基于编织结构的混凝土壳体建造研究

黄蔚欣 吴承霖 张瑞珈 罗子牛 熊鑫昌 苏彦杰 魏文强

清华大学建筑学院

一直以来，混凝土壳体都是极受建筑师青睐的建筑类型，它兼具美观的形式和合理的结构性能。然而，混凝土壳体的建造却并非易事。目前市面上的施工方法大致分为三种：最常见的是委托工厂预制构件，但是建造成本较高，并且在施工过程中需要专业人士配合；第二种是使用3D打印技术，但建造尺度受限于现有的3D打印机的尺寸；第三种是使用CNC铣削的模具浇筑混凝土，将一个壳体模具分为多个部分同时生产，最后将各部分拼合起来，但存在成本较高、异形模具无法重复使用的问题。

总体而言，现有的混凝土壳体施工技术都存在一定的不足，使得这种建筑形式需要耗费大量的人力物力。本研究的目标是寻找更便宜、对设备要求更低、同时尽可能保证建成质量的建造方法。本研究提出的方法来自于一种新型的编织成形结构，核心概念为利用编织结构创造易于成形且可重复使用的模具，从而使混凝土壳体的施工更为简便易行。

1 研究背景

1.1 混凝土壳体相关研究

在混凝土外壳的建造历史上，建筑师和工程师一直在强调对模具形状的控制，许多混凝土壳体项目也都是基于此完成的。20世纪的建筑师菲利克斯·坎德拉（Felix Candela）是这方面的先驱，他的作品包括Los Manantiales、Hyper-bolic Paraboloid Geometries和1958年的Chapel Lomas de Cuernavaca，他的混凝土壳体被称为“大胆的结构幻想”。

目前，世界各地已对混凝土壳体施工方法进行了大量研究。2017年，苏黎世联邦理工学院运用创新性的设计与制造方法建造了一个超薄弧形混凝土屋顶；2018年，Lake Flato Architects设计了一个由CNC模板制造的混凝土壳体亭[1]；Zaha Hadid Architects、Populous、Sasaki＆Partners、Kreysler Associates和奥胡斯大学共同建造了一个复杂的混凝土外壳，其结构设计和制造工艺既合理又富有创新性[2]；哈佛大学的Martin Bechthold尝试在壳体的数字设计与制造中应用了高效材料系统[3]。这些研究探讨了新的混凝土壳体施工途径，对我们的项目有诸多启发。

苏黎世联邦理工学院的Benjamin Dillenburger一直致力于开发基于数字化生产方法的全尺寸和超高分辨率的复杂形体建造；Arabesque Wall、Phenomena＆Oblique Circulation、Ludger Hovestadt一直试图寻找建筑与信息技术之间的新关系；Fabio Gramazio关注数字制造技术引入的建筑生产要求的变化，并已建成众多作品；以色列理工学院Guy Austern探讨了混凝土立面板的设计方法[4]；Studio PREXPREN专注于使用活动模板来构建自支撑混凝土构件[5]；Margit Pfeiffer-Rudy完成了一项关于轻质结构形式的研究[6]。这些研究都从不同方面探索了混凝土施工方法。

1 三层系统的概念设计

2 1:3 尺度双层编织结构

3 双层编织结构的建造信息

4 双层编织结构的建造过程

1.2 编织结构及相关研究

在建筑或结构工程相关领域中，直接与编织结构相关的研究较少，但类似的与自由弯曲网格壳体有关的例子较多。1967年，Frei Otto为蒙特利尔博览会的西德馆设计了一个网格帐篷，使用物理形态模型来定义形状，然后通过开发织物切割图案来设计帐篷[7]；2013年建于巴黎的Ephemeral Cathedral of Creteil也是大型复合网壳结构[8]；德国柏林艺术大学研究了存在不规则网格的弹性网格壳的设计与构造[9]；来自Form Found Design的三位建筑师使用工业机器人介入混凝土的铸造过程，创造了一种能够根据数字输入生成各种形式的可调节模板[10]。

与上述网壳系统相比，编织结构在形态适应性、结构性能和建造便捷性方面都有发展。编织结构是一种由连续弹性杆交织而成的主动弯曲（Bending-Active）空间结构系统，这是一种有机的空间形态建造机制，易于成形且形式适应范围广[11]，非常适用于模具的成形。每一根杆件相互交叉并相互约束，整体形成复杂的空间网格壳，杆自身的弹性保证了空间网格壳的自由成形。与其他模具施工方法相比，编织结构在处理模具的复杂形状方面具有更强的适应性。

编织结构网格的一般生成过程可以归纳为两个步骤。第一步，在计算机程序中生成目标形状以及杆件长度、节点位置的数据；第二步，系统将自动生成一个包含所有材料细节的列表，没有施工经验的普通人就能依照表格信息准备和组装组件。整个过程不需要复杂的机械就可以完成。

编织结构是一种轻型网壳结构，对环境影响较小，且杆件具有加大的弹性变形能力，所以在拆解后可以恢复到最初直线的形态，能够再次应用于其他形态的建造。因此，编织结构在减少成本、劳力以及绿色环保等方面具有很大潜力。

2 研究方法

基于编织结构的混凝土施工方法可以概括为三个要点：

（1）采用编织结构作为混凝土模具。当前常见的模具工作方式大致可分为三种：完全将材料密封于内、作为单层承载面让材料置于其上、作为混凝土内部骨架。经比较可知，第二种类型能最大程度地发挥编织结构的优势（表1）。

（2）在模具上设置承载面。编织结构是由杆件组成的网格系统，其形成的模具可以确定混凝土壳体的形状，却无法直接承载混凝土，因而需要一个承载面来填充网格，且所选载面自身需要一定的稳定性来保证承载力。考虑到材料成本、变形能力和承载力，承载面的基本材料被确定为类布材料。

（3）设置边缘节点系统。在混凝土壳体中，边缘处理既能反映施工方法的特点，又被视为壳体结构的美学特征，是评价建造水平的重要指标。在大多数施工方法中，高质量的边缘处理大都需要工人对特定边缘进行特定处理。如果想要实现一种既能灵活适应任何复杂形式、又操作简单的边缘处理，必须设计一个独立于模具形状之外、自身具有复杂性的边缘系统。

以上三个要点落实到具体构造层面，便转化成三个步骤：首先，利用编织结构生成模具；其次，在模具上方布置承载面；最后，用边缘节点系统连接并加强整个复合模具（图1）。

2.1 实验一：双层编织结构

实验一用于测试编织结构是否能够为混凝土提供足够的结构支持。编织结构自身内部受力合理，而当混凝土的荷载加于上方时，模具的稳定性需要一定的测试。当混凝土壳体的体量增加，模具的承载力也需要大幅提升。采用尺寸更大的杆件能够有效提高整体强度，但其柔韧性也会相应减小，使得成形困难。因此，模具的编织采用了双层杆件。

实验采用的杆件材料为FRP杆，这是一种能灵活弯曲、廉价且环保的树脂材料。首先，对原有计算机程序进行提升，用以生成沿原始形状成形的第二层编织网格；而后使用两根直径2mm的FRP杆制作出1:3尺度的双层网格模具。每根杆件相互交错组成了空间结构，大大提高了模具的稳定性（图2～4）。

2.2 实验二：分割式承载面

为了使布料能够贴合曲面的复杂结构，在覆盖之前提前将其分割成了四个简单曲面，简化了实际覆盖时贴合模具的步骤和难度。此外，在1:3尺度下使用的普通布料无法适应1:1尺度下的混凝土重量。为了保证承载面自身的稳定性，选择了厚度为2mm的玻璃布作为替代（图5）。

表1 三种类型下编织结构工作性能的比较

5 玻璃布覆盖的双层编织结构

6 完成后的复合模具数字模型

7 脚手架设计逻辑

8 脚手架组装过程

3 建造方案

将整个建造施工方法梳理如下：

（1）用电脑生成目标形状并获得两个壳体网格的数据，将它们编织成一个模具。用绑扎带固定内部节点，边缘节点系统处理模具边缘，模具的主要材料为直径4mm的FRP杆。

（2）将分割式玻璃布覆盖在模具上方并放置木板完成边缘挡板系统。玻璃布厚度为2mm，木板的截面尺寸为50mm×2mm（与竖直高板相同）。

（3）将成品模具固定在脚手架上并浇筑混凝土。

图6展示了电脑整体编织结构模具的图像。考虑到该结构自身的受力特点，以模具受力点作为定位点，用底部加固的方法设计出一个适配的脚手架。

3.1 脚手架设计

在脚手架中，直接接触模具表面的部分由受力点确定。根据不同点应力状态、荷载强度大小的不同，在其下方用FRP杆进行支撑。同时，将模具形状投影到二维地面，设计出一个空间结构，用以固定上部支撑杆，并在其中加入斜撑维持稳定。在形状受力最复杂的边缘加入了木板层进行加固，以保证形态不变（图7）。

在进行最后的实际施工之前，整个模具准备过程完成了四个步骤：模具制作、玻璃布承载面固定、边缘挡板固定及脚手架制作与装配（图8）。

9 建造过程及第一个混凝土壳体成品

10 最终混凝土壳体成品

3.2 建造过程

由于施工时间在12月，为了保证混凝土的硬化速度与质量，实际1:1模型施工建造在室内实验室进行，施工主要由5名建筑学学生完成。除了前期准备的模具和脚手架系统外，施工期间使用的工具还包括了用于打孔的电钻、混凝土搅拌器和抹子。

第一个混凝土壳体约两天后拆模。由于编织结构具有一定的弹性，且玻璃布表面光滑，整个拆模过程非常迅速方便，且拆模后模具没有明显的磨损和变形。混凝土壳体与模具的分离过程非常顺利，满足了模具可重复利用的要求。实验最后使用同一个模具浇筑出三个不同配比的混凝土壳体（图9，10）。

4 结语

长期以来，混凝土模具都是作为一种提供形状的工具独立于混凝土壳体本身，而近年来新兴的以某种结构同时作为模具和配筋的做法将结构和成形相结合，而模具本身也和混凝土融为一体。本研究的编织结构混凝土模具则探索了另一种可能。首先，由编织结构系统形成的网壳结构本身是受力合理的，每一个杆件在形成造型的同时，自身也形成了合理、完整的受力体系。而使用它作为模具，就将同一壳体形状转移到混凝土上，在同一形态下混凝土同样能产生一个稳定、完整的受力状态——只不过由杆件的主动弯曲状态变成了混凝土受压。这个模具既完成了提供形态的任务，又以形态作为桥梁把合理的受力状态转移到混凝土壳体上。因此，编织结构在形成曲面形态的同时，不仅提供了混凝土模具所需的结构强度，还保持了自身的独立性。编织结构的成形优势使得它能够为另一种受力状态提供合理的形态，这为编织结构的实际应用提供了一种全新的可能性。

在实际层面，编织结构模具极大增加了混凝土壳体的施工可行性。首先，编织结构对杆件最重要的要求就是能自由弯曲，这使得诸如FRP杆、竹子等许多环保且廉价的材料可以被利用。其次，该施工方法非常简单，没有施工经验的人经过指导就可以施工。设计者在电脑中生成杆件数据后将信息发送到施工现场，当所有信息传达到现场后，工人就能迅速使用当地材料进行建造，这极大地降低了运输、设备和劳动力成本。而且根据编织结构的成形原理，同样的一套杆件数据编织出的形态具有唯一性，保证了施工的准确度。

该方法的另一个突出特点是可重复利用，组成模具的杆件能够被完好无损地拆解下来，在其他地方恢复原形或再次应用于不同形状。同时，一个编织模具也可以重复进行多次建造。这不仅节省了资金，还大大提高了实际施工中的容错能力。总之，即使生成的混凝土壳体结构失效，也可以再建造另一个，这对于不具备数控加工条件的建造很有意义。