瑞士苏黎世联邦理工学院建筑技术实验楼——一个建造的实验

汪弢 Wang Tao

一、瑞士苏黎世联邦理工学院建筑技术实验楼（Arch_Tec_Lab） 的由来

2010年一群来自苏黎世瑞士联邦理工学院（ETH Zürich）建筑技术研究所（ITA）的研究者们聚集在一起，思考在新技术条件下，为自己的研究所设计建造一座建筑系新的实验楼（图1），目的是展示多年来研究者们在各个领域的研究成果，同时也为未来的研究方向寻找新的可能性。多年来，整个苏黎世都处在城市加密过程中，而新的研究所楼也是一次新的尝试，在用地有限的情况下，通过加建在现有的建筑上来实现空间扩展。建造管理及流程（Bauprozess）教席的Menz教授为新楼命名“Arch_Tec_Lab”， “Arch” 为“Architecture”的缩写，“Tec” 为“Technology”的缩写，“Lab”为“Laboratory” 的缩写。简单翻译过来就是建筑技术实验楼，而在整个设计发展过程中，除了建筑本身功能性上对实验室的要求，其自身也是一场实验，不但是技术的实验，这场实验甚至扩展到了建筑法规、节能规范等层面。

图1：建筑技术实验楼（Arch_Tec_Lab）外景

图2：总平面图

图3：地下一层平面图

图4：底层机器人工厂平面图

图5：二层办公研究层平面图

图6：屋顶层平面图

图7：剖面图

建筑位于瑞士苏黎世联邦理工学院Hönggerberg校区。由于用地紧张，整个建筑架在建筑学院地下停车场上方，以求最小的占地面积。主结构由12组钢结构组合柱支撑。建筑功能主要分为三部分：地下层为设备与辅助功能用房；底层为NCCR DFAB（瑞士联邦国家重点研究实验中心-数字化建造实验室）的机器人工厂；二层被隔成两部分，即教授办公室以及上部供学生、博士助教研究学习的开放空间。屋顶采用了数字化机器人建造方式，底层和二层之间设置了设备中空层（图2～图7）。

项目建筑面积约6000m2，整个项目总体经历了两个阶段：2011～2014年为项目设计、可行性研究阶段；2014～2016年为项目实施施工阶段。项目设计和研究阶段共有ETH 建筑技术研究所6个教席参与，实施阶段为总包工程项目，涉及约12家不同设计专业工种加入。2016年瑞士联邦工程师与建筑师协会期刊（Tec 21）为这个建成的项目发了特刊，从新技术的角度来介绍这个面向未来的项目。

这里提到的新技术大致可分为:数字化建造（Digital Fabrication），零排放节能技术（Zero Emissions）,BIM （建筑信息模型)。以名字来说，这几项技术最早被提及甚至可以追溯到1990年代。而针对这方面，在ETH建筑技术研究的各个教授也已有5～10年的研究。整个设计的开始和其他项目略有不同，是先决定了采用技术的种类，再开始整合设计。也正因为这个思路的不同，导致设计开始阶段建筑师就不是这个项目唯一的设计者，设计团队也非常庞大。

二、机器人的屋顶的建造

屋顶自身横截面为桁架结构，通过钉接的方式，层层叠加形成最后的形态。因为这样的结构形式，荷载被转化成杆件的轴向力（拉应力和压应力），再通过图解静力学对杆件位置和形式进行优化（图10、图11）。

上下杆件与腹杆形成“三明治”叠加形式，再打钉链接（图12）。考虑到受力不同，因而每个节点的钉子数量各不相同，于是杆件与杆件的重叠部分也不相同。然而在打入钉子时，由于每根杆件的纤维排列不同，会出现打钉处开裂，链接失效的情况，所以结构工程师和生产厂家要先通过实验来预估钉接有效面积与钉位爆裂的边界条件。整个屋顶被切分成168个部分分开预制再到现场安装（图13）。屋顶面积2300m2，由有48000根木杆件及95000根钉子组成。从定型到最后安装完成只用时三个半月。这要求设计到预制的过程中，建筑师、工程师和生产商精密配合，他们彼此共享一套数据链，从模型到最后的预制全部由机器人完成（图14～图17）。

三、“坐地为炉”的节能技术

图8：办公夹层的透视

图9：屋顶找形示意

图10：屋顶纵剖面，结构优化示意

图11：屋顶主结构模型

图12：木杆件细部1∶1模拟实验

图13：屋顶预制现场

图14：建筑师、工程师、生厂商工作流程图

图15：屋顶构造三维模型层级

图16：节点钉位图示意

图17：机器臂预制现场

图18：空气源与地源热示意

图19：ETH Hönggerbeg校区地源热循环系统

图20：通风示意图

图21：剖面细部

零排放节能技术最初由建筑设备研究所（Gebäudetechnik）Leibungsgut教授担任顾问，之后由Schluter教授接手实施。零排放节能技术的核心首先是提高能源的使用效率。建筑使用热泵作为主要制冷与供暖设备。基于热力学第二原理的热机，效率参数COP取决于热源与设定温度的温差。COP=T1/ (T1-T2 ) T1 为设定温度， T2为热源温度。传统热源比如空调使用空气作为热源，缺点在于不稳定，而且在瑞士德语区冬季室外温度低于5℃，属于效率很低的热源。归功于ETH Hönggerberg 开始于1990年代的地源热泵系统为热泵提供了稳定在10℃上的热源（图18、图19），根据热力学公式Energie= Extergie+Anergie (能耗=推动热泵的外部能源+热源，外部能源多为具有排放效应的化石能源) ，在保证高效热泵输出下，整个建筑降低了外部能源的消耗，达到节能甚至零排放的目标。这种节能方式选择不从建筑能耗大小的绝对值入手，而是转变思路，通过热泵系统，主要以提高化石能源的使用效率为出发点。当然也会面临一个质疑，能耗的一大部分其实是地源热能，如果大量推广，会影响整个生态地表温度分布。而这个问题在Hönggerberg 校区也在测试中，另外地热能并非一直在消耗中，夏天制冷过程中，把大地作为蓄热体，将热源会输给地下。简单来说，整个校区就是一个巨大的蓄能器加能源交换器，保证各个链接上的建筑的有效使用。第二个措施是对通风系统的创新，风机的效率取决于设置风速，传统通风系统中，从高到低根据空间等级，风管从大到小、风速从高到低设置系统。建筑技术实验楼中通风系统核心是在机器人工厂与办公研究所之间设置一个高风压的新风层，通过风压差，将新风扩散到各个空间。机器人夹层空间通过抽风机来实现通风（图20）。传统建筑中总风机被分散到夹层中的小风机取代。中空层楼板上设置出风口，通过建筑自动化，可以加强、减弱或者关闭部分空间的新风量。分散的小风机的出风速度，低于传统总风机系统的初始风速，有效降低风机能耗。同时整个建筑中取消了水平设置的风管，解放了建筑空间高度（图21）。

四、“桌子”结构体系

图22：结构方案一——“大梁”

图23：结构方案二——“桌子”

图24：组合柱平面图

图25：楼梯间结构形式

图26：山梨文化会馆平面图

以上提到这两部分技术是整个项目实验的部分内容，整个项目在多个新技术并行的情况下，需要一个在设计上的推动力。而这主要来自于结构设计的合作。这部分设计由结构教席Joseph Schwartz教授负责，针对现有的条件，他提出结构设计的三个出发点，即轻结构、刚度及灵活性。轻结构一是出于地下车库荷载能力的考量，二是符合设计概念——能否发展出一套轻结构体系来面对未来的加建。刚度一方面由于轻结构要求的抗侧向推力的需要，另一方面由于悬吊的机器人产生动荷载引起的结构形变，不能影响到机器臂的准确度。至于灵活性始于概念中建筑的扩展性，为以后连接加建的建筑留有余地，甚至可以重新调整交通流线。这样交通核需要是一个可变系统。传统结构中主结构承重的核心筒在这里要被设计成一个独立于主结构的自承重系统。Schwarz教授提供了几套方案（图22、图23），最后选择了“桌子”结构方案。底层12组组合钢柱与中间钢筋混凝土填充于夹层的穿孔钢梁形成整体——抗剪、抗弯的刚体。二层的钢柱保留组合钢柱的形式，但不浇筑混凝土，二层及其中间夹层其实是一套轻质钢结构落在下层的“桌子”上。组合柱之间的空隙提供垂直管井的空间（图24），中空层高达85cm的钢梁，提高结构刚度的同时，也成为所有设备层的“收纳处“。独立于主结构的交通核心筒是一个独立系统，竖向荷载由两根钢柱传递至基础，水平荷载通过弹性连接传递至主结构楼板。楼梯梁加强了钢柱的整体刚度（图25）。在决定采用哪种方案时，Schwartz教授认为建筑结构在这里除了满足结构要求之外，它必须提供一个兼容性，将垂直结构收敛到12根钢柱，和中空层形成巨构形式，不仅整合了建筑设备系统，同时也为平面分布提供了灵活性，“巨柱”也给建筑创造了一个视觉上的方向感。这个概念甚至让我联想到了丹下健三在山梨文化会馆中的核心筒设计（图26）。

五、技术的表现

虽然表现技术是整个项目任务之一，但从一开始我们就必须选择一种有节制的方式来表现技术，不至于过分突出而使设计失去统一性，所以将建筑分割成几个部分、让各个研究者自由发挥的方式从一开始就不在我们考虑范围之内。当各个门类的技术专家和建筑师坐在一起时，思考的是技术给建筑提供怎样的可能性，新技术在建筑中的自明性。技术的价值判断是非常直接、客观的，可以用数据来标定。比如节能技术的回馈可以以更低的能耗数据，机器人建造可以以更快的建造速度来呈现。而在建筑中对于这种更快、更便宜、类似的数据可视化是很难想象的，简单地放个录像或者挂个标签也是我们不能接受的，需要转变思路，在新的技术带来的建筑可能性与它随之带来的“非日常化”中找到建筑表达和技术表达的结合点。 以零排放技术“Zero Emissions”为例，通过地源热泵技术，将低品位的能源转化成高品位的能源，以省去对化石能源的消耗。换句话讲，建筑能耗增加，并不会比一般建筑消耗更多具有污染性的能源。建筑有“资本”消费更多的能源。一些本来不被允许使用的、节能性能差的构造和材料，将重新焕发生机。底层的机器人工厂只使用双层玻璃，U值接近于1，大空间、气密性不足的构造方式，如果没有新的节能技术，作为公共建筑在苏黎世是绝对拿不到建造许可的（图27）。从1970年代的石油危机开始，保温已经成为建筑无法回避的问题，而随之而来的节能规范要求逐年不断提高，建筑的能耗要越来越低，保温层也变得越来越厚，建筑可以自然通风的面积也被限制得越来越小。随之而来的问题是一大批老建筑必须逐步更新立面，以达到新的要求。就如毗邻建筑技术实验楼的ETH 1970年代的建筑系老楼，近些年面临选择——立面需要更新。而作为一栋有历史价值的老楼，轻易地修改立面是不能想象的。建筑技术实验楼这个机器人工厂它不仅仅是一个透明敞亮的车间，更是提供一种可能性——使用新的节能技术，可以提高建筑构造以及材料的选择自由度。

图27：机器人工厂室内

图28：屋顶中喷淋系统

图29：屋顶采光

图30：屋顶与各层构造

图31：排烟管与屋顶

图32：屋顶局部底视图

图33：屋顶底视图

而数字化建造情况又有所不同。正如之前说，数字化建造是一套完整的，甚至高效的体系。然后正因为它的自成体系，使它作为建筑中的一部分具有高度的排他性。一个自由的形式，一个从设计到建造都是可以靠一套机器代码解决的建筑，部分需要和其他传统建造的建筑元素共存。如果说机器人建造是高效的，它只限于建筑的一部分，其他部分不能因为它复杂而排他的形式，反而降低了效率。Gramazio和Kohler教授选择设计的难度并没有放在形式夸张或构造的复杂度上，而是将把重点放在如何将建筑其他系统条件融入屋顶中，成为参数化屋顶的一部分。这些元素包括：结构，喷淋系统，照明系统，屋顶防水，楼梯间烟井，天窗系统（图28～图30）。图31～图33显示是测试楼梯间排烟井与木屋顶关系的不同效果的过程，因而产生了不同的木杆件开合关系。最后木屋顶出现如同织物般的柔和感，以及构造的高度适应性。它直接表现的是建筑中其他存在的元素，整个屋顶不是对自身形式，而是对周围的条件的反馈。通过数字化建造完成一个形式，在当今技术下已经不是问题，真正的复杂性是源于它和其他部分的整合，当屋顶建成时，面对它，常被问的是这个屋顶怎么排烟，怎么防火，怎么隐藏结构的。一个完整一体化的屋顶，反而映射了自身所隐含的技术条件复杂性。

六、建筑师的角色与反思

通过对建筑技术实验楼中的几项技术概念粗略的介绍，我们看到，在一系列技术加持下，各个设计专业的合作中，建筑师的角色似乎隐去。作为项目建筑师在这个项目中确实感受到自身角色定位的特殊及工作方式的变化。除了建筑设计本身任务，更要求我们成为系统流程的思考者及设计者，这会对专业提出新的要求。

建筑的复杂度不断在提高，专业也越来越细分，这里无需赘述。专业的相对封闭性和彼此之间的断裂也在出现，如果这是无法回避的，是不是需要面向这个情况反省之前的方式？建筑技术实验楼不仅是一场技术上的实验，也是在组织系统上的。因为需要让各个专业相互了解彼此的技术，在概念阶段每个教席就委派一到两名研究员和建筑师组成一个特别设计团队。在头脑风暴阶段各种专业不仅仅是建筑师的顾问，也是设计开始的参与者，在彼此理解的角度下建议设计的走向。这种模式下技术不会变成设计之后的附加品，而是彼此整合的。在这里并不是让建筑师放弃对其他专业的理解，一开始就交出控制权，而是先要把思考的边界在自己已知的基础上对外拓展，再去思考设计的可能性。

在设计中，使用的BIM（建筑信息模型）和数据链建造技术，对建筑师而言，这两项技术首要的应用价值是能更早、直观、明朗地显示从设计到建造流程中的各个环节，从而帮助我们更早地建立一套联动的系统。比如当我们决定使用组合钢柱中间设置设备管井，一个预制建造与设计流程上问题很早就暴露出来。钢结构是预制杆件，在工厂中是喷完防火漆运到现场，在完成基础后就必须先被安装，这意味着所有固定管井的挂件必须同时预制其上。而挂件的位置取决于管线的大小和位置排布。传统设计流程，先结构、土建、设计然后设备，给管线留足空间，此时设备设计往往还未完全确定，在这里就不现实了。组合柱的结构要求决定不可能留给管线过大的空间，必须要求设备设计更早完成，为此要对设计流程提前做出改变。专业细分在瑞士相较于欧洲其他国家发生得更早，细分的程度也非常高，这样的问题如果在早期没有判断，工种之间的衔接就会出现巨大的问题。更早地明确从设计到建造的系统其实不是BIM独有的价值，而是面对如今这样的环境，对建筑师角色的要求，BIM等一系列技术只是起到辅助作用。

利用安居客及搜房网等地产网站为样本源，搜索到分析区域内小区样本点的名称、均价、地址、类型等资料，所查到的数据为2015-2016年小区的房屋均价。利用Google Earth提取四区范围内的住宅小区、交通、医院、教育、公园等公共设施并数字化处理。将搜集到的这些数据，运用ArcGIS的近邻分析方法从三个方面量化影响因素数据分析计算所得的小区基本信息即为模型变量如表1所示。计算所得的这些最短距离用于地理空间数据库的建立。

图34：现场交流

图35：现场验收钉位

最后回到技术上，比起谈论新技术的可能性，在设计过程中面临的技术与技术之间的平衡和制约是我更感兴趣的内容。建筑整个过程中涉及的技术领域跨度巨大，代差也很大。从施工图设计到施工，到现场控制，误差调整这一套传统方式依然还会占主导地位。在我们施工过程中，既要用简单的方式向施工人员解释设计意图（图34），也需要完成代码编写来控制机器人打钉（图35）。建筑犹如一个调酒容器，技术犹如酒与辅料，新技术（口味）的加入，可能带来不同寻常的体验，当然也可能没有。数字化建造如果是一个趋势，建筑师面对它是要拓展自己的领域，还是把这看作一个新的专业分工，像对待其他专业分工一样，并不需要过多关注它是怎么生产和发生的，只是给自己成熟的体系中加入另外一个完成品? 建筑技术实验楼项目中，后者的趋势已经显现出来，相对数字化建造部分，其他工种还是处在观望态度，在他们还未完成技术储备之前，他们更倾向于只是去知道彼此接口在哪里，能够对接上就好。可能下一个项目又会回到原来的方式，自身动力也不充足。而设计团队内部，随着设计深入，编程内容复杂加大，相比于阅读图纸，阅读代码的难度和参与协同的难度门槛也更高。于是逐步向几个设计人员手上集中，甚至为协助我们编写机器人语言，还有ROB这样专业面向建筑师的机器语言开发公司的加入，变成一个相对独立的小团体。1927年当Weissenhofsiedlung在斯图加特开展时，作为建筑师的勒·柯布西耶（Le Corbusier）同时还要推动窗的工业化（图36、图37）。彼时建筑师还能设计窗的形式、材料等，依然能够画得清窗的构造。随着窗的工业化发展，技术的变化，以及逐渐强大的幕墙工程师团体，窗和幕墙如今对于建筑师来说，渐渐成为设计中的黑体，从工程师或生产商拿来加入即可。同样问题也发生在其他许多技术引入中。2011年ETH举办一场关于未来建造的论坛， 来自Walt Galmarini公司的工程做了一次关于瑞士预制现状的发言，开场白就提到瑞士的混凝土预制率远低于欧洲平均水平，他总结了几条原因，其中一条就是设计人员不了解预制建筑的设计和施工的特殊性[1]。但是翻看瑞士历史，1960年代就成立了瑞士联邦建筑专业生产联盟（IWB）。当时预制建筑方兴未艾，成立的目的就是建立一套面向预制建筑从设计人员到生产企业的解决方案。经过一时间的实践，人们发现设计人员对于预制系统不清楚是阻碍预制推广的一个主要原因[2]。近50年过去了，还是停留在原地？ 其实并不是任何一方没有尽力推动，只是对建筑师来说，当无法完全参与到预制设计全流程中去（当今工业体系的复杂度，使跨界变得非常困难），所有学习和理解多数停留在询问预制厂家可以不可以做，对建筑设计有什么要求的层面上。其实和对待预制的窗、水龙头并无二异。越来越多的新技术出现，对建筑师要求是更全能和多方面，同时因为本身能力的制约，会反向催生出新的设计专业，也加剧专业间的区隔，在我们欢呼新技术带来的设计革新时，这种“危险“始终值得我们警惕。

图36：斯图加特水平移窗的原型

图37：Le Corbusier 窗的工业化和多样性草图

七、建筑技术实验楼的意义

当建筑技术实验楼建成之后，我们核算最后造价，和苏黎世其他教育类建筑相比，处于中位数区间，直观上看，使用了新技术，并不能马上带来经济效益上的直接反馈。积极的来看，在相同条件下，建筑技术实验室提供了一种新的可能性，在经济上去衡量建筑技术实验楼似乎略显狭义。2014年在项目进行中，DFAB及整个ITA申请到了瑞士NCCR基金，作为瑞士未来的国家研究方向之一，建筑技术实验楼恰逢其时地给出了一次成果展示。整个技术研究所加上与建筑师的合作使数字化建造已不再停留在一堵墙、一片屋顶形式的操作上，在应用场景上有了进一步拓宽。2016年瑞士开始推动BIM在市场的应用，出台了新的规范，建筑技术实验楼提供了一个市场预演的样本。在现有的市场上来看，BIM在推动项目质量方面并不能起到特别的作用，更多停留在媒介及展示价值上。作为一个庞大的、需要全社会参与的系统，需要时间来检验其未来的价值。

注释

[1]出自研讨会文件 :S.Braune 和 R.Stüssi在 ETH 2011 年 6 月29日的发言《Baukonstruktion und Vorfertigung Planende und Ausführende im Dialog》,P40。

[2]U.Pfister, 期刊 《Schweizerische Bauzeitung》1972年第20期 455页 《Bauindustrialiserung in der Schweiz》第30行。

图片来源

图1、图8、图27：版权由Andrea Diglas/ ITA/ Arch-Tec-Lab AG 提供

图2～图7、图21：版权由 ITA/ Arch-Tec-Lab AG 提供，作者绘制

图9、图10、图14～20、图28～图33：版权由 ITA/ Arch-Tec-Lab AG 提供

图22～图25：版权由ITA提供

图26：出自Hans-Ulrich Meyer刊于《Bauen+Wohnen=Construction+habitation》1972年第10期 468页 《Bauen in Japan》插图4

图34～图35：作者提供

图36：出自 Bruno Reichlin 刊于 《Werk，Bauen+Wohnen》1987年74期29-35页插图6

图37：出自 Bruno Reichlin 刊于 《Werk，Bauen+Wohnen》1987年74期29-35页插图8