基于裝配式技術(shù)的國(guó)外公共建筑表皮設(shè)計(jì)研究

文｜同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 張瑤

引言

隨著全球建筑工業(yè)化發(fā)展，我國(guó)的裝配式建筑推廣工作也取得了相當(dāng)可觀的成績(jī)，我國(guó)的裝配式建筑進(jìn)程正在從量變到質(zhì)變的過(guò)渡期，設(shè)計(jì)觀念和工作重點(diǎn)也從結(jié)構(gòu)預(yù)制到建筑裝配。這一轉(zhuǎn)變需要建筑專業(yè)牽頭、全產(chǎn)業(yè)鏈配合，為打開(kāi)思路，探尋多樣化的技術(shù)組合，本文針對(duì)國(guó)外裝配式公共建筑進(jìn)行有選擇性地調(diào)研。調(diào)研項(xiàng)目選取原則為：（1）項(xiàng)目知名度（項(xiàng)目建設(shè)單位影響力、設(shè)計(jì)師知名度）；（2）技術(shù)創(chuàng)新（外圍護(hù)系統(tǒng)辨識(shí)度與創(chuàng)新性、裝配式加工及施工）；（3）地域（以歐美地區(qū)建筑工業(yè)化產(chǎn)業(yè)鏈及商業(yè)模式較為成熟的國(guó)家為主，結(jié)合部分亞洲標(biāo)志性的項(xiàng)目）；（4）時(shí)間（從2021年倒推至二戰(zhàn)后）。從眾多項(xiàng)目中總結(jié)出一定設(shè)計(jì)規(guī)律，以下為遵循此規(guī)律的典型建筑項(xiàng)目的拆解分析。

1.裝配式建筑設(shè)計(jì)技術(shù)

1.1 預(yù)制單元標(biāo)準(zhǔn)化

通用型的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制構(gòu)件的研發(fā)和使用是自上而下的，需要由政府或機(jī)構(gòu)主導(dǎo)研發(fā)、指定規(guī)格、責(zé)令使用。海外資本市場(chǎng)由市場(chǎng)主導(dǎo)，因而構(gòu)件系統(tǒng)、尺寸及規(guī)格往往是不同廠家自主研發(fā)的體系。在體育建筑中，可按結(jié)構(gòu)形式分為預(yù)制混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)三種形式。不同于鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等天然的裝配式體系，預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)體育場(chǎng)館的預(yù)制單元在設(shè)計(jì)之初即需要策劃預(yù)制構(gòu)件的分配比例，確認(rèn)哪些構(gòu)件更適合預(yù)制，哪些適合定制，并根據(jù)場(chǎng)館常用數(shù)據(jù)研發(fā)出一套通用模數(shù)的構(gòu)件。如維也納安聯(lián)體育場(chǎng)（Allianz Stadium Rapid Vienna），采用的是Oberndorfer Betonwerke公司自主研發(fā)的產(chǎn)品，包括預(yù)制看臺(tái)，預(yù)制墻板（空心墻、實(shí)心墻、擋土墻），柱，看臺(tái)支架（見(jiàn)圖1維也納安聯(lián)體育場(chǎng)建成效果、圖2維也納安聯(lián)體育場(chǎng)預(yù)制構(gòu)件）。這一體系的預(yù)制構(gòu)件基本涵蓋了體育場(chǎng)的通用需求，僅在因項(xiàng)目不同而單獨(dú)設(shè)計(jì)、靈活性較大的其他功能配套區(qū)域采用現(xiàn)澆。這一系統(tǒng)模式可為預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的體育建筑的提供參考。

圖1 維也納安聯(lián)體育場(chǎng)建成效果

圖2 維也納安聯(lián)體育場(chǎng)預(yù)制構(gòu)件

1.2 單元模塊復(fù)雜化

公共建筑中外形具有一定辨識(shí)度，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的非線性表皮出現(xiàn)頻率頗高。設(shè)計(jì)師應(yīng)在維持建筑理念的前提下合理選擇技術(shù)體系和材料，平衡預(yù)算成本和項(xiàng)目精度。對(duì)設(shè)計(jì)師而言，應(yīng)在設(shè)計(jì)中盡量采用通用性預(yù)制單元，并在個(gè)性化設(shè)計(jì)部分提高定制型預(yù)制單元的重復(fù)率，可在保證項(xiàng)目標(biāo)志性和辨識(shí)度的前提下盡可能滿足工業(yè)化生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

建筑的模塊化設(shè)計(jì)既需要前期方案理念先行，又需要預(yù)制技術(shù)和相應(yīng)細(xì)部設(shè)計(jì)支撐。喬布斯和福斯特聯(lián)合設(shè)計(jì)的蘋果總部辦公大樓（Apple Park）即為此例。（見(jiàn)圖3蘋果總部辦公大樓（Apple Park）鳥(niǎo)瞰圖）。

圖3 蘋果總部辦公大樓（Apple Park）鳥(niǎo)瞰圖

設(shè)計(jì)理念。喬布斯提出的兩個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵為“圍合”和“吊艙（pods）”，后者即為模塊單元，再將單元模塊組織成圍合模式，用來(lái)工作、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和交流等（見(jiàn)圖4辦公樓標(biāo)準(zhǔn)層功能單元?jiǎng)澐郑Ｓ蛇@一設(shè)計(jì)目標(biāo)出發(fā)，福斯特團(tuán)隊(duì)通過(guò)預(yù)制構(gòu)件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)解決了隨后而來(lái)的一系列技術(shù)問(wèn)題。

圖4 辦公樓標(biāo)準(zhǔn)層功能單元?jiǎng)澐?/p>

細(xì)部設(shè)計(jì)。每個(gè)模塊為一個(gè)扇形的辦公單元，每個(gè)單元用玻璃幕墻隔斷。單元拼接后形成一個(gè)圓環(huán)形，圓環(huán)外環(huán)半徑為232m，環(huán)寬度為54.9m。共分為104 個(gè)扇區(qū)，內(nèi)角約為3.46°。因而需要一個(gè)外半徑可以跨越約13.7m，內(nèi)半徑跨越約10.7m 的樓板系統(tǒng)。同時(shí)，喬布斯要求室內(nèi)玻璃隔斷 的底部和頂部沒(méi)有可見(jiàn)的金屬構(gòu)件（見(jiàn)圖5辦公單元玻璃隔墻隱沒(méi)外框效果），因此玻璃需要穿過(guò)樓板直接固定在結(jié)構(gòu)框架上，再利用樓板厚度隱蔽玻璃金屬框架。這導(dǎo)致樓板無(wú)法保持連續(xù)，結(jié)構(gòu)傳力途徑也會(huì)被打斷。為解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出了內(nèi)裝與結(jié)構(gòu)、設(shè)備設(shè)計(jì)一體化的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)思路：除預(yù)制構(gòu)件梁、板、柱以外，創(chuàng)新地使用了一種高度集成的預(yù)制空心樓板：將雙T 板倒置，再局部變型形成缺口，以便嵌入薄板，再將玻璃框嵌入薄板拼縫定位，其上再鋪地板，從而將玻璃框完全隱沒(méi)（見(jiàn)圖6-10）。這一做法即可保證底層板受力連續(xù)，又可隱蔽玻璃隔斷框，同時(shí)可以利用樓板內(nèi)部空腔布設(shè)機(jī)電管線，是預(yù)制技術(shù)滿足美學(xué)要求、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和功能需要的范例。

圖5 辦公單元玻璃隔墻隱沒(méi)外框效果

圖6 樓板系統(tǒng)模塊現(xiàn)場(chǎng)吊裝

圖7 扇形辦公單元中預(yù)制樓板模塊劃分（柱頂空隙為預(yù)制梁及玻璃隔墻外框隱藏處）

圖8 預(yù)制樓板系統(tǒng)模塊徑向立面（作者自繪）

圖9 樓板系統(tǒng)與梁交接處節(jié)點(diǎn)（作者根據(jù)原圖修改標(biāo)注）

圖10 預(yù)制樓板系統(tǒng)模塊緯向立面（作者自繪）

1.3 建筑性能高標(biāo)化

在統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目中有2 個(gè)被評(píng)為L(zhǎng)EED 白金級(jí)、4 個(gè)金級(jí)，1 個(gè)銀級(jí)，另有數(shù)個(gè)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)中有綠色建筑方面的設(shè)計(jì)考量，更有部分項(xiàng)目專門聘請(qǐng)了LEED顧問(wèn)。這說(shuō)明，一方面當(dāng)代建筑項(xiàng)目已將建筑性能和可持續(xù)發(fā)展納入設(shè)計(jì)目標(biāo)，另一方面說(shuō)明裝配式建筑技術(shù)對(duì)建筑性能也有助益。

統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目中的兩個(gè)LEED 白金級(jí)項(xiàng)目均為體育場(chǎng)。自美國(guó)首座LEED 白金級(jí)體育館梅賽德斯-奔馳競(jìng)技場(chǎng)柏林，亞特蘭大（Mercedes-Benz Stadium,Atlanta）（見(jiàn)圖11）建成以來(lái)，美國(guó)體育場(chǎng)館建設(shè)進(jìn)入了以性能及可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)的新時(shí)期。黃金1號(hào)中心（Golden1 Center 以下簡(jiǎn)稱G1C）（見(jiàn)圖12）業(yè)主在設(shè)計(jì)之初即提出“最具標(biāo)志性、最可持續(xù)發(fā)展性、最科技先進(jìn)、最佳觀眾體驗(yàn)”的建設(shè)目標(biāo)，并最終取得全球所有室內(nèi)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館（Arena）中LEED 的最高分，并擁有多項(xiàng)技術(shù)首創(chuàng)，預(yù)制技術(shù)也為之貢獻(xiàn)頗豐。

圖11 梅賽德斯-奔馳競(jìng)技場(chǎng)柏林，亞特蘭大鳥(niǎo)瞰

圖12 黃金1 號(hào)中心 實(shí)景

G1C 是美國(guó)第一個(gè)使用置換通風(fēng)系統(tǒng)的體育館。由于擔(dān)心室外溫濕度的突然變化在球場(chǎng)上形成冷凝水會(huì)影響球員的安全和球場(chǎng)表現(xiàn)，此前NBA 從未批準(zhǔn)在比賽期間將新鮮空氣納入體育館的供氣系統(tǒng)。但G1C 的置換通風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)將新鮮空氣從看臺(tái)座椅下方地板開(kāi)口向上引導(dǎo)，而不是從頂置式擴(kuò)散器將強(qiáng)制空氣向下泵入賽場(chǎng)，從而解決了這些問(wèn)題，并獲得了NBA首肯。這一設(shè)計(jì)決定了看臺(tái)需要開(kāi)設(shè)大量出風(fēng)口。采用預(yù)制看臺(tái)可將開(kāi)孔工作在工廠完成，減少現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留洞口的繁復(fù)工作，并能保證開(kāi)洞精度，以便后期設(shè)備安裝對(duì)位。（見(jiàn)圖13）

圖13 黃金1 號(hào)中心 預(yù)制看臺(tái)及通風(fēng)口

為提高建筑性能，涌現(xiàn)出一批極具借鑒性的設(shè)計(jì)手法與技術(shù)。其中預(yù)制建筑技術(shù)貢獻(xiàn)度較大的另一個(gè)方面為外圍護(hù)系統(tǒng)。通過(guò)預(yù)制外墻的連接設(shè)計(jì)有效阻斷熱傳導(dǎo)，避免形成冷熱橋。如，女孩公司服務(wù)中心（Girls,Inc.Facility）具有連續(xù)隔熱的預(yù)制外圍護(hù)系統(tǒng)，采用復(fù)合板支撐來(lái)自屋頂和二樓框架的重力荷載。（見(jiàn)圖14）

圖14 女孩公司服務(wù)中心 預(yù)制外墻

2.總結(jié)

綜上所述，海外裝配式文體建筑呈現(xiàn)“預(yù)制單元標(biāo)準(zhǔn)化、單元模塊復(fù)雜化、建筑性能高標(biāo)化”的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)我國(guó)裝配式建筑設(shè)計(jì)與施工也具有一定啟發(fā)：

（1）自上而下的行業(yè)通用構(gòu)件可提高生產(chǎn)效率，提高周轉(zhuǎn)率，是建筑工業(yè)化的基礎(chǔ)。

（2）提高單元重復(fù)率的同時(shí)，在單元模塊內(nèi)提高精度與密度，是提高建筑產(chǎn)品完成度的關(guān)鍵。

（3）提高建筑性能標(biāo)準(zhǔn)，使建筑可被量化評(píng)估，是建筑工業(yè)化產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)的關(guān)鍵。

隨著科技進(jìn)步，新型建筑材料層出不窮，主要集中在內(nèi)外圍護(hù)與結(jié)構(gòu)材料上。設(shè)計(jì)師應(yīng)主動(dòng)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(xiàng)目適用性、視覺(jué)效果等。對(duì)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(hù)措施。擴(kuò)充材料備選庫(kù)，綜合考察供應(yīng)鏈，因地制宜選用建筑材料。