國外文化建筑中裝配式外圍護系統(tǒng)設計分析

文／張 瑤 同濟大學建筑設計研究院（集團）工程技術研究院 工程師 碩 士

吳宏磊 同濟大學建筑設計研究院（集團）副總工程師 教授級高級工程師 博 士

韓 斐 寶業(yè)集團上海公司

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屬性，因而建筑師在文化建筑的外圍護系統(tǒng)設計上多具巧思。將裝配式建筑技術應用在文化建筑的外圍護系統(tǒng)中的設計思路無疑滿足了建筑師對力與美的極致追求，也是全球范圍內建筑工業(yè)化的大勢所趨。文章針對國外當代文化建筑進行了廣泛調研，從眾多項目中總結出一定設計規(guī)律并進行拆解分析。

1 裝配式建筑設計技術

1.1 外圍護與結構一體化的設計

沖繩國家大劇院（Okinawa National Theatre）竣工于2003 年，其體現(xiàn)出的利用大型預制構件實現(xiàn)外圍護與結構一體化的設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計；（2）外表皮裝飾與結構一體化；（3）外墻采用預制混凝土，而非現(xiàn)代熟識的幕墻結構。

設計之初即確立單元母題。沖繩國家大劇院受當?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，因此采取了預制混凝土構件的方式。負責建造的日本承包商P.S.三菱建筑股份有限公司采用了PCa.PC 拼裝結構技術進行建造。Pca 外墻板的形狀優(yōu)美，帶有連續(xù)的白色對角網(wǎng)格，在底部拱形預制有琉球石灰?guī)r飾面（高耐鹽耐腐蝕性）。每個預制混凝土構件長12m，寬1.9m，重達31噸。由于外墻本身也是結構承重構件，因此做成預應力預制構件，由于構件體型龐大，采用了先張法和后張法結合的方式，即：首先在澆筑過程中先張緊每個構件，然后在安裝后通過二次張拉將整個表面拉緊在一起。由于構件形狀復雜，加之對安裝精度要求極高，為避免運輸和存儲損傷，所有的預制混凝土構件都采用了在施工現(xiàn)場預制的生產方式。

建筑設計的單元模塊還需要根據(jù)生產工藝被進一步細分為便于生產安裝的單元模塊。每個單元模塊通過內部預應力鋼筋的二次張拉被拉結壓緊，形成一個能夠抵抗表面外力的預應力曲面板。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應力鋼筋相連，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精度非常重要。

1.2 表面肌理精細化的設計

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，建筑師的設計重點需要從“設計體塊”分一部分到“設計模板”中。定制模板的預制構件的設計和使用相對小眾，靈活性更高，成本也會相應提高，往往由設計師和甲方主導。若在設計之處即對模板的形狀和工藝都考慮得當，將會產生特殊而精致的立面肌理。喬班基金會-建筑繪畫博物館（Tchoban Foundation-Museum of Architectural Drawing）即為在外表皮采用特殊模板定制的預制構件實現(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拌混凝土制成的預制混凝土面板。從外向內，構造層依次為：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節(jié)室內水分，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制混凝土添加彩色顏料制成的，為此需要預先制作大量混凝土樣本測試顏色。

外墻利用硅樹脂基質獲得浮雕狀表面。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 單元模塊復雜化的設計

文化建筑中外形具有一定辨識度，結構復雜的非線性表皮出現(xiàn)頻率頗高。洛杉磯當代藝術博物館（The Broad Museum）的表皮系統(tǒng)為三維變型的表皮模塊，需要數(shù)字設計精細深化，精益建造。

洛杉磯當代藝術博物館（The Broad Museum）的表皮取意“穹頂”，為一個通風的蜂窩狀外骨架結構。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)對結構堅固性和強度要求極高，要求結構能有較大的扭轉強度，這一標準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)被細分為若干預制單元，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650噸、長度橫跨整個街區(qū)的鋼結構屋頂。GFRC 表皮的高強度可滿足結構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，這有助于適應面板與結構鋼的嚴格公差。

“面紗”還具有結構承重功能，包括外立面和屋頂?shù)慕Y構梁，這些梁也是預制結構。這些梁是連接后張鋼筋的樞紐。預制模塊內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，構件廠商CTC 團隊在整個項目過程中負責把控以下幾個步驟：（1）施工過程合理化；（2）生產策略；（3）數(shù)據(jù)交叉檢查；（4）工程施工；（5）模具制造；（6）質量控制；（7）工具制造。設計師與生產商、施工方的通力配合，使項目表皮得以精確完工。

2 裝配式建筑材料應用

2.1 預制混凝土與現(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、表面細膩，能夠更好地表達建筑形體，因而得到建筑師的青睞，廣泛應用在注重造型的文化建筑中，并因在邁阿密的多個標志性項目中使用而得名“邁阿密白”。然而，由于白混凝土生產工藝要求高、造價高，若在滿足美國高強度設計標準的結構構件中全部使用白混凝土，則會使造價飆升，同時生產工期也會延長。因此，設計師往往會采用白混凝土與素混凝土搭配的建造方式。

表1 裝配式建筑外表皮設計方法總結（表格來源：作者自繪）

以國際巴洛克博物館（Heroica Puebla De Zaragoza）為例，該項目的墻是其精髓，端部卷曲的白色墻體兼具功能、造型與結構作用。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超預算，因而最終采用工廠預制建造。墻體作法也有設計巧思：經過比例推敲，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”：兩層白混凝土預制墻板中間灌注灰色混凝土，內外兩層預制板以拉結筋等夾層相連結。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 不同種類預制混凝土的分段組合

菲利普和帕特里夏·弗羅斯特科學博物館（The Phillip and Patricia Frost Museum of Science）的視覺亮點為其67 英尺（約20m）直徑的穹頂結構，內部為天文館劇場。

這一球體內外都要用作投影屏幕，因而球體內外表面都要呈現(xiàn)為光滑而無炫光的白色。為達到這一效果，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。經過研究，本項目最終采用了白色球形預應力預制混凝土結構板+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制。同時，在地基上澆筑圓形基座，作為預制弧型板片的定位模板。球體內部分為上下半球，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計計算，則白混凝土用量過高，造價超出預算。最終，設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計值部分單獨計算，在內部不可見處用素混凝土補足。這一“球中球”式設計兼顧了美觀、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時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，保證結構強度，平衡建造成本。

2.3 預制混凝土與鋼結構的組合搭配

鋼結構是天然的裝配式結構體系，在文化建筑中應用廣泛，設計技術也相對成熟，但隨著建筑功能復雜、建筑造型豐富，對鋼結構的挑戰(zhàn)也在日漸升級。主要體現(xiàn)在結構復雜度提高、精度要求提高，鋼結構與預制外墻或其他材質結構的連接還需要根據(jù)每個項目特殊設計。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（Apple Aventura）中，涉及鋼結構、預制混凝土結構、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感。為保證拱券交接平滑而精準，梁和屋頂拱券在工廠預制。但是，為滿足空間凈高同時符合古典比例，柱子比例需要纖細修長，因此福斯特采用了鋼結構，為使鋼柱與混凝土構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構保護層，具有防火與防腐功能。而屋頂預制構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

筆者將上文所述案例設計手法及適用性概括為表1。

在設計思想上總結如（表1）。

3.1 用模塊化思想指導設計工作，為后續(xù)全產業(yè)鏈配合運作提供便利

模塊化設計應在秩序中變通，包括拓撲變化、單元母題復制、同質異構變化等。同時，應在設計初期就與生產廠家溝通，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之上。

3.2 采用適宜結構技術滿足設計標準

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，因此應配合采用有利于提高結構強度的設計技術，減輕預制結構負擔。

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

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

結語

綜上所述，海外裝配式文化建筑呈現(xiàn)“方案設計模塊化，結構設計高標化，材料選用多樣化”的發(fā)展趨勢，對我國裝配式建筑設計與施工也具有一定啟發(fā)。當代設計師面臨的設計環(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知識和背景信息，才能制定出合理的設計目標并最終實現(xiàn)。