【摘 要】本文介紹各種彎曲表面工程的技術(shù)特點(diǎn)和針對(duì)不同的建筑外表面材料進(jìn)行雙曲面加工的可行性及方法。

【關(guān)鍵詞】彎曲表面工程；工程外帷幕設(shè)計(jì)；表皮分析；擬合設(shè)計(jì)；雙曲板材加工

一方面，新潮的建筑設(shè)計(jì)理念和思想不斷的挑戰(zhàn)工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)性的底線(xiàn)；另一方面，也正是設(shè)計(jì)師們?cè)诮ㄖ囆g(shù)領(lǐng)域的“奇思妙想”推動(dòng)著現(xiàn)代工程領(lǐng)域新技術(shù)風(fēng)起云現(xiàn)。

彎曲表面是建筑工程各種復(fù)雜表面中最具藝術(shù)表現(xiàn)力一種表面形態(tài)類(lèi)別。我們可以把彎曲表面按普通幾何學(xué)概念可以分為：?jiǎn)蜗蚯时砻婧碗p向曲率表面。我們也可以把彎曲表面按其數(shù)學(xué)屬性分為：可以進(jìn)行函數(shù)表達(dá)的數(shù)學(xué)性曲面（簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)學(xué)曲面）和不能用函數(shù)表達(dá)的非數(shù)學(xué)性曲面（簡(jiǎn)稱(chēng)非數(shù)學(xué)曲面）兩種。

傳統(tǒng)的建筑工程彎曲表面的實(shí)現(xiàn)是依靠混泥土現(xiàn)場(chǎng)澆鑄成形。其技術(shù)實(shí)質(zhì)是彎曲模板設(shè)計(jì)及彎曲模板安裝技術(shù)。現(xiàn)代建筑工程已經(jīng)過(guò)渡到以龍骨“找形對(duì)位”加上板材拼接這種幕墻構(gòu)造技術(shù)。這是由各種新構(gòu)造方式和各種新型材料整合而成的建筑幕墻（含屋面）工程技術(shù)，包括各種裝飾幕墻、功能幕墻加上裝飾屋面采光窗等等。這些涉及建筑外表皮的工程技術(shù)現(xiàn)在統(tǒng)稱(chēng)為建筑帷幕工程技術(shù)。基于彎曲表面建構(gòu)的建筑帷幕體系，當(dāng)然是帷幕工程技術(shù)體系中難度極大的那一部分。

實(shí)際工程中，大多數(shù)建筑帷幕工程的大部分作業(yè)面上，主要是以平面板材來(lái)擬合彎曲表面完成的。還有一些使用單曲表面板材擬合雙曲表面的工程實(shí)例。基于雙曲面表面工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)性本身以及經(jīng)濟(jì)條件和時(shí)間要求等因素，工程實(shí)施過(guò)程是一種對(duì)設(shè)計(jì)師完美的設(shè)計(jì)構(gòu)思的逐漸妥協(xié)的過(guò)程。

彎曲表面建筑工程帷幕技術(shù)的支撐是各種建筑外表面材料的加工技術(shù)，以及和各種板材相適應(yīng)的構(gòu)造連接系統(tǒng)。帶有曲面特性的建筑外帷幕設(shè)計(jì)和施工技術(shù)實(shí)施過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)三維技術(shù)進(jìn)行表皮分析、選定板材材料、板材分割方式和擬合方式是重要步驟和因素。

首先應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)建筑模型信息進(jìn)行分析。目前工程外帷幕設(shè)計(jì)領(lǐng)域較為常用的計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)和分析軟件有：Auto CAD、SolidWorks、PRO/E、Rhinoceros等，其中Rhinoceros以其功能強(qiáng)大，分析能力強(qiáng)而快速且廣泛的流行。確定建筑表皮曲面的類(lèi)型、分布、界面因素、基本材料要求、曲率變化范圍等等。在對(duì)建筑整體表面簡(jiǎn)單分析后，簡(jiǎn)單的估算是否需用曲面板及所需曲面板材的位置和面積，單曲還是雙曲。

所有類(lèi)型的板材加工難度和開(kāi)材率不同體現(xiàn)出不同的就經(jīng)濟(jì)性。從經(jīng)濟(jì)性考慮，優(yōu)先選擇的次序?yàn)椋壕匦伟?、梯形板、三角板、單曲板、雙曲板。這個(gè)選擇決定建筑表面板材的劃分和拼接方式。

建筑外帷幕設(shè)計(jì)中，任何雙曲面的工程外表面，我們都可以理解為是“理論”表面。也是基于對(duì)經(jīng)濟(jì)性考慮，我們要優(yōu)先選擇平板和單曲板。將平板或單曲板模擬出“理論”表面那種雙曲效果的過(guò)程就是擬合設(shè)計(jì)概念。擬合設(shè)計(jì)中，需要關(guān)注的問(wèn)題比如有：

1、有矩形板和梯形板共面問(wèn)題，這取決于理論表面曲率大小。

2、單曲板排板方向問(wèn)題，這取決于理論表面不同方向不同曲率情況。

3、板塊間拼縫還是搭縫，縫隙大小，通縫還是錯(cuò)縫。這些取決于建筑效果和防水構(gòu)造要求。

4、如何收邊收口，收邊收口范圍多或少。這些取決于建筑效果和防水構(gòu)造要求。

以某工程任意雙曲面異形柱為例，該工程表面選定鋁板為表面材料。首先將建筑設(shè)計(jì)原始資料Rhinoceros進(jìn)行分析和微調(diào)整，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD中歸納成工程圖，所有控制點(diǎn)在CAD中精確定位，坐標(biāo)列表。選定曲率變化最復(fù)雜的地方，深化構(gòu)造系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)提供三維數(shù)據(jù)給廠家、曲板加工。等比例模型制作，確定最終方案。（圖1、圖2）

選擇建筑帷幕面板主材的過(guò)程也是綜合考慮上述諸多條件和因素過(guò)程，這是一道非常復(fù)雜的多選題，幾乎不會(huì)有所謂的最佳答案。設(shè)計(jì)者要考量不同材料的加工方式、包含了加工工序的材料價(jià)格，也要了解每種材料相配套的成熟的構(gòu)造方案。設(shè)計(jì)者也要保證材料表現(xiàn)出來(lái)的效果吻合或接近建筑藝術(shù)要求，甚至還要熟悉不同材料的技術(shù)參數(shù)等等。

現(xiàn)代建筑材料加工技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)相當(dāng)?shù)乃?，大多?shù)板材就平面和單曲面來(lái)說(shuō)，加工并不難。但不管哪種材料，雙曲板材的加工還是一個(gè)非常值得探討的技術(shù)難題。目前常用的雙曲面板材的加工方式主要有冷加工、熱熔、常溫澆注掛板、薄膜等四大類(lèi)。涉及目前外裝飾工程所有面板材料種類(lèi)。

1、冷加工，也就是常溫機(jī)械方式加工。雙曲面材料的冷加工主要有冷彎和機(jī)加工兩種。

1.1 冷彎：冷彎是指平面金屬板材在外機(jī)械力的作用下局部伸展導(dǎo)致整幅板材變形的過(guò)程。冷彎材料表面必然受拉，材料的延展性能要求高。所以主要應(yīng)用于金屬板材，如鋁板、不銹鋼板、鈦板等。限于金屬材質(zhì)一定范圍內(nèi)的彈性模量以及板塊尺寸和厚度差異。加工時(shí)施加外力的方式有四種： 捶打、輥壓、沖壓、拉彎

傳統(tǒng)的手工方式還在普遍應(yīng)用中，就像我們看的的大多數(shù)室外不銹鋼雕塑外皮的制作一樣。由工匠用木槌，捶打沙子上的板材逐漸成型。捶打成形方式是目前最經(jīng)濟(jì)的雙曲板加工方式，特別是對(duì)于那些任意曲率的板材來(lái)說(shuō)。輥壓普遍應(yīng)用于單曲面板材加工，也可以用于圓環(huán)面、旋轉(zhuǎn)面這類(lèi)數(shù)學(xué)屬性雙曲面板材加工。沖壓方式對(duì)機(jī)床和模具的強(qiáng)度要求很高，一般用在標(biāo)準(zhǔn)化程度很高的汽車(chē)、設(shè)備、電器等工業(yè)上，極少用于建筑工程領(lǐng)域。

機(jī)械拉彎方法制作工程用雙曲金屬板是目前最為可靠的方法。首先要用鋼材制作胎架或模架，然后用夾具夾持兩側(cè)板邊實(shí)施拉力，通過(guò)持續(xù)的拉力使板材依附模具變形彎曲。板材腹部拉伸產(chǎn)生類(lèi)球面曲面，板材邊部拉伸產(chǎn)生馬鞍形曲面。板材成形后切邊打磨，焊接或栓接背筋定型再表面處理。板材成型的控制精度取決于胎模的制作，板材加工成本高低也關(guān)系到胎膜的規(guī)格數(shù)量，因此，胎模的制作技術(shù)是雙曲金屬板材加工的關(guān)鍵。目前已經(jīng)出現(xiàn)較為先進(jìn)的點(diǎn)矩陣式萬(wàn)用模具床，可以模擬任何曲率的曲面形態(tài)，大大節(jié)省了普通胎模加工的工序和成本，尤其是每板異形的差異性板材工程。只是目前這種模具床還是半機(jī)械控制，相信以后會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)電控和數(shù)控。

金屬板材因其良好的耐久性的穩(wěn)定的外觀效果在任意曲率表面和自由曲面工程中愈來(lái)愈多的出現(xiàn)。其中雙曲面鋁板的案例略多，如：深圳機(jī)場(chǎng)T3 屋面天窗周邊的應(yīng)用。雙曲面不銹鋼板因鋼板強(qiáng)度大難加工，原板價(jià)錢(qián)貴等因素，目前國(guó)內(nèi)僅有工程實(shí)例是新落成的深圳華僑城歡樂(lè)海岸創(chuàng)展中心。該項(xiàng)目應(yīng)用2MM的316不銹鋼板，雙向曲率，密拼縫做法，制作精良，堪稱(chēng)世界范圍內(nèi)現(xiàn)代外帷幕技術(shù)最高水平的代表。

1.2 機(jī)加工

將材料上車(chē)床加工，用機(jī)械手段將原材料“打磨”加工成所需的曲面效果。這種方法單件精度高，適用于石材等天然材料且在少量范圍內(nèi)使用的工程。但是在大面的工程使用中受限制大，時(shí)效性非常差，加工費(fèi)巨大。2010年落成的廣州歌劇院的外裝飾石板中錐面板和雙曲面板就是用這種方法加工成的。該項(xiàng)目曲面板加工量近萬(wàn)平米，且每塊異形，無(wú)法備片。

2、熱熔

2.1 金屬澆鑄

鑄鋼、鑄鋁。對(duì)于成千上萬(wàn)個(gè)幕墻板材或構(gòu)建單元，為追求良好的外觀精度，或者對(duì)于極難處理的某件或者某幾件單元，在有限條件下可采用這種方法。單純的表面板材且大量使用的還沒(méi)有工程實(shí)例。

2.2 玻璃熱彎

將玻璃高溫處理放置在矩陣式彎曲胎模上，利用重力自然下落依附胎模成形達(dá)到設(shè)計(jì)要求的曲面效果。目前這種數(shù)控?zé)釓潬t的應(yīng)用已經(jīng)很成熟。但目前雙曲玻璃板應(yīng)用于工程實(shí)例的最大問(wèn)題是：基于工程規(guī)范要求，工程玻璃板塊往往采用和片的方式將兩塊玻璃片膠合在一起。兩片彎曲玻璃曲率上的微差，和加工精度不夠的因素導(dǎo)致合片失敗，或合片不久后開(kāi)膠脫離。采用單片玻璃的成功幾率遠(yuǎn)大于兩片玻璃合片，但應(yīng)用于工程領(lǐng)域的范圍就很有限。

透明玻璃加上自由雙曲面這兩個(gè)設(shè)計(jì)概念的疊加足以讓建筑設(shè)計(jì)師們?yōu)橹V迷。國(guó)內(nèi)比較成功的工程實(shí)例是北京首都天文博物館出入口，但這么多年來(lái)盡管需求很大，鮮見(jiàn)其他成功的實(shí)例，最主要原因是：受限于玻璃固有特性、加工結(jié)果的隨機(jī)性比較大、規(guī)范制約等等。

2.3 人造復(fù)合材料

可麗耐，又稱(chēng)人造石。可麗耐成形容易，效果好，目前的進(jìn)口材料已經(jīng)能經(jīng)受大氣和紫外線(xiàn)等影響，可長(zhǎng)期使用。國(guó)內(nèi)尚無(wú)該材料雙曲板的工程實(shí)例。

玻璃鋼，以前主要是游艇制造方面普遍使用。其材料質(zhì)感、表面色澤和光潔度給人華麗的印象，但防火性能不佳，工程領(lǐng)域使用范圍受限。

上述兩種材料彎曲板材加工都是依靠木質(zhì)底模，人造石是加熱軟化后利用風(fēng)壓壓附在底模上成形。玻璃鋼是在底模上用玻璃纖維和膠多層多次反復(fù)粘接涂刷，最后硬化后脫模成型。

3、常溫澆注掛板

以GRC 及GRFC 為例，用木模放樣成所需曲率曲面，澆注凝固后即可獲得所需的曲面板。這種方法最容易實(shí)現(xiàn)雙曲面，往往大面積用于外墻內(nèi)飾，造價(jià)相對(duì)經(jīng)濟(jì)。但從目前國(guó)內(nèi)廠商的實(shí)踐成果來(lái)看完成的品質(zhì)相對(duì)較差，表面質(zhì)感相對(duì)粗糙。GRC工程技術(shù)近幾年在國(guó)內(nèi)外發(fā)展很快，已經(jīng)出現(xiàn)雙曲面板材應(yīng)用的實(shí)例，如新加坡怡豐城

4、膜

張拉膜或者充氣薄膜可以比較自然的達(dá)到自由曲面效果，大量應(yīng)用于體育建筑、會(huì)展建筑、城市小品和臨時(shí)構(gòu)筑物。膜結(jié)構(gòu)所形成的曲面有其獨(dú)特的形式特點(diǎn)，它屬于材料自應(yīng)力成形，所能達(dá)到的造型受力學(xué)原理約束。一般張拉膜是馬鞍形曲面類(lèi)型，充氣薄膜是類(lèi)球面造型。

就其獨(dú)特的藝術(shù)表現(xiàn)力和難以估量的經(jīng)濟(jì)代價(jià)來(lái)說(shuō)，雙曲表面建筑工程對(duì)項(xiàng)目操作者來(lái)說(shuō)就像是一把“雙刃劍”。雙曲表面建筑外帷幕工程完美的達(dá)到設(shè)計(jì)效果和使用功能往往是工程技術(shù)上的的重大挑戰(zhàn)。它依賴(lài)于管理者前期充分的調(diào)研考察、設(shè)計(jì)人員豐富而又綜合的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)以及專(zhuān)業(yè)施工、專(zhuān)業(yè)加工廠家的傾力配合，種種因素缺一不可。