清水混凝土建筑全生命周期解决对策

李世贤,王学勇*,胡琳琳,李晓帆,王琳,张永超

清水混凝土建筑全生命周期解决对策

李世贤1,王学勇1*,胡琳琳1,李晓帆1,王琳2,张永超3

1. 山东农业大学 水利土木工程学院, 山东 泰安 271018 2. 山东交通学院 交通土建工程学院, 山东 济南 250357 3. 北京交通大学 建筑与艺术学院, 北京 100044

文章概述了清水混凝土建筑在我国近半个世纪的发展历程，研究其在建筑全生命周期中所暴露的问题，阐述建筑端需求主导清水混凝土性能改良的观点，并结合案例具体分析清水混凝土性能发展的几个方向。文章提出了解决清水混凝土建筑现存问题的对策，以期引导清水混凝土充分发挥性能优势，满足建筑端生态、美学、技术等需求，在建筑工程实践中得到更广泛应用。

清水混凝土; 建筑端需求; 应用现状; 发展策略

在生态文明建设如火如荼的当下，清水混凝土因其特有的一次成型、节省附加装饰等特性而被誉为“绿色混凝土”。同时，其质朴天成的表观效果也迎合了部分业主和建筑师的审美趣味，逐渐广泛应用于建筑、桥梁等大型工程。本文探讨的清水混凝土建筑是直接以混凝土作为建筑外围护材料而进行外墙建造施工的建筑类型。清水混凝土建筑在我国普及应用的同时，也在建筑全生命周期中暴露出许多问题。建筑师追求建筑美观性和耐久性的过程中，对建筑材料提出了更高要求，这将促进清水混凝土生产端优化供给，提高产品性能，改变产品同质化和施工粗放化等现状，拓宽清水混凝土未来的发展应用前景。

1 清水混凝土建筑发展历程

最早的清水混凝土建筑发端于20世纪20年代，现代主义建筑先驱勒·柯布西耶以马赛公寓和朗香教堂等一系列清水混凝土建筑，促成了清水混凝土在生产、施工技术和大众审美上的突破，摆脱了大众对于混凝土呆板、沉重、低端的固有印象。自此，清水混凝土作为建

筑美学表现中“最纯粹的建筑语汇”，开始受到业主和建筑师的钟爱。

我国的清水混凝土技术起步较晚，20世纪70年代清水混凝土施工技术首次传入我国，由于技术落后和对材料性能认识不足，并未在建筑上得到大规模的应用[1]。清水混凝土在我国的普及应用肇始于1997年，北京市设立“结构长城杯工程”奖，推动了清水混凝土施工技术发展。从此，清水混凝土建筑在我国涌现出海南三亚机场、北京首都机场3号航站楼等一系列极具代表性的公共建筑物。

随着技术相对成熟和绿色环保建设理念的深入，清水混凝土也渐渐在我国工业建筑和民用建筑中发挥举足轻重的作用。建筑师对清水混凝土提出了生态性、美学性、技术性等更高的要求，清水混凝土相关产业的重心正在由产量到质量转移。从《混凝土与水泥制品行业“十三五”发展规划》中可看出，清水混凝土产品的发展需要依附于建筑端的需求[2]。清水混凝土建筑开始进入建筑端需求主导的性能改良提升阶段。

2 清水混凝土建筑全生命周期中的问题思考

建筑全生命周期管理BLM（Building Life cycle Management），包括建筑的规划、设计、施工建造、运营维护等过程。清水混凝土建筑在建筑全生命周期中的使用问题较多，不容忽视。

2.1 规划阶段的综合考量

在规划阶段，清水混凝土建筑需要考虑经济性和美学两方面内容。一方面，清水混凝土建筑对施工的严苛要求，造成业主对其经济性认识存在片面性，从而导致了我国清水混凝土建筑大量集中于政府主导的大型公共建筑中。私人业主考虑眼前利益，节约成本，多数放弃清水混凝土建筑方案。

另一方面，大部分业主对清水混凝土建筑外观持有呆板沉重的固有思想，不能接受清水混凝土作为主体墙材的建筑设计方案。也有少部分业主为了追求建筑标新立异，简单模仿清水混凝土建筑做法，先浇筑出普通的混凝土饰面，然后通过后期修补工艺做出仿清水混凝土的效果，或者是直接采用仿清水混凝土板材饰面。这些做法不仅不能真实表现清水混凝土材料的本质之美，反而徒增人力及物力的浪费，得不偿失。

因此，在建筑规划阶段就要综合考量清水混凝土的应用价值，既要实现建筑方案设计的美学效果，又能满足建筑的经济性和适用性，充分发挥其最大潜能。

2.2 设计阶段的特殊要求

2.2.1建筑方案创新要求建筑方案设计的创新度匮乏是该阶段的主要问题。清水混凝土的应用范围、力度和效果受设计方案的制约[3]。一些建筑师对于清水混凝土材料特性尚不明确，造成了设计方案谨小慎微，对成功案例亦步亦趋，这些缺乏创新的设计限制了清水混凝土研制技术的发展。清水混凝土传达出的天然质朴感与厚实感是其他人工建筑材料无法模仿的, 而且随着四季的变化呈现不同的视觉效果, 成为具有东方文化色彩的建筑材料。像一些艺术馆、博物馆建筑使用清水混凝土则会形成更富有雕塑感的形体。

2.2.2特殊表观性能需求建筑特殊表观性能需求的不断更新，是对清水混凝土设计的挑战。不同的建筑设计方案需要与之对应的清水混凝土特性。清水混凝土在满足混凝土基本的工作性能、力学性能、耐久性能、经济性等基础上，还需要满足其高质量的表观要求[4]。一些缺少专业技术研制团队的混凝土生产商所供应的混凝土产品通常千篇一律，无法适应建筑方案特殊性需要，不仅影响建筑的最终表现效果，甚至可能造成严重的工程事故。

2.2.3建筑模板设计要求模板是限制清水混凝土表观效果的主要因素，清水混凝土建筑大师路易斯·康曾提出了“（模板）接触面便是装饰的开始”的论点。传统的模板材料和制作手段，已无法满足建筑端日益个性化的需求，尤其是异形建筑的模板支承工作具有很大的难度。模板设计亟需引进新的技术手段，开发新的模板材料，适应建筑市场和大众审的需求。

2.3 施工阶段的精细化

2.3.1施工组织精细化安排对施工活动全过程进行科学合理的管理是保证清水混凝土建筑一次成型，安全牢靠的重要保证。一座成功的清水混凝土建筑，需要通过富有预见性的施工组织，合理安排建筑施工周期中的各个环节，保证施工过程精确流畅，同时，做好施工失误情况下的应急方案。而这些是国内大部分施工方所不具有的素养，从而制约了清水混凝土建筑的表现力。

2.3.2施工工艺精细化要求清水混凝土建筑的精细化施工，考验施工团队的严谨与精确度。我国建筑施工团队普遍施工质量偏低，缺乏相关技术培训，无法适应清水混凝土建筑的高难度、高精度作业，是我国部分已建成清水混凝土建筑饰面效果差强人意的主要原因。清水混凝土不可逆的特性需要建筑师匠心独运，更需要施工者发扬工匠精神，精雕细琢，精益求精。

2.4 运营阶段的定期维护

混凝土是一种非匀质性建筑材料，由于自身的化学组成和物理结构，容易受到碳化作用、氯化物作用以及水作用的危害[5]。清水混凝土建筑表面在竣工后早期主要是雨水因素，随着时间的推移，发生源越来越复杂，污垢形状也趋于复杂化[6]。我国早期建设的清水混凝土建筑，很少采取后期的修补和涂装保护工艺，其外表皮随着时间推移和气候影响，表面会出现污垢甚至是裂缝，严重影响视觉效果，也带来安全隐患。

3 清水混凝土的技术性能需求

3.1 基本性能需求

国内的清水混凝土产品较之普通混凝土、高性能混凝土，在骨料、配合比等方面并没有特殊的要求，基本性能仍然是工作性能、力学性能、耐久性能等方面。不同的建筑设计方案

对清水混凝土性能的不同要求需要根据试验确定最佳配合比。

被誉为“清水混凝土诗人”的日本建筑大师安藤忠雄在我国上海保利大剧院（图1）的建筑实践，促进了清水混凝土材料基本性能的改进。上海保利大剧院，总建筑面积55904 m2，是安藤忠雄设计的文化建筑中清水混凝土体量最大的一个，其设计理念来源于“万花筒”，各种角度的斜筒设计洞穿剧院的各个方向，形成了大跨度弧形结构。其中洞口跨度最大可达45.21 m，垂直高20.35 m，洞口面积670.83 m2，不仅给施工带来了巨大难度，也对清水混凝土材料的性能提出更高的要求。

上海保利大剧院的清水混凝土强度等级包括C30和C50，在一般使用的混凝土配合比基础上，还需要满足和易性和流动性的要求。材料供应方对混凝土的原材料进行优选与质控，对用水量、水胶比、水泥掺量及砂率等做了一定的调整试验，相关试验数据见表1[7]。

图1 上海保利大剧院及立面“洞口”

表1 清水混凝土配合比试验结果

3.2 生态性能需求

清水混凝土建筑不需要装饰，减少了涂料、饰面等化工产品的使用，节约了大批人力和设备费用，社会效益显著提高；清水混凝土结构一次成型，取消了抹灰和湿作业，减少了大量建筑垃圾，有利于保护环境。安藤忠雄的华都中心项目美术馆外围护墙体为双面清水墙，采用国内首创的双墙内夹保温板的构造做法，其中内墙及扶壁柱为主体承重结构，外墙附属清水墙仅满足建筑饰面要求，保障外围护墙体保温性能的同时，完美呈现了高品质的清水混凝土墙面[8]。

3.3 表观性能需求

清水混凝土返璞归真、纯净自然的表观效果迎合了中国人“道法自然”的朴素审美观，其所表现出的高级灰色调与中国写意画“墨分五彩”表现理念，以及江南水乡灰墙黛瓦的传统民居特色都具有异曲同工之处。

《清水混凝土应用技术规程》(JGJ 169-2009)规定了清水混凝土色泽及气泡的相关验收标准，是对清水混凝土表观性能最基本的要求，却已不足以满足建筑创作中的高级审美需求。有学者通过试验研究不同引气和消泡比例的聚羧酸高效减水剂对清水混凝土表观形貌的影响，最终得出引气剂掺量0.02%，消泡剂掺量0.01%时，清水混凝土表观形貌最佳的配合比[9]。另有学者通过研发设计自密实混凝土自填充效果检测装置，能量化表达清水混凝土拌合物密实性，直观观察清水混凝土浇筑后的表观情况[10]。

3.4 技术性能需求

随着建筑方案的设计水平和创新程度越来越高，对于清水混凝土建筑表观效果的更高追求，必将导致相关技术的革新。混凝土基本工作性能是保证建筑安全的基础，而模板技术和施工技术是完美表现清水混凝土建筑材料特性的要素。模板是建筑物肌理语言的发声器。建筑师们经过长期的实践探索，利用肌理语言表达自身的设计诉求，促使模板材料和样式的快速更新，制作水平与日俱增；清水混凝土施工技术作为清水混凝土工程研究的重点，应迅速适应高要求的建筑设计方案，加强施工技术研究，创新施工方法和流程，提高技艺水平。

4 清水混凝土建筑现存问题的解决对策

4.1 基于绿色生态理念的混凝土研发

建筑的立体绿化拥有保温隔热的效用，清水混凝土通过改变骨料种类和改良配合比，与植被混凝土等相关技术结合，改善保温隔热效果，应用于建筑隔热墙面，将带来良好的生态效能。另外，清水混凝土广泛应用的同时，如果能够通过技术手段，积极推进消纳固废，将会减少对自然资源的开发和利用，保护环境，使清水混凝土建筑产业成为“资源的再生器”。

4.2 基于数字模型技术的模板设计

以3D打印技术为主的数字模型与快速成型技术弥补了传统支模过程中难以解决的特异形体和结构的问题。3D打印技术具有制作精度高、周期短、个性化、材料多样和节约环保等多种优势。清水混凝土生产与施工单位应该积极主动地将建筑模板制作和3D打印结合，促进3D打印技术在大尺度、新材料的建筑工程中的发展和应用。

4.3 基于BIM技术的施工流程管控

BIM 技术可以通过建筑信息模型对施工信息进行模拟，可以将大量工程信息予以直观表现，为施工设计、管理人员提供便利。将BIM技术应用于清水混凝土建筑施工，可以合理规划进度安排，做出更高效率的决策，实时监控工程项目进展，降低工程项目建设成本，缩短进度。同时，BIM技术通过对工程项目的一体化管理，提高施工的标准化与机械化水平，减少资源的浪费，避免不必要的返工和二次剔凿，更好的满足清水混凝土建筑一次成型的要求。

5 结语

清水混凝土建筑的广泛普及和更好发展，不仅需要新型高性能混凝土的研发和生产，也有赖于通过规范化、精细化的施工、严格的质量验收评价标准，提升清水混凝土建筑工程的质量水平。在清水混凝土建筑生命周期的各个环节，做好明确而严格的把控，减少清水混凝土建筑凭经验施工的盲目性，鼓励以实验量化的手段对竣工工程进行现场勘验和验收，保证清水混凝土在建筑全生命周期内更好地发挥性能优势。

[1] 刘玲.清水混凝土发展及应用前景浅析[J].中国建材科技,2016,25(2):26-27

[2] 中国水泥研究院.混凝土行业“十三五”发展任务[J].江苏建材,2017(1):79

[3] 李强,李辛民,孟闻远,等.我国清水混凝土技术发展现状、存在问题及对策[J].建筑技术,2007,38(1):6-8

[4] 王龙志,李宗才,崔鑫,等.清水混凝土表观质量评价方法研究[J].混凝土,2017(2):95-97

[5] 张志增,李松凡,李芳,等.清水混凝土保护剂对混凝土耐久性影响研究[J].四川建材,2017,43(12):17-18

[6] 刘灵芝.清水混凝土表观性状控制要素解析[J].建筑与文化,2016(11):73-74

[7] 胡青莲.清水混凝土在上海保利大剧院工程中的应用[J].上海建设科技,2016(3):62-64

[8] 付效铎,李翔,胡洋,等.清水混凝土复合保温双墙施工[J].天津建设科技,2017,27(1):12-15

[9] 黄快忠,龚明子,陈茜,等.引气剂与消泡剂对清水混凝土性能与表观形貌的影响[J].混凝土,2014(1):111-113

[10] 江杰云.新型清水混凝土的高性能化研究及应用[J].广东建材,2017,33(9):1-6

Countermeasures to Resolve the Whole Life Cycle of Fair-faced Concrete Buildings

LI Shi-xian1, WANG Xue-yong1*, HU Lin-lin1, LI Xiao-fan1, WANG Lin2, ZHANG Yong-chao3

1.271018,2.250357,3.100044,

This article outlines the development course of fair-faced concrete building in our country for nearly half a century, studies its exposed problems in the whole life cycle of building, expounds the viewpoint of building end demand leading clear water concrete performance improvement, and analyzes on several directions of concrete performance development with concrete case. The paper puts forward the countermeasures to solve the existing problems in the concrete building, in order to guide the clear concrete to give full play to the performance advantages, to meet the ecological, aesthetic and technical requirements of the building, and to be widely used in the practice of construction engineering.

fair-faced concrete; building end requirements; application status; development strategy

[TU528.36]

A

1000-2324(2019)04-0597-04

2018-03-21

2018-04-28

山东省高等学校科研发展计划项目(J17RA215);山东省艺术科学重点课题(1607299)

李世贤(1997-),男,本科生,主要研究方向为建筑设计及其理论. E-mail:mtarchxian@163.com

Author for correspondence. E-mail:wxy199@163.com