关于异型外围护结构的特点分析

　　一、前言

　　作为建筑外围护的表现形式，主要就是建筑幕墙和异型屋面了。在外观装饰效果中，是面板通过其丰富的色彩和多变的造型来实现建筑师们对其建筑表观艺术的完美追求。通常幕墙和屋面所用的面板包括玻璃、金属板、石材人造板等材料，它们各自根据其自身材质的性能特点来实现其对建筑表观功能要求。

　　建筑艺术在通过建筑外围护结构这种形式表现个性的同时也给了人们精神上享受。现在的建筑外围护已不再是单一呆板的世界，而是由多种材料搭配，有凹有凸，有曲有折各种外形的组合幕墙、屋面。由它构成的建筑造型新颖多变、标新立异，构图虚实对比强烈，环境色彩鲜艳明快，人们喜闻乐见的建筑艺术效果，给现代化城市面貌增加了魅力。

　　在建筑师追求建筑外观新、奇、特等充斥着后现代唯美主义的建筑设计中，会出现不少另类、多变的三维自由面造型，这给幕墙公司的技术改进和研发提出不小的挑战和巨大的契机。

　　可以说，异形幕墙的出现和发展给了幕墙设计师们发挥其聪明才智的机会和空间，促使建筑幕墙的深化设计与施工技术向着一个更高的层面发展。

　　为了我们在工作中便于对异形外围护结构的研究，在设计过程中更好的对每一个异形幕

　　王德勤，男，1958.4出生，教授级高级工程师，北京德宏幕墙技术科研中心主任;清华大学建筑玻璃与金属结构研究所, 中国建筑装饰协会专家;中国建筑金属结构协会专家组成员;中国钢协空间结构分会索结构专业委员会委员;北京市评标专家。

　　墙与金属屋面的物理性能和基本功能的实现，本文根据异形外围护结构的概念和组合形式对其进行了分类和特点分析，并结合实际工程案例作一些粗浅的解析。

　　二、异形外围护结构的概念和组合形式

　　2.1外围护结构的概念

　　异形建筑幕墙的概念是相对于普通的平面建筑幕墙而言的。建筑幕墙是“由面板与支承结构体系组成，具有规定的承载能力、变形能力和适应主体结构位移能力，不分担主体结构所受作用的建筑外围护结构或装饰性结构。”

　　所以异形建筑幕墙首先应该是建筑幕墙，有着幕墙的全部功能;其次是面板与结构根据建筑造型的要求产生了各种异形的变化，达到某种建筑艺术效果的幕墙。(异形建筑幕墙并不是一种单独的幕墙系统)

　　在广义上讲，异形幕墙不但包括各种形式和各类面板材料的异形建筑幕墙，同时还包括了一部分异形采光顶和异形屋面。因为幕墙和屋面在定义上的区分主要是以垂直地面的75°为界的。大于75°为幕墙，小于75°为屋面。金属屋面：“由金属面板与支承体系(支承装置与支承结构)组成的，不分担主体结构所受作用且与水平方向夹角小于75°的建筑围护结构。”幕墙和屋面两者之间在构造和性能上有很大区别的。但在异形建筑中往往用连续的曲面使之连为一个整体，没有明确的分界线。(如图2.1a、b)

图2.1a鄂尔多斯博物馆异型金属屋面照片

图2.1b深圳保利剧院异型金属屋面照片

　　2.2异形幕墙的组合形式及特点

　　2.2.1、单块平板为面板的异形幕墙

　　平面板面板，可以通过不同角度和不同方式的组合而形成大的曲面或双曲面来实现异形建筑幕墙的效果。

　　平面板面板其特点是：适用于各种形式的幕墙支承结构和各类面材。适用范围广,面板反光效果好，适用于强调有钻石帆面光斑效果的异形建筑;适用于大半径和曲面度变化不大的曲面异形幕墙;工程造价相对较低，性价比较高。

　　2.2.2、单块面板为单曲面弧形面板的异形幕墙

　　单曲面弧形面板，可以通过各种组合方式而形成曲面异形建筑幕墙。

　　单曲面弧形面板的特点：适用范围广，面板曲面弧形成型较容易;对幕墙的支承结构体系一般没有特殊的要求。常用的面板材料有玻璃、金属板、GRC板、石材和各种人造板材。适用于各种弧形幕墙及单曲面的艺术造型;同时也适用于曲面度变化不大的双曲面异形幕墙;对于选用玻璃材料的单曲弧形面板可以实现钢化加工来提高面板的强度提高安全性。

　　在单曲弧形面板的形状设计上，可根据建筑的要求设计成等半径的弧形板和不等半径的扇形板，以及多边形、圆弧边形的板块，进行整体组合。

　　在常见的单曲面板的幕墙的面板组合方式是：曲面对接的方法，也就是将相邻的两块弧形板块按走向对接成一个整体的弧形曲面幕墙。

　　在异形幕墙的设计中由于单曲面弧形面板的适用范围广，面板曲面成型较容易;对幕墙的支承结构体系没有特殊的要求，特别是在异形玻璃幕墙的应用中，由于单曲面玻璃可以进行钢化处理，大大提高了玻璃幕墙的安全度，所以单曲面弧形玻璃面板常常使用在两个平面幕墙的转角过度造型、实现褶皱的造型效果、拼接成充满韵律的异形墙面。在实际应用中除玻璃材料外，各种金属板材、GRC板、pc板、石材和各种人造板材也都大量采用单曲面弧形面板的形式作异形幕墙的面板材料。

　　2.2.3、单块面板为双曲面板和自由曲面板的异形幕墙

　　双曲面板和自由曲面面板通过拼接、组合成的双曲面异形建筑幕墙。

图2.2.3a湖南长沙国际文化与艺术中心效果图

图2.2.3b深圳华侨城创新展示中心照片

　　双曲面异形幕墙特点：在异形幕墙中，双曲面板的成型及加工难度较大，工艺要求较高。板块的精度要求也高。对幕墙的支承结构和节点设计上也有一定的特殊要求;适用于双曲面及自由曲面的曲率变化大，曲面半径小、形状复杂，极具视觉冲击力的异形幕墙建筑;对幕墙的设计与施工技术要求较高。常见使用的面板材料有玻璃、金属板、GRC板等。(如图2.2.3a、b)

　　双曲面板的组合方式与单曲面板的拼接方法基本相同，但由于双曲面板的大部分成型是由模具制造成型的，往往在板块的边部有着尺寸和形位的误差，双曲板块大部分都是采用了对接拼装的方式。并在板块之间设置了连接定位装置，使板块之间顺滑过度。双曲面板包括等半径的球冠型板、不等半径的椭球扣板，以及大量的自由曲面空间造型板。

　　2.2.4、单块面板为平板或单曲面板经现场冷弯成形的异形幕墙

　　在对各类幕墙面板材料进行曲面成型加工技术上，主要采用的方法有：热弯加工、冷弯加工、铸造成形、模具成形、爆炸成形等。

　　现场冷弯成形曲面板主要是指在曲面幕墙的制作安装过程中用平板或单曲面板通过施加一定的外力使面板产生弹性变形，并永久固定在支承系统上，使之达到双曲面的效果。这样成型方法往往是用在板块曲面变化小，回弹力不大的情况下使用。但即使这样，在使用前也要对其作由于冷弯变形所引起的负面影响进行全面可行性分析后才能使用。

　　各种不同的建筑外形对面板的设计要求也不同，由于各种异形幕墙建筑的艺术造型是用面板的自身形状和组合方式的变化来实现的。所以我们在分类上利用面板的形状作为分类的依据方法。

　　三、异形外围护结构的工程案例

　　异形建筑的发展使得城市景观充满生机，由于现代异形建筑的鼻祖——埃菲尔铁塔的成功，越来越多的异形建筑和与之匹配的异形幕墙、异形屋面等异形外围护结构工程项目在近些年来像雨后春笋班的出现。艺术家和设计者倾尽全力去打造“全新”“从未有过的”“特征显著的”建筑，给异形外围护结构的建筑幕墙和金属屋面从材料到工艺以及加工技术提出了一个又一个全新的课题，让幕墙设计师们迎接了一个又一个全新的建筑幕墙技术的考验。

　　3.1、在2011年巴黎机场工程公司与扎哈·哈迪德建筑事务所联合推出的新方案，击败了诸多的设计机构提供的方案，获得了这个70万平方米的机场项目，并声称“这将是全球最大的机场航站楼”。 2015年3月，扎哈·哈迪德宣布了北京的大兴机场的设计方案(如图3.1a、b)。这个机场位于北京南面的大兴区，将用3年的时间建成。新机场建成后预计每年将接待4500万名乘客。扎哈·哈迪德，这个首位获得普立兹克建筑奖的女建筑师，北京新机场的设计项目将是她首次挑战机场设计方案，填补了她建筑设计生涯的一项空白。

图3.1a北京新机场的造型像“凤凰展翅”效果图

图3.1b北京新机场的正立面效果图

　　新机场造型上像“凤凰展翅”，建筑立面主要为玻璃幕墙，以通透的墙面来表现内外大空间交流，大型的屋面一定会采用异形金属屋面这种最有表现力的外围护结构形式来实现建筑效果。

　　北京复兴路乙59号幕墙工程项目是一项旧楼改造项目，建筑师利用了玻璃的彩釉印刷技术使多种不等边的菱形玻璃的透光率产生变化，又利用玻璃在平面上的凹凸变化实现其建筑语言，使得整个建筑充满灵动感;广州大剧院宛如两块被珠江水冲刷过的灵石，外形奇特，复杂多变，充满奇思妙想。(如图3.1a、b)

图3.1c北京复兴路乙59号幕墙工程照片

图3.1d广州歌剧院的灯光效果照片

　　3.2、在各种异形曲面的外围护结构的表面利用玻璃、铝板或其他材料构成各种新、奇、特的异形建筑幕墙。

　　寿光文化中心玻璃椭球形剧场的长轴是60米短轴为40米 由多根相互平行的立柱支撑在8米高的空中。球形剧场的一端是通过通道与大堂连接，球形剧场的结构是由钢管通过经纬线的布置形成的球壳。外层的玻璃是中空彩釉夹胶热弯玻璃。通过彩釉点密度的变化实现透光率的变化。玻璃与钢结构的连接节点是通过玻璃之间的空隙将内片玻璃固定在结构上，实现了机械连接的隐框效果。(如图3.2、a)

　　大阪海洋博物馆的外维护结构是由钢管和连接构件镶拼成的球壳，表面采用了透明夹胶玻璃。和特种夹胶玻璃，这种玻璃是用SGP胶片将不锈钢穿孔板夹在两片玻璃的之间，通过不锈钢穿孔板的孔洞目数变化实现透光率的变化。建筑师把九种不同透光率的玻璃按设计排布在球体表面上，在天空光线产生变化时不锈钢夹层玻璃的反光也随着变化。这层玻璃在达到了建筑效果的同时也起到了遮阳和节能的作用。(如图3.2、b)

图3.2a寿光文化中心玻璃球形剧场照片

图3.2b日本大阪海洋博物馆照

　　巴黎“融化式建筑”的出现，打破了我们对建筑的一般理解。是异形建筑的一个大胆的探索，它使用了视错觉技术造成的效果,给了异形建筑和异形门窗幕墙以全新的认识.这类建筑的“特征显著”个性极强。

　　美国拉斯维加斯的可乐总部大楼是利用点支式玻璃幕墙的可塑强、表现性强的特点，在墙面上制作了一个巨大的仿真可乐瓶。这是在异形建筑中的仿真建筑，近期在国内出现的如：河北的“福禄寿三星酒店”(天子大酒店)，外观完全就是福、禄、寿三位神仙的雕塑，色彩浓烈鲜艳;安徽合肥滨湖新区的直径为61米高18米，以凤阳花鼓为造型的鼓形建筑等。形象真实具体是类似于雕塑的一种异形幕墙形式。

　　白家庄酒店项目在建筑设计时，建筑师利用金属板的可塑性性能，在外幕墙的层间上制造了一个奇特的有着梦幻效果的金属板与玻璃的复合幕墙 。让有着奇异三维造型的金属板与通透的大透明玻璃有机的形成了一个整体(如图3.2c、d)

图3.2c、白家庄酒店的立面照片图

图3.2d 白家庄酒店的原始设计立面效果图

　　当选为“2016年全球十佳公共建筑”的中国唯一入选作品，是位于湖北省十堰市郧阳区汉江南岸的柳陂镇青龙山村，青龙山恐龙蛋遗址博物馆。

　　该建筑的异型金属屋面、幕墙的外装饰采用了3mm厚铝合金板块板，仿制成恐龙模型鳞片状，覆盖整个建筑面积5000平方米的恐龙蛋遗址，保护着距今约6500―13500万年保存完好的恐龙蛋(如图图3.2e、)。

图3.2e、湖北十堰青龙山恐龙蛋遗址博物馆恐龙鳞片状金属屋面照片

　　“山水城市”是MAD建筑事务所一个最新的项目，位于贵阳。设计概念来源于中国传统的山水理论。古代定都时，人们会观察土地和水源，选择险要的自然地形作为城市的天然防卫。自从80年代改革开放以来，中国在城市建设上取得了巨大成就，然而伴随着城市数量和面积的急速扩大，这种发展也带来了一系列问题，例如古迹和自然环境的破坏。由吴良镛在1987年发起的当代中国城市规划研究重新引入了“人居科学”的理论——中国航天之父，著名科学家钱学森就提出了“山水城市”的概念并给吴良镛写了一封信，提议构建山水城市的概念并将它与山水诗歌、中国传统园林和山水画相融合。

图3.2f、位于贵阳市由MAD建筑事务所设计的“山水城市”效果图

　　山水城市是中国历史上独特的空间规划概念之一，在城市可持续发展方面有重大意义。它将城市建设与自然环境相结合，而所谓的自然环境就包括“山”和“水”。建筑-景观-城市的紧密结合是中国传统城市设计理论的核心和主要方法论.

　　四、结束语

　　近年来，由于社会经济有了进一步的提高，建筑业快速蓬勃发展。建筑外围护结构形式在不断的改进，也使得异形建筑外围护结构的样式和数量有了很大的增加，促进了幕墙行业设计和施工水平的普遍提高，促使墙面材料的多样化和加工技术的提升。由于幕墙工程师们在提升建筑幕墙设计、加工、施工技术的同时，合理的利用和引进了汽车制造业、航空制造业，以及军工制造等高科技技术，特别是bem技术大规模的在幕墙设计和施工中的运用。一次又一次的完成了高难度异形外围护结构项目的挑战。我们在总结多个异形幕墙项目的基础上，对外围护结构的特点进行分析，提供给同行们共同探讨以促使幕墙设计和施工技术进一步的提高。

　　参考文献

　　[1] 《玻璃幕墙工程技术规范》，中华人民共和行业规范, JGJ102-2003

　　[2] 王德勤，异型金属板幕墙和屋面在设计中的难点解析，中国建筑防水-屋面工程，2013--23期

　　[3] 王德勤，双曲面玻璃幕墙节点设计方案解析，幕墙设计，2014-2期

　　[34 王德勤，异形金属屋面在设计中应该考虑到的问题，幕墙设计，2016-1期