国外文化建筑中装配式外围护系统设计分析

2022-07-27同济大学建筑设计研究院集团工程技术研究院工程师

建筑与文化 2022年7期

文／张瑶同济大学建筑设计研究院（集团）工程技术研究院工程师硕士

吴宏磊同济大学建筑设计研究院（集团）副总工程师教授级高级工程师博士

韩斐宝业集团上海公司

引言

文化建筑常作为一个城市的文化名片，其外形承载着重要的地标属性，因而建筑师在文化建筑的外围护系统设计上多具巧思。将装配式建筑技术应用在文化建筑的外围护系统中的设计思路无疑满足了建筑师对力与美的极致追求，也是全球范围内建筑工业化的大势所趋。文章针对国外当代文化建筑进行了广泛调研，从众多项目中总结出一定设计规律并进行拆解分析。

1 装配式建筑设计技术

1.1 外围护与结构一体化的设计

冲绳国家大剧院（Okinawa National Theatre）竣工于2003 年，其体现出的利用大型预制构件实现外围护与结构一体化的设计思想时至今日仍有借鉴意义。其特点为：（1）外表皮为单元母题的模块化设计；（2）外表皮装饰与结构一体化；（3）外墙采用预制混凝土，而非现代熟识的幕墙结构。

设计之初即确立单元母题。冲绳国家大剧院受当地房屋的启发，从一种称为chinibu 的传统竹编格栅外墙（形似中国竹篱）中提取菱形母题，又由于设计师高松希望为建筑赋予花朵一样的生命力，因而将建筑立面塑造成外张的曲面，因此外墙单元模块进一步成为具有一定曲率、上薄下厚的形状并进一步划分成外墙单元模块。

在施工工艺方面也颇为考究。该单元模块为三维曲面，传统现浇混凝土需要现场支模，而常规磨具精度不够且难以保证连续性和曲率的一致性，因此采取了预制混凝土构件的方式。负责建造的日本承包商P.S.三菱建筑股份有限公司采用了PCa.PC 拼装结构技术进行建造。Pca 外墙板的形状优美，带有连续的白色对角网格，在底部拱形预制有琉球石灰岩饰面（高耐盐耐腐蚀性）。每个预制混凝土构件长12m，宽1.9m，重达31吨。由于外墙本身也是结构承重构件，因此做成预应力预制构件，由于构件体型庞大，采用了先张法和后张法结合的方式，即：首先在浇筑过程中先张紧每个构件，然后在安装后通过二次张拉将整个表面拉紧在一起。由于构件形状复杂，加之对安装精度要求极高，为避免运输和存储损伤，所有的预制混凝土构件都采用了在施工现场预制的生产方式。

建筑设计的单元模块还需要根据生产工艺被进一步细分为便于生产安装的单元模块。每个单元模块通过内部预应力钢筋的二次张拉被拉结压紧，形成一个能够抵抗表面外力的预应力曲面板。组合后的曲面板的底部用销钉固定，顶部用特制钢龙骨固定于三层的横梁。

值得一提的是，由于单元模块是通过预应力钢筋相连，因此需要保证钢筋通道的连续性，因此不同单元模块孔道对位和连结精度非常重要。

1.2 表面肌理精细化的设计

对于特殊项目或项目中的特征性部位，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，建筑师的设计重点需要从“设计体块”分一部分到“设计模板”中。定制模板的预制构件的设计和使用相对小众，灵活性更高，成本也会相应提高，往往由设计师和甲方主导。若在设计之处即对模板的形状和工艺都考虑得当，将会产生特殊而精致的立面肌理。乔班基金会-建筑绘画博物馆（Tchoban Foundation-Museum of Architectural Drawing）即为在外表皮采用特殊模板定制的预制构件实现浮雕肌理效果的文化建筑。具体做法如下：

外墙是由防水的彩色预拌混凝土制成的预制混凝土面板。从外向内，构造层依次为：0.27m厚防水混凝土、0.10m 厚泡沫玻璃绝缘层、0.05m厚砂石灰砖砌块、0.015m 厚石灰水泥砂浆抹面。石灰砖砌块和石灰用于调节室内水分，而混凝土和泡沫玻璃用于隔绝室外水分。沙黄色表面是通过预制混凝土添加彩色颜料制成的，为此需要预先制作大量混凝土样本测试颜色。

外墙利用硅树脂基质获得浮雕状表面。首先对需要浮雕的图样进行数字化处理，提取出线条，以便制造。再用CNC 机床将图案刻印到纤维板上作为底版，然后倒入液态塑料，形成阳模。随后将阳模粘贴到刨花板上，再将组合后的刨花板附着于系统模板，用硅树脂密封二者接缝并封边后，成为最终模板。最后在模板中连续浇筑混凝土，同时注意排除偏差。张拉锚的位置与图案协调并精确定位。脱模后，用颜色与整体一致的纤维水泥封闭锥封闭锚孔。最后在表面涂刷纳米保护层，使裸露的混凝土墙免受污染。

1.3 单元模块复杂化的设计

文化建筑中外形具有一定辨识度，结构复杂的非线性表皮出现频率颇高。洛杉矶当代艺术博物馆（The Broad Museum）的表皮系统为三维变型的表皮模块，需要数字设计精细深化，精益建造。

洛杉矶当代艺术博物馆（The Broad Museum）的表皮取意“穹顶”，为一个通风的蜂窝状外骨架结构。早期建筑师DS+R 采用了现浇混凝土的方案，但是加州地震法规对结构坚固性和强度要求极高，要求结构能有较大的扭转强度，这一标准使项目成本及工期暴增，因而“面纱”的外围护体系最终变成了管状钢管网+空心玻璃纤维混凝土面板（GFRC）。该系统被细分为若干预制单元，包括：380 种不同的模具制成的2500 块玻璃纤维增强混凝土（GFRC）面板，和重达650吨、长度横跨整个街区的钢结构屋顶。GFRC 表皮的高强度可满足结构独特形状所需的额外强度。表皮的强度和耐久性使得表皮的钢框架更小，这有助于适应面板与结构钢的严格公差。

“面纱”还具有结构承重功能，包括外立面和屋顶的结构梁，这些梁也是预制结构。这些梁是连接后张钢筋的枢纽。预制模块内部的钢筋管道呈十字形，模块间的管道须精确连通，这样钢筋才能从上到下穿过，贯穿整个立面。为保证精度，构件厂商CTC 团队在整个项目过程中负责把控以下几个步骤：（1）施工过程合理化；（2）生产策略；（3）数据交叉检查；（4）工程施工；（5）模具制造；（6）质量控制；（7）工具制造。设计师与生产商、施工方的通力配合，使项目表皮得以精确完工。

2 装配式建筑材料应用

2.1 预制混凝土与现浇混凝土的分层组合

白混凝土是彩色混凝土的一种，其色彩纯粹、表面细腻，能够更好地表达建筑形体，因而得到建筑师的青睐，广泛应用在注重造型的文化建筑中，并因在迈阿密的多个标志性项目中使用而得名“迈阿密白”。然而，由于白混凝土生产工艺要求高、造价高，若在满足美国高强度设计标准的结构构件中全部使用白混凝土，则会使造价飙升，同时生产工期也会延长。因此，设计师往往会采用白混凝土与素混凝土搭配的建造方式。

表1 装配式建筑外表皮设计方法总结（表格来源：作者自绘）

以国际巴洛克博物馆（Heroica Puebla De Zaragoza）为例，该项目的墙是其精髓，端部卷曲的白色墙体兼具功能、造型与结构作用。然而，项目所在地墨西哥人工费较高，若采用现浇混凝土的建造方式，项目成本及工期将远超预算，因而最终采用工厂预制建造。墙体作法也有设计巧思：经过比例推敲，墙厚限制在约0.65m、最厚不超过0.70m 较为适宜，若全部采用白混凝土，材料总成本过高，因而采用“三明治”做法，即“双层夹芯板墙”：两层白混凝土预制墙板中间灌注灰色混凝土，内外两层预制板以拉结筋等夹层相连结。这一做法在保证墙体可见面皆为白混凝土的同时有效控制了造价。同时，预制墙板兼做后浇混凝土夹心的模板，节省了模板成本及施工时间。

2.2 不同种类预制混凝土的分段组合

菲利普和帕特里夏·弗罗斯特科学博物馆（The Phillip and Patricia Frost Museum of Science）的视觉亮点为其67 英尺（约20m）直径的穹顶结构，内部为天文馆剧场。

这一球体内外都要用作投影屏幕，因而球体内外表面都要呈现为光滑而无炫光的白色。为达到这一效果，常规做法是钢骨架+面板层+表面涂层，团队尝试了表面喷射混凝土的饰面做法。然而以上做法时间长、成本高，无法满足工期及成本需要。经过研究，本项目最终采用了白色球形预应力预制混凝土结构板+表面轻喷砂处理的做法。通过计算机模拟，将穹顶“北极圈”拆分为两片，再将球身分为上下两个半球，每个半球均分为弧面板开模预制。同时，在地基上浇筑圆形基座，作为预制弧型板片的定位模板。球体内部分为上下半球，其中上半球主要用于投影，几乎没有额外荷载，而下半球为观众席，荷载明显高于上半球，若按照最不利条件设计计算，则白混凝土用量过高，造价超出预算。最终，设计团队将白混凝土球体外壳按照上半球荷载取值，而下半球观众席超出设计值部分单独计算，在内部不可见处用素混凝土补足。这一“球中球”式设计兼顾了美观、造价与安全性。

在装配式建筑中使用白混凝土或其他特殊类型混凝土时可借鉴这一搭配方式，利用普通混凝土局部补强。搭配原则是：可见面采用特殊混凝土，保证饰面效果，不可见部分采用普通混凝土，保证结构强度，平衡建造成本。

2.3 预制混凝土与钢结构的组合搭配

钢结构是天然的装配式结构体系，在文化建筑中应用广泛，设计技术也相对成熟，但随着建筑功能复杂、建筑造型丰富，对钢结构的挑战也在日渐升级。主要体现在结构复杂度提高、精度要求提高，钢结构与预制外墙或其他材质结构的连接还需要根据每个项目特殊设计。在连接节点有机组合方面，高技派代表人物诺曼·福斯特也做出了表率。

在苹果迈阿密旗舰店（Apple Aventura）中，涉及钢结构、预制混凝土结构、玻璃幕墙三者交接。建筑造型向新古典主义致敬，屋顶为优雅的连续拱券，并用白色混凝土呈现出浪漫而古朴的表面质感。为保证拱券交接平滑而精准，梁和屋顶拱券在工厂预制。但是，为满足空间净高同时符合古典比例，柱子比例需要纤细修长，因此福斯特采用了钢结构，为使钢柱与混凝土构件连接而不显得突兀，福斯特将钢柱外包覆混凝土，并将玻璃幕墙的竖向边框隐没其中，最终使完成效果和谐统一，同时混凝土外层可兼作钢结构保护层，具有防火与防腐功能。而屋顶预制构件的接缝处理也有独特之处，靠外墙的模块接缝嵌入玻璃幕墙的横向边框，其余户内的模块接缝嵌入灯带，使各部分拼缝的美观与功能相统一。

3 总结

笔者将上文所述案例设计手法及适用性概括为表1。

在设计思想上总结如（表1）。

3.1 用模块化思想指导设计工作，为后续全产业链配合运作提供便利

模块化设计应在秩序中变通，包括拓扑变化、单元母题复制、同质异构变化等。同时，应在设计初期就与生产厂家沟通，合理划分模块单元，使模块的规格与尺寸建立在工艺可行与施工便利的基础之上。

3.2 采用适宜结构技术满足设计标准

装配式建筑与现浇混凝土建筑在连接方式、节点强度、受力部位、破坏部位等方面均有所不同，因此应配合采用有利于提高结构强度的设计技术，减轻预制结构负担。

3.3 挖掘传统建筑材料的应用创新点，积极而谨慎地选用新材料

随着科技进步，新型建筑材料层出不穷，主要集中在内外围护与结构材料上。设计师应主动了解建筑材料信息，包括材料性能利弊、材料供应情况、施工难度、项目适用性、视觉效果等。对于装配式建筑，应特别注重产业链上下游的连续性、专业度以及关键环节供应商的成熟度和构件保护措施。扩充材料备选库，综合考察供应链，因地制宜选用建筑材料。