187公尺長的屋頂下方沒有任何一根承重柱!台北捷運劍潭站用吊橋結構原理撐起全球最具辨識度的車站天花板
台北捷運淡水信義線劍潭站(R15)1997年通車啟用,因站體橫跨寬達40公尺的劍潭路,月台層結構無法承載淡水線中式造型屋頂的重量,工程團隊採取懸索式無柱結構,以兩座約31公尺高的混凝土塔門(pylon)搭配鋼纜系統,將長187公尺、寬16公尺的預鑄混凝土屋頂懸吊在半空中,月台層完全無承重柱,視野極為通透。建築設計由捷運總顧問美國捷運公司(ATC)負責,林同棪國際工程顧問公司(T.Y. Lin International)執行結構細部設計,互助營造施工。風洞試驗在美國科羅拉多州立大學分三階段進行,為解決共振風險加裝8支黏彈性阻尼器(VE Damper)。該站獲1997年中華民國建築師雜誌獎特別獎,並被國際媒體評選為全球十大最酷地鐵站之一。
一座不得不「吊」起來的屋頂
台北捷運劍潭站的懸吊式屋頂,並非設計者一開始就想追求的造型效果——它是一個工程問題的解答。劍潭站(工程編號R18A)位於原台鐵北淡線與劍潭路交叉口,站體必須橫跨路幅達40公尺的劍潭路。淡水線高架車站統一採用重新詮釋傳統建築語彙的造型設計,以鋼材再現斗拱、橫梁等木構意象,屋頂使用波浪鋼板模擬筒瓦效果。然而劍潭站的月台層載重有限,傳統中式屋頂的重量無法直接加蓋於月台層上,若在40公尺寬的道路上大量落柱更不切實際。結構團隊提出的解法是:把屋頂與月台層結構徹底分開,以類似吊橋的纜索結構把屋頂懸吊起來。
ATC、林同棪與互助營造的分工
劍潭站的設計與施工涉及跨國合作。建築設計由台北捷運總顧問——美國捷運公司(ATC, American Transit Consultants)負責,結構細部設計交由林同棪國際工程顧問公司(T.Y. Lin International)執行,施工則由互助營造承攬。屋頂板採預鑄混凝土一體成型,結構系統由四部分組成:預力混凝土屋頂(Roof)、懸吊屋頂的鋼纜系統(Suspension System)、支承鋼纜的門型支架——即兩座高約31公尺的塔門(Pylon),以及支承塔門與錨碇鋼纜的基礎(Foundation)。完成後的屋頂長約187公尺、寬約16公尺,月台層上方沒有任何一根承重柱,只有少量連通電氣線路的細柱,候車空間的通透感是淡水線其他車站無法比擬的。
20層逐層澆置的混凝土塔座
兩座塔門是整套懸吊系統的核心支撐,並非一次施工完成。工程師將混凝土分為20層逐層澆置,每一層硬化後才進入下一層,確保塔門在自重持續增加的過程中維持結構穩定。塔門的造型在視覺上被轉化為龍舟意象——這也是捷運局暱稱劍潭站為「龍船站」的由來。另有一說認為,懸索結構以吊橋造型為設計概念,紀念基隆河截彎取直前附近曾存在的士林吊橋。無論參照的原型是龍舟或吊橋,塔門的量體比例與屋頂弧線之間的關係,使劍潭站成為淡水線上辨識度最高的車站。
7區屋頂施工與110股鋼絞線的精密預力
屋頂並非一體灌注,而是先搭起臨時支撐系統,再將預鑄混凝土屋頂分成7個區域逐步完成——如同組裝大型藝術品般逐片就位。主角是鋼絞線(steel strand):主索上段最多使用110股鋼絞線,透過精密施加預力(prestressing),讓整套懸吊系統達到受力平衡。屋頂重量向下傳遞的同時,兩側設置背拉索(backstay cable),每側施加數百kN預力,將巨大的拉力穩穩傳回基礎結構中的錨座。整套系統包含2條平行主吊索、26對垂直吊索、兩座龍門架與4座背拉索錨座,環環相扣。
12支千斤頂的20階段微調操作
施工過程中最關鍵的步驟,是將屋頂重量從臨時支撐轉移到主索上。工程師使用6組共12支千斤頂(hydraulic jack),歷經20個調整階段,一點一點微調主索弧度與受力分布,直到屋頂重量完全由懸吊系統獨力承擔。每一個調整階段都伴隨精密的應力量測與位移監控,因為預力的施加順序與大小會直接影響屋頂的最終幾何形狀。最後一步是拆除臨時支撐——這個瞬間,187公尺長的屋頂正式由鋼纜系統懸掛於半空中,結構力學在這裡直接轉化為建築美學。
科羅拉多州立大學的三階段風洞試驗
懸吊式屋頂天生對風力敏感。劍潭站在設計階段委託美國科羅拉多州立大學(Colorado State University)進行三階段風洞試驗:第一階段使用1:75比例的斷面模型(sectional model),測試屋頂在不同風速下的氣動力特性;第二階段以1:120比例建造含車站周邊地形的模型;第三階段再以1:120比例製作完整的三維空間模型,納入周邊所有結構物與地形。試驗結果揭示了一項風險:當一列列車停在月台北方軌道上、風速達到112.7公里/小時時,屋頂將因共振而產生晃動。在不改變造型結構前提下,工程團隊決定加裝被動式阻尼系統。
8支黏彈性阻尼器守護搖晃的屋頂
最終安裝在月台與屋頂之間的,是8支黏彈性阻尼器(Viscoelastic Damper, VE Damper)。VE 阻尼器透過高分子黏彈性材料的剪切變形將機械能轉化為熱能,有效吸收風力誘發的振動。這項技術並非首度用於建築——紐約世界貿易中心雙塔早在1969年就安裝了VE阻尼器抗風,西雅圖的 Columbia SeaFirst 大樓也是著名案例。但劍潭站是全球較早將VE阻尼器應用於懸吊式屋頂結構的案例之一,1994年即被國際工程期刊收錄為抗風應用的參考實例。阻尼器被巧妙藏在月台上的照明燈柱內,從外觀上幾乎看不出它們的存在。
傳統建築語彙的現代結構轉譯
劍潭站的造型設計延續淡水線高架車站「以新材料新工法重新詮釋傳統建築」的理念,保持台基(川堂層基座)、屋身(月台層柱列)、屋頂(懸吊屋蓋)三段式構成。與其他淡水線車站採懸山式屋頂不同,劍潭站屋頂兩側邊緣設計了燕尾翹脊——外國觀者對中國建築屋頂最鮮明的印象,往往就是那對細長延伸向天際的燕尾。懸索式屋頂搭配龍舟塔門,把這種視覺意象放大到極致。屋頂採綠色,呼應周邊山巒;鋼纜接頭與屋面以成型鋼綠色金屬板覆蓋;梁、柱、地板用中性灰白色系襯托貫穿川堂與月台的紅色管線槽,作為淡水線(紅線)的自明辨識標示。
近30年的監測與地標的下一章
劍潭站1997年3月28日通車,獲頒同年中華民國建築師雜誌獎特別獎,後被國際媒體評選為全球十大最酷地鐵站之一,也曾成為台北捷運主題郵票的代表圖案。懸吊系統自啟用以來持續接受結構安全監測,歷經多次定期檢查維修,並於2021年建置自動化監測系統,涵蓋屋頂懸吊系統、混凝土錨座及8座阻尼器。如今,劍潭站東側正在興建由大陸工程與闕河彬建築師事務所共同承攬的多目標大樓——地上16層、地下3層,預計2028年完工——這座新建築如何在龍舟塔門旁確立自己的存在,而不遮蔽近30年來已成為台北天際線一部分的懸索屋頂,將是下一道必須回答的都市設計課題。