UHPC 围护墙板系统在学科群建筑中的应用＊——以南京大学仙林校区人工智能楼和军民融合楼为例

何志鹏 谢忠雄 程超※ HE Zhipeng,XIE Zhongxiong,CHENG Chao

1 南京大学建筑及城市规划学院

2 南京大学建筑规划设计研究院有限公司

1 设计条件

1.1 项目背景

十三五期间，南京大学启动“卓越研究计划”和“军民融合研究发展规划”，在仙林校区建设由人工智能楼和军民融合楼构成的学科群建筑，容纳量子计算、人工智能、脑科学、新能源、电子材料及器件等共计15个领域研究平台。学科群建筑功能复杂，空间尺度多样，新建教学建筑需满足南京市产业办关于装配率的要求，装配式建筑设计要求模数统一，空间单元及立面单元需要尽量标准化，采用模块化设计可以有效地协调功能需求和建造方式的矛盾[1]。回顾设计过程，立面设计清晰体现了模块化设计的理念，新材料运用则为建筑表皮的整合提供了高性价比的解决办法。

1.2 材料特性

作为GRC（玻璃纤维增强水泥）的替代产品，UHPC（Ultra-High Performance Concrete，超高性能混凝土）目前在建筑立面设计上被大量运用，其具有轻质、高强度、高耐久性、高延展性等优势，并具备强大的造型能力。由细骨料和高强纤维组成，性能优良，无须另加钢筋支撑，能够实现更薄和更长的跨距与延展面、耐受各种有害物质渗透到基体内部，且具有自愈能力，防水效果非常好。水泥基材料与金属纤维的结合实现了抗压强度和抗折强度的有机平衡，在满足相同性能的要求下，UHPC可以做到更薄，不仅降低模具成本，同时减少现场施工带来的安全与污染问题。高强的物理性能能够延长建筑的使用周期[2]。

1 总体鸟瞰

2 UHPC 材料特性

3 UHPC 外围护墙板立面效果图

作为一种新型材料，UHPC是过去三十年最具创新性的水泥基工程材料，最初用于大跨径桥梁、抗爆结构（军事工程、银行金库等）和薄壁结构。建筑构件的预制装配以整体装配式外墙为代表，传统的PC 外墙（预制混凝土墙体）在施工工艺和呈现效果上不容易满足功能复合的外立面设计需求。

国外对于UHPC整体式围护墙板的运用较为成熟，将造型和保温防水集成于一体，例如法国Pierre Budin幼儿园的UHPC围护外墙板，每一块墙板均在工厂预制完成，运输至现场进行安装。墙板通过预埋铁件与主体结构相连接，其安装精度可以确保立面波浪起伏造型的连续平滑。国内近年来，UHPC开始取代GRC用于建筑立面，但多作为建筑立面装饰构件使用，较少用于科学实验建筑这类复杂的功能性表皮。深圳悦彩城利用UHPC的造型能力作为外立面装饰构件，成为类似于石材、铝、陶板的替代品，不承担保温防水等外墙功能。

人工智能楼和军民融合楼包含实验室、研讨室、办公室、会议室等主要功能，其中实验室类型多样且需求复杂。建筑外墙系统需满足通风、遮阳、采光、保温、隔热、防水等多种功能，采用UHPC预制装配式围护墙板，既能实现建筑表皮的多功能整合，又能够形成具有科技感的轻巧造型，安装周期短、现场破坏程度小，并能大幅提升预制装配率。

4 UHPC 外围护墙板立面效果图

表1 UHPC国内外案例及应用对比

5 立面单元

6 UHPC 基本模块

7 UHPC 模块组合

2 立面设计

2.1 模数协调

作为模块化设计方法的基础，立面设计首先解决模数协调问题。通过对主要建筑功能单元（包括实验单元、办公单元、辅助空间单元）尺度、家具布置、地下停车空间的研究，可以得出实验室适合8.4m轴网，研究室适合6.6m轴网，所以人工智能楼研究室多南北向布置，选择6.6m×8.4m轴网；军民融合楼实验室较多选择8.4m×8.4m轴网。由于项目用地紧凑，为了最大限度利用场地，在符合消防和空间使用前提下增设7.5m的过渡轴网。根据实验室的使用要求，确定了4.5m的标准层层高。综合平面轴网与层高得到立面网格类型和模数，立面网格单元的模数为8.4m×4.5m、7.5m×4.5m、6.6m×4.5m。

2.2 模块组合

为了丰富并统一不同立面的效果，使用尽量少的模块种类，同时还要考虑墙板模块的装配运输问题（模块宽度不超过3.6m）。设计寻求6.6、7.5、8.4m三种轴网的公约数，设置了4种基本模块，分别为0.9m×4.5m（2种）、2.4m×4.5m、2.1 m×4.5 m。其中，6.6 m 模数可分为两个0.9m+2.4m；7.5m模数可在6.6m的基础上加0.9m；8.4m模数可在6.6m的基础上加两个0.9m。可以看出，0.9m宽的基本模块可作为立面网格单元模数的差值模块，以协调三种轴网，所以将0.9m模块设计为凹凸两种形式，丰富立面效果；2.1m模块为了应对体块交接面的更加通透匀质的立面效果而设计；在确定了模块尺寸后，根据吊顶高度、窗台高度、开窗需求对模块进行初步设计。

墙板模块组合使用四种排列组合方式，首先拼合出符合轴网的四种立面单元，再不断复制偏移，初步形成整个立面效果。结合对立面整体效果的考虑，确定模块之间的组织关系和立面设计的基本语汇，创造丰富的凹凸变化和虚实关系，同时形成立面设计的潜在秩序与韵律。

3 模块设计

3.1 基本模块、衍生模块和变异模块

从实验室功能出发，遵循由内而外的立面设计原则，立面模块单元既要满足主要功能空间即实验室的使用要求，也需要满足办公、设备用房等空间的使用要求，立面模块设计兼顾采光、通风、遮阳、排气、防虫等功能。

四种基本模块类型均做斜面处理，起到遮阳的效果，合适的开窗尺寸和斜面的过渡处理让重复的立面拥有变化的韵律；上部窗户结合内部功能设置不同材料，如实验室需要排气可作为百叶，办公室需要采光即为玻璃。

8 模块单元分布图

9 实验室剖透视

10 基本模块设计

11 立面研究模型

12 模块构造设计

13 墙身及节点大样

14 墙板模块的运输和吊装示意图

表2 UHPC围护墙板、GRC构件板及蜂窝铝板性能对比

由于基本模块不能满足立面特殊部位的需求，针对立面转角（阴角和阳角）、模块与柱子交接处、层高变化及柱跨不规则变化等问题，形成在基本模块基础上的衍生模块以及与基本模块完全不同的变异模块。通过基本模块、衍生模块及变异模块的合理组合，可以较轻松地得到富有韵律变化的立面效果。

3.2 墙板模块构造及节点设计

针对复合多种功能的立面模块，墙体构造需要满足保温、防火、防水、防潮等要求，节点设计需满足构件之间的装配施工以及外墙排水的要求，分为墙板模块自身保温防水节点、墙板模块之间连接节点以及墙板整体上下边缘连接节点。

墙板模块自身保温防水节点通过在UHPC框架中、框架与建筑结构之间填充保温材料实现（UHPC框架与结构梁之间设置防火材料），保温材料靠室内一侧设置防潮层，各构件缝隙采用耐候密封胶密封来保证墙板的保温防水性能。墙板模块之间连接节点通过在墙板交接处设置UHPC肋形成空腔，防止风压造成雨水倒灌进入墙体。左右墙板之间交接处通过耐候密封胶连接，上下墙板之间除耐候胶密封外还设置铰接铁件传递受力。墙板整体上下边缘连接节点均采用铝材作为压顶和封边，防水的同时控制墙板安装的误差。

4 结语

4.1 设计难点

回顾立面设计过程，为了解决复杂性功能需求和建造方式之间的矛盾，主要处理两个关键问题。第一，墙板模块的模数协调与组织关系，创造性地采取立面网格单元的差值模块（0.9m宽模块）来协调不同网格单元的模块划分，通过多种排列组合方式来确定模块间的组织关系，确定立面设计的基本语汇，以形成变化丰富的立面效果。第二，墙板模块多样性的统一，采用基本模块和衍生变异模块相结合的方法，成功解决装配式建筑模块化设计的难题，协调了复杂功能和装配建造的多样性统一问题。

此外，考虑到墙板的运输和施工，墙板尺寸必须满足货运的要求。因此，模块的宽度需不大于3.6m，并且考虑局促用地条件下的安装工艺，拟采用将UHPC墙板运送至屋面，再从屋面周边设置吊架的方式进行吊装施工。

4.2 性能及造价比较

UHPC整体式围护墙板性价比可以参照相对传统的GRC和蜂窝铝板幕墙，后两种幕墙都不能实现保温防水一体化的整体性构造，只能作为装饰性构件。在价格方面UHPC是最高的，但其造型能力和效果都更好，蜂窝铝板幕墙的耐久性和平整度优于GRC，但是造型能力不及GRC和UHPC。GRC目前已经逐渐被淘汰，主要原因是面层的耐久性不佳。

4.3 应用范围

项目采用预制装配式墙板模块的形式，集合通风、遮阳等多功能于一体，解决不同类型的科学实验室建筑对立面的要求。针对交叉学科群建筑的多种实验室，除满足采光、通风、遮阳、保温和防水等基本功能外，排气、防蚊等功能均可根据实际工程情况配备，也可以广泛运用于普通科学实验建筑或办公建筑。装配式构件在工厂预制后运送至施工现场进行组装固定，降低了污染，提高了施工速度，也降低了危险性，保证施工的安全。构成外围护墙板本体的框架以UHPC材料进行制作，不仅适应功能复合的立面设计，同时充分发挥了UHPC材料本身防污、耐脏、自洁的特性，有效提升立面耐久性。通过对UHPC装配式围护墙板体系的应用，将模块化设计理念与立面的装配式建造联系起来，探索模块化设计方法对学科群这类复杂功能建筑立面设计的适应性。＊