UHPC 圍護墻板系統(tǒng)在學(xué)科群建筑中的應(yīng)用＊
——以南京大學(xué)仙林校區(qū)人工智能樓和軍民融合樓為例

何志鵬 謝忠雄 程超※ HE Zhipeng,XIE Zhongxiong,CHENG Chao

1 南京大學(xué)建筑及城市規(guī)劃學(xué)院

2 南京大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司

1 設(shè)計條件

1.1 項目背景

十三五期間，南京大學(xué)啟動“卓越研究計劃”和“軍民融合研究發(fā)展規(guī)劃”，在仙林校區(qū)建設(shè)由人工智能樓和軍民融合樓構(gòu)成的學(xué)科群建筑，容納量子計算、人工智能、腦科學(xué)、新能源、電子材料及器件等共計15個領(lǐng)域研究平臺。學(xué)科群建筑功能復(fù)雜，空間尺度多樣，新建教學(xué)建筑需滿足南京市產(chǎn)業(yè)辦關(guān)于裝配率的要求，裝配式建筑設(shè)計要求模數(shù)統(tǒng)一，空間單元及立面單元需要盡量標準化，采用模塊化設(shè)計可以有效地協(xié)調(diào)功能需求和建造方式的矛盾[1]。回顧設(shè)計過程，立面設(shè)計清晰體現(xiàn)了模塊化設(shè)計的理念，新材料運用則為建筑表皮的整合提供了高性價比的解決辦法。

1.2 材料特性

作為GRC（玻璃纖維增強水泥）的替代產(chǎn)品，UHPC（Ultra-High Performance Concrete，超高性能混凝土）目前在建筑立面設(shè)計上被大量運用，其具有輕質(zhì)、高強度、高耐久性、高延展性等優(yōu)勢，并具備強大的造型能力。由細骨料和高強纖維組成，性能優(yōu)良，無須另加鋼筋支撐，能夠?qū)崿F(xiàn)更薄和更長的跨距與延展面、耐受各種有害物質(zhì)滲透到基體內(nèi)部，且具有自愈能力，防水效果非常好。水泥基材料與金屬纖維的結(jié)合實現(xiàn)了抗壓強度和抗折強度的有機平衡，在滿足相同性能的要求下，UHPC可以做到更薄，不僅降低模具成本，同時減少現(xiàn)場施工帶來的安全與污染問題。高強的物理性能能夠延長建筑的使用周期[2]。

1 總體鳥瞰

2 UHPC 材料特性

3 UHPC 外圍護墻板立面效果圖

作為一種新型材料，UHPC是過去三十年最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料，最初用于大跨徑橋梁、抗爆結(jié)構(gòu)（軍事工程、銀行金庫等）和薄壁結(jié)構(gòu)。建筑構(gòu)件的預(yù)制裝配以整體裝配式外墻為代表，傳統(tǒng)的PC 外墻（預(yù)制混凝土墻體）在施工工藝和呈現(xiàn)效果上不容易滿足功能復(fù)合的外立面設(shè)計需求。

國外對于UHPC整體式圍護墻板的運用較為成熟，將造型和保溫防水集成于一體，例如法國Pierre Budin幼兒園的UHPC圍護外墻板，每一塊墻板均在工廠預(yù)制完成，運輸至現(xiàn)場進行安裝。墻板通過預(yù)埋鐵件與主體結(jié)構(gòu)相連接，其安裝精度可以確保立面波浪起伏造型的連續(xù)平滑。國內(nèi)近年來，UHPC開始取代GRC用于建筑立面，但多作為建筑立面裝飾構(gòu)件使用，較少用于科學(xué)實驗建筑這類復(fù)雜的功能性表皮。深圳悅彩城利用UHPC的造型能力作為外立面裝飾構(gòu)件，成為類似于石材、鋁、陶板的替代品，不承擔保溫防水等外墻功能。

人工智能樓和軍民融合樓包含實驗室、研討室、辦公室、會議室等主要功能，其中實驗室類型多樣且需求復(fù)雜。建筑外墻系統(tǒng)需滿足通風(fēng)、遮陽、采光、保溫、隔熱、防水等多種功能，采用UHPC預(yù)制裝配式圍護墻板，既能實現(xiàn)建筑表皮的多功能整合，又能夠形成具有科技感的輕巧造型，安裝周期短、現(xiàn)場破壞程度小，并能大幅提升預(yù)制裝配率。

4 UHPC 外圍護墻板立面效果圖

表1 UHPC國內(nèi)外案例及應(yīng)用對比

5 立面單元

6 UHPC 基本模塊

7 UHPC 模塊組合

2 立面設(shè)計

2.1 模數(shù)協(xié)調(diào)

作為模塊化設(shè)計方法的基礎(chǔ)，立面設(shè)計首先解決模數(shù)協(xié)調(diào)問題。通過對主要建筑功能單元（包括實驗單元、辦公單元、輔助空間單元）尺度、家具布置、地下停車空間的研究，可以得出實驗室適合8.4m軸網(wǎng)，研究室適合6.6m軸網(wǎng)，所以人工智能樓研究室多南北向布置，選擇6.6m×8.4m軸網(wǎng)；軍民融合樓實驗室較多選擇8.4m×8.4m軸網(wǎng)。由于項目用地緊湊，為了最大限度利用場地，在符合消防和空間使用前提下增設(shè)7.5m的過渡軸網(wǎng)。根據(jù)實驗室的使用要求，確定了4.5m的標準層層高。綜合平面軸網(wǎng)與層高得到立面網(wǎng)格類型和模數(shù)，立面網(wǎng)格單元的模數(shù)為8.4m×4.5m、7.5m×4.5m、6.6m×4.5m。

2.2 模塊組合

為了豐富并統(tǒng)一不同立面的效果，使用盡量少的模塊種類，同時還要考慮墻板模塊的裝配運輸問題（模塊寬度不超過3.6m）。設(shè)計尋求6.6、7.5、8.4m三種軸網(wǎng)的公約數(shù)，設(shè)置了4種基本模塊，分別為0.9m×4.5m（2種）、2.4m×4.5m、2.1 m×4.5 m。其中，6.6 m 模數(shù)可分為兩個0.9m+2.4m；7.5m模數(shù)可在6.6m的基礎(chǔ)上加0.9m；8.4m模數(shù)可在6.6m的基礎(chǔ)上加兩個0.9m?？梢钥闯?，0.9m寬的基本模塊可作為立面網(wǎng)格單元模數(shù)的差值模塊，以協(xié)調(diào)三種軸網(wǎng)，所以將0.9m模塊設(shè)計為凹凸兩種形式，豐富立面效果；2.1m模塊為了應(yīng)對體塊交接面的更加通透勻質(zhì)的立面效果而設(shè)計；在確定了模塊尺寸后，根據(jù)吊頂高度、窗臺高度、開窗需求對模塊進行初步設(shè)計。

墻板模塊組合使用四種排列組合方式，首先拼合出符合軸網(wǎng)的四種立面單元，再不斷復(fù)制偏移，初步形成整個立面效果。結(jié)合對立面整體效果的考慮，確定模塊之間的組織關(guān)系和立面設(shè)計的基本語匯，創(chuàng)造豐富的凹凸變化和虛實關(guān)系，同時形成立面設(shè)計的潛在秩序與韻律。

3 模塊設(shè)計

3.1 基本模塊、衍生模塊和變異模塊

從實驗室功能出發(fā)，遵循由內(nèi)而外的立面設(shè)計原則，立面模塊單元既要滿足主要功能空間即實驗室的使用要求，也需要滿足辦公、設(shè)備用房等空間的使用要求，立面模塊設(shè)計兼顧采光、通風(fēng)、遮陽、排氣、防蟲等功能。

四種基本模塊類型均做斜面處理，起到遮陽的效果，合適的開窗尺寸和斜面的過渡處理讓重復(fù)的立面擁有變化的韻律；上部窗戶結(jié)合內(nèi)部功能設(shè)置不同材料，如實驗室需要排氣可作為百葉，辦公室需要采光即為玻璃。

8 模塊單元分布圖

9 實驗室剖透視

10 基本模塊設(shè)計

11 立面研究模型

12 模塊構(gòu)造設(shè)計

13 墻身及節(jié)點大樣

14 墻板模塊的運輸和吊裝示意圖

表2 UHPC圍護墻板、GRC構(gòu)件板及蜂窩鋁板性能對比

由于基本模塊不能滿足立面特殊部位的需求，針對立面轉(zhuǎn)角（陰角和陽角）、模塊與柱子交接處、層高變化及柱跨不規(guī)則變化等問題，形成在基本模塊基礎(chǔ)上的衍生模塊以及與基本模塊完全不同的變異模塊。通過基本模塊、衍生模塊及變異模塊的合理組合，可以較輕松地得到富有韻律變化的立面效果。

3.2 墻板模塊構(gòu)造及節(jié)點設(shè)計

針對復(fù)合多種功能的立面模塊，墻體構(gòu)造需要滿足保溫、防火、防水、防潮等要求，節(jié)點設(shè)計需滿足構(gòu)件之間的裝配施工以及外墻排水的要求，分為墻板模塊自身保溫防水節(jié)點、墻板模塊之間連接節(jié)點以及墻板整體上下邊緣連接節(jié)點。

墻板模塊自身保溫防水節(jié)點通過在UHPC框架中、框架與建筑結(jié)構(gòu)之間填充保溫材料實現(xiàn)（UHPC框架與結(jié)構(gòu)梁之間設(shè)置防火材料），保溫材料靠室內(nèi)一側(cè)設(shè)置防潮層，各構(gòu)件縫隙采用耐候密封膠密封來保證墻板的保溫防水性能。墻板模塊之間連接節(jié)點通過在墻板交接處設(shè)置UHPC肋形成空腔，防止風(fēng)壓造成雨水倒灌進入墻體。左右墻板之間交接處通過耐候密封膠連接，上下墻板之間除耐候膠密封外還設(shè)置鉸接鐵件傳遞受力。墻板整體上下邊緣連接節(jié)點均采用鋁材作為壓頂和封邊，防水的同時控制墻板安裝的誤差。

4 結(jié)語

4.1 設(shè)計難點

回顧立面設(shè)計過程，為了解決復(fù)雜性功能需求和建造方式之間的矛盾，主要處理兩個關(guān)鍵問題。第一，墻板模塊的模數(shù)協(xié)調(diào)與組織關(guān)系，創(chuàng)造性地采取立面網(wǎng)格單元的差值模塊（0.9m寬模塊）來協(xié)調(diào)不同網(wǎng)格單元的模塊劃分，通過多種排列組合方式來確定模塊間的組織關(guān)系，確定立面設(shè)計的基本語匯，以形成變化豐富的立面效果。第二，墻板模塊多樣性的統(tǒng)一，采用基本模塊和衍生變異模塊相結(jié)合的方法，成功解決裝配式建筑模塊化設(shè)計的難題，協(xié)調(diào)了復(fù)雜功能和裝配建造的多樣性統(tǒng)一問題。

此外，考慮到墻板的運輸和施工，墻板尺寸必須滿足貨運的要求。因此，模塊的寬度需不大于3.6m，并且考慮局促用地條件下的安裝工藝，擬采用將UHPC墻板運送至屋面，再從屋面周邊設(shè)置吊架的方式進行吊裝施工。

4.2 性能及造價比較

UHPC整體式圍護墻板性價比可以參照相對傳統(tǒng)的GRC和蜂窩鋁板幕墻，后兩種幕墻都不能實現(xiàn)保溫防水一體化的整體性構(gòu)造，只能作為裝飾性構(gòu)件。在價格方面UHPC是最高的，但其造型能力和效果都更好，蜂窩鋁板幕墻的耐久性和平整度優(yōu)于GRC，但是造型能力不及GRC和UHPC。GRC目前已經(jīng)逐漸被淘汰，主要原因是面層的耐久性不佳。

4.3 應(yīng)用范圍

項目采用預(yù)制裝配式墻板模塊的形式，集合通風(fēng)、遮陽等多功能于一體，解決不同類型的科學(xué)實驗室建筑對立面的要求。針對交叉學(xué)科群建筑的多種實驗室，除滿足采光、通風(fēng)、遮陽、保溫和防水等基本功能外，排氣、防蚊等功能均可根據(jù)實際工程情況配備，也可以廣泛運用于普通科學(xué)實驗建筑或辦公建筑。裝配式構(gòu)件在工廠預(yù)制后運送至施工現(xiàn)場進行組裝固定，降低了污染，提高了施工速度，也降低了危險性，保證施工的安全。構(gòu)成外圍護墻板本體的框架以UHPC材料進行制作，不僅適應(yīng)功能復(fù)合的立面設(shè)計，同時充分發(fā)揮了UHPC材料本身防污、耐臟、自潔的特性，有效提升立面耐久性。通過對UHPC裝配式圍護墻板體系的應(yīng)用，將模塊化設(shè)計理念與立面的裝配式建造聯(lián)系起來，探索模塊化設(shè)計方法對學(xué)科群這類復(fù)雜功能建筑立面設(shè)計的適應(yīng)性。＊