大跨度、无柱的框架结构，两大领域共同打造出建筑的哲学回归。这个屋顶充分利用了混凝土材料的极限，采用类似悬索桥的结构，在混凝土中加固钢缆，使得3500平方米面积的屋顶厚度仅有20厘米。观者在下方感受不到结构的大小，只有在屋顶与门廊的交界处，才能一窥结构的轻盈。
1998 年世博会设计的葡萄牙馆
© 佩德罗·莫拉·皮涅罗
© 佩德罗·莫拉·皮涅罗
剖面图
费利克斯·坎德拉 (Felix Candela) 于 1958 年设计的 Los Manantiales 餐厅就是薄混凝土壳体的典范，这种壳体可实现轻型屋顶。结构的主要荷载由四组跨度为 32 米的十字拱（由四个双曲抛物面相交而成）承担，它们汇聚在中央顶点。“花瓣”上没有边梁，顶部最薄的部分由混凝土制成。壳体厚度仅为 4 厘米，V 形十字拱最厚处厚度仅为 12 厘米。
Restaurante Xochimilco © Flickr 用户 Duncan c
霍奇米尔科餐厅，来源：维基百科
屋顶平面图
从形态上讲要获得轻薄的大跨度屋盖，马鞍形屋盖是最典型的代表，国家速滑馆的柔性屋盖是其最新的应用案例，其地面结构由马鞍形屋盖、巨型环桁架、下部看台及车库组成，全场混凝土结构。整个场馆长225米，宽174米，如此大的钢网，如同羽毛球拍一般，将屋盖结构从8-10米延伸到10米，直接缩减到0.5米以内。为其研制的拉索直径达到70毫米，采用高钒闭口拉索，强度达到1570MPa，最终让全球最大索网体育场成为可能。
国家速度滑冰馆
国家速度滑冰馆
3. 轻薄弧形屋顶
然而屋顶弯曲时如何实现轻薄一直都是难题，建筑师和工程师往往要借助一些辅助手段才能达到效果，结构侧边设计极度纤薄的钢梁，让屋顶变得极薄，可惜的是，为了保持屋顶的稳定性，屋顶底面设计成网格状而非绝对的平面，就像大多数工业风格的建筑一样。
姊妹岛和世界站 © Iwan Baan
姊妹岛和世界站 © Iwan Baan
姊妹岛和世界站 © Iwan Baan
妹岛和世2009年为英国伦敦蛇形画廊展览设计的展馆，采用15mm实心铝合金板作为屋顶，并采用密集立柱，使屋顶变得极轻极薄。但铝合金屋顶焊接工艺复杂、成本高、刚度低、缺乏配套的防火方案等原因，难以大规模复制。
© 伊万·班
© 伊万·班
© 伊万·班
有些情况下，建筑师更注重视觉效果，如日本建筑师安藤忠雄在良渚文化艺术中心项目中，采用了变截面屋顶，只露出屋顶细长的边缘，厚重的屋面结构隐藏在体量中部，从而达到视觉上轻薄的效果。
良渚文化艺术中心
© 石正
© 石正
© 石正
史蒂夫剧院采用了高科技材料——碳纤维，实现了屋顶的轻薄化。碳纤维不仅抗拉强度高达3000MPa，是传统Q355钢材强度的8倍，而且质量还不到钢材的1/3。因此，碳纤维是实现轻薄化的理想材料。不过，其高昂的成本或许也只有苹果才能承受得起。
史蒂夫剧院 © Foster + Partners
© 福斯特建筑事务所
© 福斯特建筑事务所
史蒂夫剧院
建筑师对“薄”的追求从未停止。然而，由于技术限制、设计难度和建造成本等原因，兼具稳重与美观的“薄而美”的建筑屈指可数。但现在，在一项新技术的帮助下，实线建筑师理想的“薄而平”屋顶成为可能。
笔者将此技术运用在了环园荡贯通桥项目中，实现了极轻极薄的效果，环园荡贯通桥（以下简称“筼筜桥”）位于上海与江苏交界处，犹如一条丝带，连接着两岸的苏州、吴江和上海青浦。
筼筜大桥连接上海青浦和江苏吴江。图片由 BAU 提供 © 朱润子
筼筜桥全长586米，整体设计以“心结”为理念，体现青浦与吴江携手共进的发展愿景。桥身呈缎带状，桥面与湖面柔波相融，栏杆与筼筜湖面的涟漪相呼应，形成和谐统一的生态景观体系。桥上凉亭的设计灵感来源于当地传统雕塑太湖石亭，犹如一颗璀璨的明珠镶嵌在如玉带般的筼筜湖上。凉亭设计运用参数化数字建模技术，打造出一面既是雕塑又是游乐场的多孔墙。
静廷建筑设计
静亭鸟瞰图，图片由BAU提供 © 朱润子
放眼整个筼筜大桥，敬亭雨棚是其最大的亮点。整个雨棚薄如丝带，全长77米，末端悬挑4米，厚度仅有100毫米，局部区域厚度甚至缩减到只有6毫米，配合直径89毫米的极薄支撑柱，从远处看，雨棚仿佛一张精心裁切的宣纸漂浮在桥面上，薄如蝉翼，颤动中整个雨棚几乎看不到接缝和横梁，仿佛毫无重量地落在柱子上，其体现的“轻”与“平”远胜于前面提到的几个案例。这个4米悬挑雨棚，是如何做到如此厚实、无结构，几乎看不见的？这是因为该项目的结构设计师采用了一种可以同时满足两种要求的新技术：板桁架。
展馆的顶棚薄如蝉翼。图片由BAU提供 © 朱润子
4.板桁架技术介绍
板桁架是泰达研发的创新结构，通过钢材的有效利用，结合先进的精细化自动化制造，形成工厂化生产的超薄板结构单元，具有超强的面内、面外刚度。基于产品思维，通过极致设计、标准化打造的薄屋面技术解决方案，较传统钢结构+上下铝板包覆屋面设计具有明显的优势。
板桁架横截面传力示意图
板桁架的主要特点是超薄悬挑式钢结构玻璃雨棚，其原因在于采用了以下创新技术：
1、结构即为建筑物，通过机械加工等工艺，保证表面平整美观，无需额外进行铝板装饰，从而节省了两侧约200mm的装饰层厚度。
2、面层为结构，与分散梁结构相比，板结构表面钢板的刚性更强。
3、巧妙设计的W型腹板，使板桁架的双向传力效果明显，大大提高了结构的整体效果。
因此板桁架的成品厚度可以为50mm至100mm，边缘厚度甚至可以做到5mm，比常规结构成品厚度300mm以上要薄得多，大大提高了板桁架的悬垂能力。
板桁架的第二个显著特点是连续无缝的外观，这一点比传统的铝板装饰方案更加出色。铝板接缝处的硅胶容易因老化而变形、变色，影响美观。而板桁架结构则没有这样的顾虑，结构加工后的面层可直接代替建筑面层，可广泛应用于屋顶、雨棚、廊桥等结构类型。
板桁架的第三个优点是支撑点布置灵活。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需求灵活布置柱子，而不必像常规梁结构那样考虑与上部结构的关系。
两种结构横截面示意图
在造价与工期方面，与传统结构体系相比，虽然板桁架增加了结构支出，但由于节省了装饰铝板成本，整体造价不会增加，加之现场工序简单，可大大缩短施工时间，降低项目管理复杂度，减少管理成本。板桁架采用标准化预制，现场施工结构完成后即完成建筑，省去了铝板装饰工序，现场施工工期可缩短50%。
板桁架技术因其厚度超薄、面层光滑无缝、布置灵活等突出优势，近年来在不少新建建筑项目中开始大放异彩。
板桁架方案图1
板桁架方案图2
板桁架悬臂长度及厚度
杭州绿景堂雨棚采用“板桁架”技术
售楼处屋顶采用板桁架技术（施工阶段）
板桁架实体图
5. 产品化的板桁架技术让薄屋面实现变得简单
板桁架技术可以最大程度地实现建筑师对于轻薄的追求，为了让板桁架技术在更多的项目中发挥出轻薄的优势，我们将板桁架技术进行了商业化，大大降低了轻薄屋顶的使用门槛，对于建筑师来说，设计变得简单，可以把屋顶看作是一块刚度很大的薄板，根据空间需求布置若干根柱子即可。
首先对结构设计进行规范，建立设计库，提前做好一些标准化工作，借助高级分析软件编制有限元计算程序；同时通过遗传算法得到最优的柱布置方案，在建筑创作过程中可以最大程度地快速评估结构的合理性、可行性。
其次，生产将实现标准化，通过定制专用焊接设备，可以在保证焊缝质量的同时实现自动化生产，降低生产成本，缩短生产时间。
通过结构设计、生产环节的标准化，使得项目在具体项目设计、施工过程中能够相对快速的推进，不至于造成超薄结构因难度过大而难以生产。
板桁架的典型设计
六、结论
建筑真正的美是材料通过技术手段对抗重力的美。纵观人类历史，建筑形式的改革都是由材料的发展和技术手段的进步所驱动的。改变的是越来越高强度的建筑材料和越来越综合的技术方法。板桁架是一种技术悬挑式钢结构玻璃雨棚，也是建筑师回归建筑本质的必然方式，它所能释放的力学自由是一种时代设计方法的升级。我们希望利用这种技术与更多的建筑师一起探索建筑的理性本质与感性可能性。
