基于装配式技术的国外公共建筑表皮设计研究

文｜同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 张瑶

引言

随着全球建筑工业化发展，我国的装配式建筑推广工作也取得了相当可观的成绩，我国的装配式建筑进程正在从量变到质变的过渡期，设计观念和工作重点也从结构预制到建筑装配。这一转变需要建筑专业牵头、全产业链配合，为打开思路，探寻多样化的技术组合，本文针对国外装配式公共建筑进行有选择性地调研。调研项目选取原则为：（1）项目知名度（项目建设单位影响力、设计师知名度）；（2）技术创新（外围护系统辨识度与创新性、装配式加工及施工）；（3）地域（以欧美地区建筑工业化产业链及商业模式较为成熟的国家为主，结合部分亚洲标志性的项目）；（4）时间（从2021年倒推至二战后）。从众多项目中总结出一定设计规律，以下为遵循此规律的典型建筑项目的拆解分析。

1.装配式建筑设计技术

1.1 预制单元标准化

通用型的标准预制构件的研发和使用是自上而下的，需要由政府或机构主导研发、指定规格、责令使用。海外资本市场由市场主导，因而构件系统、尺寸及规格往往是不同厂家自主研发的体系。在体育建筑中，可按结构形式分为预制混凝土、钢结构、木结构三种形式。不同于钢结构、木结构等天然的装配式体系，预制混凝土结构体育场馆的预制单元在设计之初即需要策划预制构件的分配比例，确认哪些构件更适合预制，哪些适合定制，并根据场馆常用数据研发出一套通用模数的构件。如维也纳安联体育场（Allianz Stadium Rapid Vienna），采用的是Oberndorfer Betonwerke公司自主研发的产品，包括预制看台，预制墙板（空心墙、实心墙、挡土墙），柱，看台支架（见图1维也纳安联体育场建成效果、图2维也纳安联体育场预制构件）。这一体系的预制构件基本涵盖了体育场的通用需求，仅在因项目不同而单独设计、灵活性较大的其他功能配套区域采用现浇。这一系统模式可为预制混凝土结构的体育建筑的提供参考。

图1 维也纳安联体育场建成效果

图2 维也纳安联体育场预制构件

1.2 单元模块复杂化

公共建筑中外形具有一定辨识度，结构复杂的非线性表皮出现频率颇高。设计师应在维持建筑理念的前提下合理选择技术体系和材料，平衡预算成本和项目精度。对设计师而言，应在设计中尽量采用通用性预制单元，并在个性化设计部分提高定制型预制单元的重复率，可在保证项目标志性和辨识度的前提下尽可能满足工业化生产与可持续发展的目标。

建筑的模块化设计既需要前期方案理念先行，又需要预制技术和相应细部设计支撑。乔布斯和福斯特联合设计的苹果总部办公大楼（Apple Park）即为此例。（见图3苹果总部办公大楼（Apple Park）鸟瞰图）。

图3 苹果总部办公大楼（Apple Park）鸟瞰图

设计理念。乔布斯提出的两个设计关键为“围合”和“吊舱（pods）”，后者即为模块单元，再将单元模块组织成围合模式，用来工作、团队协作和交流等（见图4办公楼标准层功能单元划分）。由这一设计目标出发，福斯特团队通过预制构件节点设计解决了随后而来的一系列技术问题。

图4 办公楼标准层功能单元划分

细部设计。每个模块为一个扇形的办公单元，每个单元用玻璃幕墙隔断。单元拼接后形成一个圆环形，圆环外环半径为232m，环宽度为54.9m。共分为104 个扇区，内角约为3.46°。因而需要一个外半径可以跨越约13.7m，内半径跨越约10.7m 的楼板系统。同时，乔布斯要求室内玻璃隔断 的底部和顶部没有可见的金属构件（见图5办公单元玻璃隔墙隐没外框效果），因此玻璃需要穿过楼板直接固定在结构框架上，再利用楼板厚度隐蔽玻璃金属框架。这导致楼板无法保持连续，结构传力途径也会被打断。为解决这一问题，设计团队提出了内装与结构、设备设计一体化的节点设计思路：除预制构件梁、板、柱以外，创新地使用了一种高度集成的预制空心楼板：将双T 板倒置，再局部变型形成缺口，以便嵌入薄板，再将玻璃框嵌入薄板拼缝定位，其上再铺地板，从而将玻璃框完全隐没（见图6-10）。这一做法即可保证底层板受力连续，又可隐蔽玻璃隔断框，同时可以利用楼板内部空腔布设机电管线，是预制技术满足美学要求、结构强度和功能需要的范例。

图5 办公单元玻璃隔墙隐没外框效果

图6 楼板系统模块现场吊装

图7 扇形办公单元中预制楼板模块划分（柱顶空隙为预制梁及玻璃隔墙外框隐藏处）

图8 预制楼板系统模块径向立面（作者自绘）

图9 楼板系统与梁交接处节点（作者根据原图修改标注）

图10 预制楼板系统模块纬向立面（作者自绘）

1.3 建筑性能高标化

在统计项目中有2 个被评为LEED 白金级、4 个金级，1 个银级，另有数个项目在设计中有绿色建筑方面的设计考量，更有部分项目专门聘请了LEED顾问。这说明，一方面当代建筑项目已将建筑性能和可持续发展纳入设计目标，另一方面说明装配式建筑技术对建筑性能也有助益。

统计项目中的两个LEED 白金级项目均为体育场。自美国首座LEED 白金级体育馆梅赛德斯-奔驰竞技场柏林，亚特兰大（Mercedes-Benz Stadium,Atlanta）（见图11）建成以来，美国体育场馆建设进入了以性能及可持续发展为目标的新时期。黄金1号中心（Golden1 Center 以下简称G1C）（见图12）业主在设计之初即提出“最具标志性、最可持续发展性、最科技先进、最佳观众体验”的建设目标，并最终取得全球所有室内运动场馆（Arena）中LEED 的最高分，并拥有多项技术首创，预制技术也为之贡献颇丰。

图11 梅赛德斯-奔驰竞技场柏林，亚特兰大鸟瞰

图12 黄金1 号中心 实景

G1C 是美国第一个使用置换通风系统的体育馆。由于担心室外温湿度的突然变化在球场上形成冷凝水会影响球员的安全和球场表现，此前NBA 从未批准在比赛期间将新鲜空气纳入体育馆的供气系统。但G1C 的置换通风系统通过将新鲜空气从看台座椅下方地板开口向上引导，而不是从顶置式扩散器将强制空气向下泵入赛场，从而解决了这些问题，并获得了NBA首肯。这一设计决定了看台需要开设大量出风口。采用预制看台可将开孔工作在工厂完成，减少现场预留洞口的繁复工作，并能保证开洞精度，以便后期设备安装对位。（见图13）

图13 黄金1 号中心 预制看台及通风口

为提高建筑性能，涌现出一批极具借鉴性的设计手法与技术。其中预制建筑技术贡献度较大的另一个方面为外围护系统。通过预制外墙的连接设计有效阻断热传导，避免形成冷热桥。如，女孩公司服务中心（Girls,Inc.Facility）具有连续隔热的预制外围护系统，采用复合板支撑来自屋顶和二楼框架的重力荷载。（见图14）

图14 女孩公司服务中心 预制外墙

2.总结

综上所述，海外装配式文体建筑呈现“预制单元标准化、单元模块复杂化、建筑性能高标化”的发展趋势。对我国装配式建筑设计与施工也具有一定启发：

（1）自上而下的行业通用构件可提高生产效率，提高周转率，是建筑工业化的基础。

（2）提高单元重复率的同时，在单元模块内提高精度与密度，是提高建筑产品完成度的关键。

（3）提高建筑性能标准，使建筑可被量化评估，是建筑工业化产业链闭环的关键。

随着科技进步，新型建筑材料层出不穷，主要集中在内外围护与结构材料上。设计师应主动了解建筑材料信息，包括材料性能利弊、材料供应情况、施工难度、项目适用性、视觉效果等。对于装配式建筑，应特别注重产业链上下游的连续性、专业度以及关键环节供应商的成熟度和构件保护措施。扩充材料备选库，综合考察供应链，因地制宜选用建筑材料。