基于裝配式技術的國外公共建筑表皮設計研究

文｜同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 張瑤

引言

隨著全球建筑工業化發展，我國的裝配式建筑推廣工作也取得了相當可觀的成績，我國的裝配式建筑進程正在從量變到質變的過渡期，設計觀念和工作重點也從結構預制到建筑裝配。這一轉變需要建筑專業牽頭、全產業鏈配合，為打開思路，探尋多樣化的技術組合，本文針對國外裝配式公共建筑進行有選擇性地調研。調研項目選取原則為：（1）項目知名度（項目建設單位影響力、設計師知名度）；（2）技術創新（外圍護系統辨識度與創新性、裝配式加工及施工）；（3）地域（以歐美地區建筑工業化產業鏈及商業模式較為成熟的國家為主，結合部分亞洲標志性的項目）；（4）時間（從2021年倒推至二戰后）。從眾多項目中總結出一定設計規律，以下為遵循此規律的典型建筑項目的拆解分析。

1.裝配式建筑設計技術

1.1 預制單元標準化

通用型的標準預制構件的研發和使用是自上而下的，需要由政府或機構主導研發、指定規格、責令使用。海外資本市場由市場主導，因而構件系統、尺寸及規格往往是不同廠家自主研發的體系。在體育建筑中，可按結構形式分為預制混凝土、鋼結構、木結構三種形式。不同于鋼結構、木結構等天然的裝配式體系，預制混凝土結構體育場館的預制單元在設計之初即需要策劃預制構件的分配比例，確認哪些構件更適合預制，哪些適合定制，并根據場館常用數據研發出一套通用模數的構件。如維也納安聯體育場（Allianz Stadium Rapid Vienna），采用的是Oberndorfer Betonwerke公司自主研發的產品，包括預制看臺，預制墻板（空心墻、實心墻、擋土墻），柱，看臺支架（見圖1維也納安聯體育場建成效果、圖2維也納安聯體育場預制構件）。這一體系的預制構件基本涵蓋了體育場的通用需求，僅在因項目不同而單獨設計、靈活性較大的其他功能配套區域采用現澆。這一系統模式可為預制混凝土結構的體育建筑的提供參考。

圖1 維也納安聯體育場建成效果

圖2 維也納安聯體育場預制構件

1.2 單元模塊復雜化

公共建筑中外形具有一定辨識度，結構復雜的非線性表皮出現頻率頗高。設計師應在維持建筑理念的前提下合理選擇技術體系和材料，平衡預算成本和項目精度。對設計師而言，應在設計中盡量采用通用性預制單元，并在個性化設計部分提高定制型預制單元的重復率，可在保證項目標志性和辨識度的前提下盡可能滿足工業化生產與可持續發展的目標。

建筑的模塊化設計既需要前期方案理念先行，又需要預制技術和相應細部設計支撐。喬布斯和福斯特聯合設計的蘋果總部辦公大樓（Apple Park）即為此例。（見圖3蘋果總部辦公大樓（Apple Park）鳥瞰圖）。

圖3 蘋果總部辦公大樓（Apple Park）鳥瞰圖

設計理念。喬布斯提出的兩個設計關鍵為“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，用來工作、團隊協作和交流等（見圖4辦公樓標準層功能單元劃分）。由這一設計目標出發，福斯特團隊通過預制構件節點設計解決了隨后而來的一系列技術問題。

圖4 辦公樓標準層功能單元劃分

細部設計。每個模塊為一個扇形的辦公單元，每個單元用玻璃幕墻隔斷。單元拼接后形成一個圓環形，圓環外環半徑為232m，環寬度為54.9m。共分為104 個扇區，內角約為3.46°。因而需要一個外半徑可以跨越約13.7m，內半徑跨越約10.7m 的樓板系統。同時，喬布斯要求室內玻璃隔斷 的底部和頂部沒有可見的金屬構件（見圖5辦公單元玻璃隔墻隱沒外框效果），因此玻璃需要穿過樓板直接固定在結構框架上，再利用樓板厚度隱蔽玻璃金屬框架。這導致樓板無法保持連續，結構傳力途徑也會被打斷。為解決這一問題，設計團隊提出了內裝與結構、設備設計一體化的節點設計思路：除預制構件梁、板、柱以外，創新地使用了一種高度集成的預制空心樓板：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（見圖6-10）。這一做法即可保證底層板受力連續，又可隱蔽玻璃隔斷框，同時可以利用樓板內部空腔布設機電管線，是預制技術滿足美學要求、結構強度和功能需要的范例。

圖5 辦公單元玻璃隔墻隱沒外框效果

圖6 樓板系統模塊現場吊裝

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

圖8 預制樓板系統模塊徑向立面（作者自繪）

圖9 樓板系統與梁交接處節點（作者根據原圖修改標注）

圖10 預制樓板系統模塊緯向立面（作者自繪）

1.3 建筑性能高標化

在統計項目中有2 個被評為LEED 白金級、4 個金級，1 個銀級，另有數個項目在設計中有綠色建筑方面的設計考量，更有部分項目專門聘請了LEED顧問。這說明，一方面當代建筑項目已將建筑性能和可持續發展納入設計目標，另一方面說明裝配式建筑技術對建筑性能也有助益。

統計項目中的兩個LEED 白金級項目均為體育場。自美國首座LEED 白金級體育館梅賽德斯-奔馳競技場柏林，亞特蘭大（Mercedes-Benz Stadium,Atlanta）（見圖11）建成以來，美國體育場館建設進入了以性能及可持續發展為目標的新時期。黃金1號中心（Golden1 Center 以下簡稱G1C）（見圖12）業主在設計之初即提出“最具標志性、最可持續發展性、最科技先進、最佳觀眾體驗”的建設目標，并最終取得全球所有室內運動場館（Arena）中LEED 的最高分，并擁有多項技術首創，預制技術也為之貢獻頗豐。

圖11 梅賽德斯-奔馳競技場柏林，亞特蘭大鳥瞰

圖12 黃金1 號中心 實景

G1C 是美國第一個使用置換通風系統的體育館。由于擔心室外溫濕度的突然變化在球場上形成冷凝水會影響球員的安全和球場表現，此前NBA 從未批準在比賽期間將新鮮空氣納入體育館的供氣系統。但G1C 的置換通風系統通過將新鮮空氣從看臺座椅下方地板開口向上引導，而不是從頂置式擴散器將強制空氣向下泵入賽場，從而解決了這些問題，并獲得了NBA首肯。這一設計決定了看臺需要開設大量出風口。采用預制看臺可將開孔工作在工廠完成，減少現場預留洞口的繁復工作，并能保證開洞精度，以便后期設備安裝對位。（見圖13）

圖13 黃金1 號中心 預制看臺及通風口

為提高建筑性能，涌現出一批極具借鑒性的設計手法與技術。其中預制建筑技術貢獻度較大的另一個方面為外圍護系統。通過預制外墻的連接設計有效阻斷熱傳導，避免形成冷熱橋。如，女孩公司服務中心（Girls,Inc.Facility）具有連續隔熱的預制外圍護系統，采用復合板支撐來自屋頂和二樓框架的重力荷載。（見圖14）

圖14 女孩公司服務中心 預制外墻

2.總結

綜上所述，海外裝配式文體建筑呈現“預制單元標準化、單元模塊復雜化、建筑性能高標化”的發展趨勢。對我國裝配式建筑設計與施工也具有一定啟發：

（1）自上而下的行業通用構件可提高生產效率，提高周轉率，是建筑工業化的基礎。

（2）提高單元重復率的同時，在單元模塊內提高精度與密度，是提高建筑產品完成度的關鍵。

（3）提高建筑性能標準，使建筑可被量化評估，是建筑工業化產業鏈閉環的關鍵。

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，應特別注重產業鏈上下游的連續性、專業度以及關鍵環節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。