國外文化建筑中裝配式外圍護系統(tǒng)設(shè)計

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摘要：通過研究與分析國外裝配式文化建筑典型案例，文章總結(jié)了國外當(dāng)代文化建筑如何運用裝配式建筑技術(shù)實現(xiàn)建筑造型。通過研究案例在外圍護系統(tǒng)的造型設(shè)計、墻身構(gòu)造設(shè)計、材料選用與組合方面的規(guī)律，得出國外文化建筑中裝配式外圍護系統(tǒng)一般采用方案模塊化、單元標(biāo)準(zhǔn)化、材料靈活化的設(shè)計方法，最終借助裝配式建筑手段實現(xiàn)建筑理念。

關(guān)鍵詞：裝配式；預(yù)制建筑；文化建筑；建筑設(shè)計008

引言

文化建筑常作為一個城市的文化名片，其外形承載著重要的地標(biāo)屬性，因而建筑師在文化建筑的外圍護系統(tǒng)設(shè)計上多具巧思。將裝配式建筑技術(shù)應(yīng)用在文化建筑的外圍護系統(tǒng)中的設(shè)計思路無疑滿足了建筑師對力與美的極致追求，也是全球范圍內(nèi)建筑工業(yè)化的大勢所趨。文章針對國外當(dāng)代文化建筑進行了廣泛調(diào)研，從眾多項目中總結(jié)出一定設(shè)計規(guī)律并進行拆解分析。

1裝配式建筑設(shè)計技術(shù)

1.1外圍護與結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計

沖繩國家大劇院（OkinawaNationalTheatre）竣工于2003年，其體現(xiàn)出的利用大型預(yù)制構(gòu)件實現(xiàn)外圍護與結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計思想時至今日仍有借鑒意義。其特點為：（1）外表皮為單元母題的模塊化設(shè)計；（2）外表皮裝飾與結(jié)構(gòu)一體化；（3）外墻采用預(yù)制混凝土，而非現(xiàn)代熟識的幕墻結(jié)構(gòu)。設(shè)計之初即確立單元母題。沖繩國家大劇院受當(dāng)?shù)胤课莸膯l(fā)，從一種稱為chinibu的傳統(tǒng)竹編格柵外墻（形似中國竹籬）中提取菱形母題，又由于設(shè)計師高松希望為建筑賦予花朵一樣的生命力，因而將建筑立面塑造成外張的曲面，因此外墻單元模塊進一步成為具有一定曲率、上薄下厚的形狀并進一步劃分成外墻單元模塊。在施工工藝方面也頗為考究。該單元模塊為三維曲面，傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土需要現(xiàn)場支模，而常規(guī)磨具精度不夠且難以保證連續(xù)性和曲率的一致性，因此采取了預(yù)制混凝土構(gòu)件的方式。負(fù)責(zé)建造的日本承包商P.S.三菱建筑股份有限公司采用了PCa.PC拼裝結(jié)構(gòu)技術(shù)進行建造。Pca外墻板的形狀優(yōu)美，帶有連續(xù)的白色對角網(wǎng)格，在底部拱形預(yù)制有琉球石灰?guī)r飾面（高耐鹽耐腐蝕性）。每個預(yù)制混凝土構(gòu)件長12m，寬1.9m，重達(dá)31噸。由于外墻本身也是結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件，因此做成預(yù)應(yīng)力預(yù)制構(gòu)件，由于構(gòu)件體型龐大，采用了先張法和后張法結(jié)合的方式，即：首先在澆筑過程中先張緊每個構(gòu)件，然后在安裝后通過二次張拉將整個表面拉緊在一起。由于構(gòu)件形狀復(fù)雜，加之對安裝精度要求極高，為避免運輸和存儲損傷，所有的預(yù)制混凝土構(gòu)件都采用了在施工現(xiàn)場預(yù)制的生產(chǎn)方式。建筑設(shè)計的單元模塊還需要根據(jù)生產(chǎn)工藝被進一步細(xì)分為便于生產(chǎn)安裝的單元模塊。每個單元模塊通過內(nèi)部預(yù)應(yīng)力鋼筋的二次張拉被拉結(jié)壓緊，形成一個能夠抵抗表面外力的預(yù)應(yīng)力曲面板。組合后的曲面板的底部用銷釘固定，頂部用特制鋼龍骨固定于三層的橫梁。值得一提的是，由于單元模塊是通過預(yù)應(yīng)力鋼筋相連，因此需要保證鋼筋通道的連續(xù)性，因此不同單元模塊孔道對位和連結(jié)精度非常重要。

1.2表面肌理精細(xì)化的設(shè)計

對于特殊項目或項目中的特征性部位，如外立面、特殊造型、特殊功能部位等，若采用混凝土等模制材料，建筑師的設(shè)計重點需要從“設(shè)計體塊”分一部分到“設(shè)計模板”中。定制模板的預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計和使用相對小眾，靈活性更高，成本也會相應(yīng)提高，往往由設(shè)計師和甲方主導(dǎo)。若在設(shè)計之處即對模板的形狀和工藝都考慮得當(dāng)，將會產(chǎn)生特殊而精致的立面肌理。喬班基金會-建筑繪畫博物館（TchobanFoundation-MuseumofArchitecturalDrawing）即為在外表皮采用特殊模板定制的預(yù)制構(gòu)件實現(xiàn)浮雕肌理效果的文化建筑。具體做法如下：外墻是由防水的彩色預(yù)拌混凝土制成的預(yù)制混凝土面板。從外向內(nèi)，構(gòu)造層依次為：0.27m厚防水混凝土、0.10m厚泡沫玻璃絕緣層、0.05m厚砂石灰磚砌塊、0.015m厚石灰水泥砂漿抹面。石灰磚砌塊和石灰用于調(diào)節(jié)室內(nèi)水分，而混凝土和泡沫玻璃用于隔絕室外水分。沙黃色表面是通過預(yù)制混凝土添加彩色顏料制成的，為此需要預(yù)先制作大量混凝土樣本測試顏色。外墻利用硅樹脂基質(zhì)獲得浮雕狀表面。首先對需要浮雕的圖樣進行數(shù)字化處理，提取出線條，以便制造。再用CNC機床將圖案刻印到纖維板上作為底版，然后倒入液態(tài)塑料，形成陽模。隨后將陽模粘貼到刨花板上，再將組合后的刨花板附著于系統(tǒng)模板，用硅樹脂密封二者接縫并封邊后，成為最終模板。最后在模板中連續(xù)澆筑混凝土，同時注意排除偏差。張拉錨的位置與圖案協(xié)調(diào)并精確定位。脫模后，用顏色與整體一致的纖維水泥封閉錐封閉錨孔。最后在表面涂刷納米保護層，使裸露的混凝土墻免受污染。

1.3單元模塊復(fù)雜化的設(shè)計

文化建筑中外形具有一定辨識度，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的非線性表皮出現(xiàn)頻率頗高。洛杉磯當(dāng)代藝術(shù)博物館（TheBroadMuseum）的表皮系統(tǒng)為三維變型的表皮模塊，需要數(shù)字設(shè)計精細(xì)深化，精益建造。洛杉磯當(dāng)代藝術(shù)博物館（TheBroadMuseum）的表皮取意“穹頂”，為一個通風(fēng)的蜂窩狀外骨架結(jié)構(gòu)。早期建筑師DS+R采用了現(xiàn)澆混凝土的方案，但是加州地震法規(guī)對結(jié)構(gòu)堅固性和強度要求極高，要求結(jié)構(gòu)能有較大的扭轉(zhuǎn)強度，這一標(biāo)準(zhǔn)使項目成本及工期暴增，因而“面紗”的外圍護體系最終變成了管狀鋼管網(wǎng)+空心玻璃纖維混凝土面板（GFRC）。該系統(tǒng)被細(xì)分為若干預(yù)制單元，包括：380種不同的模具制成的2500塊玻璃纖維增強混凝土（GFRC）面板，和重達(dá)650噸、長度橫跨整個街區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)屋頂。GFRC表皮的高強度可滿足結(jié)構(gòu)獨特形狀所需的額外強度。表皮的強度和耐久性使得表皮的鋼框架更小，這有助于適應(yīng)面板與結(jié)構(gòu)鋼的嚴(yán)格公差?！懊婕啞边€具有結(jié)構(gòu)承重功能，包括外立面和屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)梁，這些梁也是預(yù)制結(jié)構(gòu)。這些梁是連接后張鋼筋的樞紐。預(yù)制模塊內(nèi)部的鋼筋管道呈十字形，模塊間的管道須精確連通，這樣鋼筋才能從上到下穿過，貫穿整個立面。為保證精度，構(gòu)件廠商CTC團隊在整個項目過程中負(fù)責(zé)把控以下幾個步驟：（1）施工過程合理化；（2）生產(chǎn)策略；（3）數(shù)據(jù)交叉檢查；（4）工程施工；本文僅（5）模具制造；（6）質(zhì)量控制；（7）工具制造。設(shè)計師與生產(chǎn)商、施工方的通力配合，使項目表皮得以精確完工。

2裝配式建筑材料應(yīng)用

2.1預(yù)制混凝土與現(xiàn)澆混凝土的分層組合

白混凝土是彩色混凝土的一種，其色彩純粹、表面細(xì)膩，能夠更好地表達(dá)建筑形體，因而得到建筑師的青睞，廣泛應(yīng)用在注重造型的文化建筑中，并因在邁阿密的多個標(biāo)志性項目中使用而得名“邁阿密白”。然而，由于白混凝土生產(chǎn)工藝要求高、造價高，若在滿足美國高強度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件中全部使用白混凝土，則會使造價飆升，同時生產(chǎn)工期也會延長。因此，設(shè)計師往往會采用白混凝土與素混凝土搭配的建造方式。以國際巴洛克博物館（HeroicaPueblaDeZaragoza）為例，該項目的墻是其精髓，端部卷曲的白色墻體兼具功能、造型與結(jié)構(gòu)作用。然而，項目所在地墨西哥人工費較高，若采用現(xiàn)澆混凝土的建造方式，項目成本及工期將遠(yuǎn)超預(yù)算，因而最終采用工廠預(yù)制建造。墻體作法也有設(shè)計巧思：經(jīng)過比例推敲，墻厚限制在約0.65m、最厚不超過0.70m較為適宜，若全部采用白混凝土，材料總成本過高，因而采用“三明治”做法，即“雙層夾芯板墻”：兩層白混凝土預(yù)制墻板中間灌注灰色混凝土，內(nèi)外兩層預(yù)制板以拉結(jié)筋等夾層相連結(jié)。這一做法在保證墻體可見面皆為白混凝土的同時有效控制了造價。同時，預(yù)制墻板兼做后澆混凝土夾心的模板，節(jié)省了模板成本及施工時間。

2.2不同種類預(yù)制混凝土的分段組合

菲利普和帕特里夏·弗羅斯特科學(xué)博物館（ThePhillipandPatriciaFrostMuseumofScience）的視覺亮點為其67英尺（約20m）直徑的穹頂結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為天文館劇場。這一球體內(nèi)外都要用作投影屏幕，因而球體內(nèi)外表面都要呈現(xiàn)為光滑而無炫光的白色。為達(dá)到這一效果，常規(guī)做法是鋼骨架+面板層+表面涂層，團隊嘗試了表面噴射混凝土的飾面做法。然而以上做法時間長、成本高，無法滿足工期及成本需要。經(jīng)過研究，本項目最終采用了白色球形預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)板+表面輕噴砂處理的做法。通過計算機模擬，將穹頂“北極圈”拆分為兩片，再將球身分為上下兩個半球，每個半球均分為弧面板開模預(yù)制。同時，在地基上澆筑圓形基座，作為預(yù)制弧型板片的定位模板。球體內(nèi)部分為上下半球，其中上半球主要用于投影，幾乎沒有額外荷載，而下半球為觀眾席，荷載明顯高于上半球，若按照最不利條件設(shè)計計算，則白混凝土用量過高，造價超出預(yù)算。最終，設(shè)計團隊將白混凝土球體外殼按照上半球荷載取值，而下半球觀眾席超出設(shè)計值部分單獨計算，在內(nèi)部不可見處用素混凝土補足。這一“球中球”式設(shè)計兼顧了美觀、造價與安全性。在裝配式建筑中使用白混凝土或其他特殊類型混凝土?xí)r可借鑒這一搭配方式，利用普通混凝土局部補強。搭配原則是：可見面采用特殊混凝土，保證飾面效果，不可見部分采用普通混凝土，保證結(jié)構(gòu)強度，平衡建造成本。

2.3預(yù)制混凝土與鋼結(jié)構(gòu)的組合搭配

鋼結(jié)構(gòu)是天然的裝配式結(jié)構(gòu)體系，在文化建筑中應(yīng)用廣泛，設(shè)計技術(shù)也相對成熟，但隨著建筑功能復(fù)雜、建筑造型豐富，對鋼結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)也在日漸升級。主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜度提高、精度要求提高，鋼結(jié)構(gòu)與預(yù)制外墻或其他材質(zhì)結(jié)構(gòu)的連接還需要根據(jù)每個項目特殊設(shè)計。在連接節(jié)點有機組合方面，高技派代表人物諾曼·福斯特也做出了表率。在蘋果邁阿密旗艦店（AppleAventura）中，涉及鋼結(jié)構(gòu)、預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)、玻璃幕墻三者交接。建筑造型向新古典主義致敬，屋頂為優(yōu)雅的連續(xù)拱券，并用白色混凝土呈現(xiàn)出浪漫而古樸的表面質(zhì)感。為保證拱券交接平滑而精準(zhǔn)，梁和屋頂拱券在工廠預(yù)制。但是，為滿足空間凈高同時符合古典比例，柱子比例需要纖細(xì)修長，因此福斯特采用了鋼結(jié)構(gòu)，為使鋼柱與混凝土構(gòu)件連接而不顯得突兀，福斯特將鋼柱外包覆混凝土，并將玻璃幕墻的豎向邊框隱沒其中，最終使完成效果和諧統(tǒng)一，同時混凝土外層可兼作鋼結(jié)構(gòu)保護層，具有防火與防腐功能。而屋頂預(yù)制構(gòu)件的接縫處理也有獨特之處，靠外墻的模塊接縫嵌入玻璃幕墻的橫向邊框，其余戶內(nèi)的模塊接縫嵌入燈帶，使各部分拼縫的美觀與功能相統(tǒng)一。

3總結(jié)

筆者將上文所述案例設(shè)計手法及適用性概括為表1。在設(shè)計思想上總結(jié)如（表1）。

3.1用模塊化思想指導(dǎo)設(shè)計工作，為后續(xù)全產(chǎn)業(yè)鏈配合運作提供便利

模塊化設(shè)計應(yīng)在秩序中變通，包括拓?fù)渥兓?、單元母題復(fù)制、同質(zhì)異構(gòu)變化等。同時，應(yīng)在設(shè)計初期就與生產(chǎn)廠家溝通，合理劃分模塊單元，使模塊的規(guī)格與尺寸建立在工藝可行與施工便利的基礎(chǔ)之上。

3.2采用適宜結(jié)構(gòu)技術(shù)滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

裝配式建筑與現(xiàn)澆混凝土建筑在連接方式、節(jié)點強度、受力部位、破壞部位等方面均有所不同，因此應(yīng)配合采用有利于提高結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計技術(shù)，減輕預(yù)制結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)。

3.3挖掘傳統(tǒng)建筑材料的應(yīng)用創(chuàng)新點，積極而謹(jǐn)慎地選用新材料

隨著科技進步，新型建筑材料層出不窮，主要集中在內(nèi)外圍護與結(jié)構(gòu)材料上。設(shè)計師應(yīng)主動了解建筑材料信息，包括材料性能利弊、材料供應(yīng)情況、施工難度、項目適用性、視覺效果等。對于裝配式建筑，應(yīng)特別注重產(chǎn)業(yè)鏈上下游的連續(xù)性、專業(yè)度以及關(guān)鍵環(huán)節(jié)供應(yīng)商的成熟度和構(gòu)件保護措施。擴充材料備選庫，綜合考察供應(yīng)鏈，因地制宜選用建筑材料。

4結(jié)語

綜上所述，海外裝配式文化建筑呈現(xiàn)“方案設(shè)計模塊化，結(jié)構(gòu)設(shè)計高標(biāo)化，材料選用多樣化”的發(fā)展趨勢，對我國裝配式建筑設(shè)計與施工也具有一定啟發(fā)。當(dāng)代設(shè)計師面臨的設(shè)計環(huán)境已與這個行業(yè)誕生之初大相徑庭。一個合格的建筑師需要掌握足夠的技術(shù)知識和背景信息，才能制定出合理的設(shè)計目標(biāo)并最終實現(xiàn)。

作者:張瑤 吳宏磊 韓斐 單位:同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院 寶業(yè)集團上海公司