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企业学问
超复杂幕墙项目中“单元化”、“装配式”的应用

    建筑帷幕,是建筑师和帷幕设计师为建筑而精心设计的时装。

  让•努维尔(Jean•Nouvel)曾经说过:“建筑的将来不是建筑的”,他认为不应该把建筑看作是独立的个体,而应该与复杂的社会和城市的文脉共生共存。一栋建筑物是在一个特殊的地点为着特殊目的,并在一个特殊的地域环境下建成的,建筑师必须寻找这种特殊因素的规律性才能面对当代的材料技术的发展和丰富多彩的地域学问,给建筑以真正的艺术和生命。建筑外帷幕就是这个建筑的艺术和生命!笔者曾与让•努维尔大师及其团队合作设计了纽约十一大道100号项目的帷幕,在此回顾幕墙设计过程,剖析建筑技艺(图1)。

                                

                                                      图1 纽约十一大道100号

  让•努维尔擅长抓住城市文脉实体环境特征,外帷幕总是设计得别具心裁,让人难以想象又无法超越。法国阿拉伯学问中心点睛之处是背立面用照相机镜头组合方法设计的帷幕装置;洛桑学问会议中心的东立面与西立面采用不同颜色的金属表面,其目的是与周围环境相称。卡塔尔的多哈塔(图2)是用多层次领结组合的帷幕遮阳装置(图3),分别遮挡东、西、南、北不同照度的强烈阳光,这些帷幕个性化设计的作品都成为有强烈生命力的建筑艺术品。

                                     

                                                              图2 卡塔尔多哈塔

                  

                                            图3 多哈塔的多层次领结遮阳装置

  纽约十一大道100号的外帷幕是最难实施的项目之一。2004年8月笔者以帷幕设计师的身份在巴黎与努维尔讨论多哈塔的实施设计,偶然间看到了努维尔纽约十一大道100号公寓的设计方案,它真的如同在说梦话(让•努维尔说自己许多好的构思都是在睡觉时完成的):幕墙相邻的每块玻璃要大小不同,每块玻璃要有不同的角度,每块玻璃要用不同颜色和配置……努维尔想利用光线投射到建筑物时产生的不同角度的光线折射、色温变化、大小有别,令建筑如同璀璨耀眼的钻石,绚丽夺目(图4)。仅仅几句如梦的话,便让帷幕设计师和工程师生不如死……

                       

                                                   幕墙配置大小不同,产生很多种工况

                           

                                                                      图4 倾角方向、倾角大小的建筑设计标示                                                     

  项目位于纽约曼哈顿中心西南方,向南遥望自由神像,向西可俯瞰哈德逊河美景,与新泽西州隔河相望,距华尔街只有几站路,工程幕墙于2006年由一家纽约企业签订工程承包合同,一年多来设计进展甚微,连模型都没有做好便自动放弃。

  在这个工程中,让•努维尔却一反常态,采取了极其“简单”的大面积幕墙做法,让窗格的大小、角度、颜色都有所变化;对他来说,只是窗的形态有点变化而已。这种无序的、错位的建筑形态,正是建筑解构主义中的极端,它无法量产,难以模块化,很难从现代材料和加工技术进步中得到太多实惠。项目外帷幕是建筑的西面和南面,由约1700块相邻大小不同、角度不同、颜色和配置不同的方形玻璃窗格构成,幕墙采用单元式构件合成大板块(图5)。

  在纽约曼哈顿这个寸金尺土的黄金地段,没有加工、堆场的地方,更没有塔吊和停车的地方,这些难点是以前所有已知项目中都没有遇到过的!

  通过对项目的分析终于找到设计突破口,采用大模块分割的办法。在11英尺横向的层间(3.3m)和一个少于40英尺(12m)的竖向宽度分缝,这恰恰也是一个40英尺长的开顶货柜的最大装载尺寸,适合工厂加工后长途运输。就这样,大家确定了每个安装板块的最大尺寸(图6)。然后把窗口布局按横向、竖向、左侧向、右侧分成4种状态;把32种窗口分格尺寸按照窗口布局变化分成72种工况;根据它们的旋转方向,对因上、下、左、右位置变化引起的方向混乱进行调整;又基于不同的旋转角度调整和规定各种位置影像反射的方向角度再把玻璃本体材质色系分成绿、蓝、灰3种;最后根据玻璃大小引起的强度差异,把玻璃配置分为三种:GT(8(LowE)+16A+6+1.52PVB+6)、GT2(8(Low-E)+12A+8+1.52PVB+8)和GT3(10(Low-E)+9A+10+1.52PVB+8),这个配置使不同大小的玻璃强度达到要求,重量尽量减轻、厚度几乎一样。然后,对每个小单元进行分类、编码,把建筑师对幕墙的要求逐一归类,分为各种尺寸模块、角度模块,在立面做90°多次反复旋转,便形成许许多多工况效果,再加上玻璃的配置和颜色的异同,经过排列组合,便有数百种板块效果了。这种规则约定、可控有序的设计,满足了建筑师大小不一、颜色各异、分格无序的特殊要求。基于这个工程的实际情况,既没有相应的App进行参数化设计,也没有参数化设计的数据基础,只能以表格进行设计和定位(图7)。

                         

                                                      图5 各幕墙单元间的分格及其关系

                                    

                                             图6 板块的最大尺寸11mX3.3m

                     

                                               图7 各种板块的种类和工况列表

  然而,还有一个重大问题未能解决,就是幕墙框的节点设计问题。每一个玻璃板块基底部的钢结构是一个四点共面的基准面,上面的铝合金幕墙框是与其成角角夹角或边边夹角的另外一个平面,这个平面有很大一部分四角不共面,而中间的玻璃平面又与这两个面成角角夹角或边边夹角。这是一个隐性设计加工难题,它的难度在于工艺不外露,而且构造位置非常狭窄,在这个参数化App又不适合和无能为力的项目中,结构设计、防水设计、加工工艺设计、安装工艺设计都无法施展(图8)。组成的单元平面基底是正矩形,矩形单元内斜角摆放玻璃,角度从2º至5º,最大净高差=sin5º×3300≈92mm;除了玻璃展开后成菱形放线裁切外,更大问题是合成单元板块的材料又要以不同角度裁切后合框,但在考虑加工和施工工艺中,长度精度和角度精度都必须很高,否则接口不密封;编码角度最大5º,玻璃对角净高差有92mm之多,这意味着合成玻璃板块的铝合金框必将高于150mm(图9),建筑师又要求框的宽度只能控制在40mm之内,如此又高又窄的幕墙构造如何实现?如何可以让它们组合成框并相互固定?冷桥问题又如何解决?材料加工和拼装过程中的玻璃、钢材、铝合金、尼龙、橡胶,都要不同角度切裁。尽管都认真做了,但还是不得要领,做出的模型质量和外观标准要求相去甚远。由此可见,现在项目的难点转移到加工上了,关键是设计一套加工可以操作的工艺技术,让不同角度的玻璃能稳定地镶嵌进4条不同倾角的斜边里面,而且要合框、做冷桥、拼缝成大板块(图10)。

                                             

                                                                             图8         

                               

                                                        图9 单元玻璃、内框、外框三个面不平衡   

                                  

                                                       图10 工人在组合幕墙大板块 

  还有一个角部外观问题,幕墙的外框各边并不平衡,产生了四点不共面,这时两边交会的角便不平整,需要作进一步的分解设计处理,让交会角的内边相交,把两条铝边料的小三角形都铣出来,补上一个小方块,这样就可以让所有边、角平滑过渡了。角内做好防水密封后,以机械插入方式固定,无需加装螺钉。这个做法得到了让•努维尔的可(图11)。经过多次设计和生产的反复多次试验后完成幕墙结构、节点、材料、加工和施工工艺的设计测评工作,项目得以顺利开展下去。

                        

                                                   图11 4点不共面的边、角部平滑过渡

  为了理清正矩形合框的结构部分和角度变化的固定装饰部分材料的关系,把内外两层组件分别设计成不同的型材和层次。每条边的材料部分必须组合后再加工:把型材切成足够长度,按边-边设计角度进行组合并临时固定,进行切角加工,切裁后把零件拆开,再进行组框、装密封条、装配玻璃、固定、打胶、封边、合成板块(图12)。

                            

                                           图12 预装--整体切角--拆开--组框--装玻璃、合板块

  纽约当地安装工人费用极其昂贵,现场又没有堆场、停车、加工的地方,所以必须做成巨大单元板块构件现场吊装。另外工程图文资料必须使用英制标注、英制钢材、美国生产标准(项目为法国设计师、美国工程),以配合整套设计图纸的完成,这些都使习惯十进制中国标准的大家感觉万般不畅顺。尽管设计图上的问题解决了,还是有不少加工和施工的压力。

  一个位于八层转角处的大单元(图13),总长36英尺9英寸半(约合11m),高11英尺(约合3.3m),内有17个小单元,最大玻璃板块2620mm×1460mm,最长玻璃3.3m×1.0m。有12种不同规格、15种不同角度、8种不同的配置,两个开启扇。这个单元在工厂做好后重达8t,要用一个40英尺长的开顶货柜单独装载,运输过程中固定它的钢材就达4t,这个单元板块上下各4组预埋件固定在层间楼板上,由于是弯曲板块,所有位置都在三维测量下施工。设计时必须清楚表示玻璃板块的角度、大小以及两大板块之间的接合,工厂加工同样要使用三维定位,才能够减少安装时误差。设计师还叮嘱在视觉高度上尽量让玻璃角度垂直,以减少视觉错误和不舒适的感觉,这也让大家感觉到建筑设计的人文关怀是通过一个个细节来实现的。

                   

                                                                   图13

  在生产过程中,帷幕设计师经常在工厂检验加工工艺,引导工厂采取了一些特别的措施以顺利地完成大板块加工。成框铝型材有十几种,大小不一、角度不同,分组编码和线性生产,才会少出错误。具体措施如下:1)幕墙板块打胶工况复杂,要分段多次延时进行;2)钢材、玻璃、铝合金、尼龙、橡胶等材料尺寸繁多,每组加工都必须在同一班次完成,否则容易混乱;3)钢结构截面是英制规格,用材不多,只能自制;4)单元组合成巨大板块,每个大板块有数吨重,固定工装,防水包裹,发泡保护,木板防撞,装货柜运输固定等都必须精心策划和实行(图14);5)当地码头到现场的特殊运载,使工地定位吊装等都要在深夜进行,由于设计预埋件和接挂件灵活可调,加工精度有保证,所有吊装到位后拧紧螺丝便安装完毕(图15);6)内部要求很细致,钢结构的加工和涂装必须做到与内装一致,每个单元的幕墙都成了艺术品,不需要再做内装修了(图16)。

               

                                        图14 工厂加工好的8楼转角大单元

                         

                                图15 现场大单元板块每块可单独吊装

               

                                 图16 幕墙内框明晰的线条,是最好的内装饰

  在建筑的七层以下,建筑师设计了一些与主体幕墙同样构造的工艺金属架,由钢结构外包铝合金构成,架子全部用加强螺丝固定;这些架子用以装饰前庭、放置绿色植物、区别商住区域、保护过路行人等。由于七层金属架与主楼有5m至10m的距离,形成一个视觉宽阔的基础,整幢大楼稳重平衡,杂乱有序,和谐优美后现代主义的建筑技艺表露无遗(图17)。

                      

                                     图17 精美的外框架构造是后工业时代的一道风景

  与大师合作,总有艰辛的经历或痛苦的折磨,如同新生儿的孕育过程。但是,工作过程中的激动、欣喜也是无可比拟的。大家自始至终都享受着与大师们一起设计创作的过程,共同感受着挫折、失败、成功和美梦成真的那一刻。建筑设计是建筑师给建筑以灵魂、艺术和生命的过程,帷幕设计就是这个过程的关键之一。好的帷幕设计便是恰到好处地诠释出建筑师的思想,为建筑塑造灵魂、构建艺术。除此之外,帷幕设计还须在外观、节点、材料选择、生态节能、实用舒适度等各种关系中取得平衡。

  其实,大凡有成就的建筑师都非常重视帷幕设计,他们把其看作是建筑设计中必不可少的部分,大师们通常有自己固定的顾问团队(并非施工单位),从建筑方案开始阶段便全面介入设计,诸如玻璃配置、开启面积、热功计算、绿建标准、通风采光、遮阳清洗、室外照明、造价控制等,都有清晰的说明和依据。而且,他们毫无保留地表达自己对外观的要求,给出节点做法,因此,帷幕设计师唯有遵循建筑师的指引,以节点作为语言与建筑师好好交流,才能赋予建筑艺术和生命。

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