黃蔚欣 吳承霖 張瑞珈 羅子牛 熊鑫昌 蘇彥杰 魏文強(qiáng)

清華大學(xué)建筑學(xué)院

一直以來，混凝土殼體都是極受建筑師青睞的建筑類型，它兼具美觀的形式和合理的結(jié)構(gòu)性能。然而，混凝土殼體的建造卻并非易事。目前市面上的施工方法大致分為三種：最常見的是委托工廠預(yù)制構(gòu)件，但是建造成本較高，并且在施工過程中需要專業(yè)人士配合；第二種是使用3D打印技術(shù)，但建造尺度受限于現(xiàn)有的3D打印機(jī)的尺寸；第三種是使用CNC銑削的模具澆筑混凝土，將一個殼體模具分為多個部分同時生產(chǎn)，最后將各部分拼合起來，但存在成本較高、異形模具無法重復(fù)使用的問題。

總體而言，現(xiàn)有的混凝土殼體施工技術(shù)都存在一定的不足，使得這種建筑形式需要耗費(fèi)大量的人力物力。本研究的目標(biāo)是尋找更便宜、對設(shè)備要求更低、同時盡可能保證建成質(zhì)量的建造方法。本研究提出的方法來自于一種新型的編織成形結(jié)構(gòu)，核心概念為利用編織結(jié)構(gòu)創(chuàng)造易于成形且可重復(fù)使用的模具，從而使混凝土殼體的施工更為簡便易行。

1 研究背景

1.1 混凝土殼體相關(guān)研究

在混凝土外殼的建造歷史上，建筑師和工程師一直在強(qiáng)調(diào)對模具形狀的控制，許多混凝土殼體項(xiàng)目也都是基于此完成的。20世紀(jì)的建筑師菲利克斯·坎德拉（Felix Candela）是這方面的先驅(qū)，他的作品包括Los Manantiales、Hyper-bolic Paraboloid Geometries和1958年的Chapel Lomas de Cuernavaca，他的混凝土殼體被稱為“大膽的結(jié)構(gòu)幻想”。

目前，世界各地已對混凝土殼體施工方法進(jìn)行了大量研究。2017年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院運(yùn)用創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)與制造方法建造了一個超薄弧形混凝土屋頂；2018年，Lake Flato Architects設(shè)計(jì)了一個由CNC模板制造的混凝土殼體亭[1]；Zaha Hadid Architects、Populous、Sasaki＆Partners、Kreysler Associates和奧胡斯大學(xué)共同建造了一個復(fù)雜的混凝土外殼，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝既合理又富有創(chuàng)新性[2]；哈佛大學(xué)的Martin Bechthold嘗試在殼體的數(shù)字設(shè)計(jì)與制造中應(yīng)用了高效材料系統(tǒng)[3]。這些研究探討了新的混凝土殼體施工途徑，對我們的項(xiàng)目有諸多啟發(fā)。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Benjamin Dillenburger一直致力于開發(fā)基于數(shù)字化生產(chǎn)方法的全尺寸和超高分辨率的復(fù)雜形體建造；Arabesque Wall、Phenomena＆Oblique Circulation、Ludger Hovestadt一直試圖尋找建筑與信息技術(shù)之間的新關(guān)系；Fabio Gramazio關(guān)注數(shù)字制造技術(shù)引入的建筑生產(chǎn)要求的變化，并已建成眾多作品；以色列理工學(xué)院Guy Austern探討了混凝土立面板的設(shè)計(jì)方法[4]；Studio PREXPREN專注于使用活動模板來構(gòu)建自支撐混凝土構(gòu)件[5]；Margit Pfeiffer-Rudy完成了一項(xiàng)關(guān)于輕質(zhì)結(jié)構(gòu)形式的研究[6]。這些研究都從不同方面探索了混凝土施工方法。

1 三層系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)

2 1:3 尺度雙層編織結(jié)構(gòu)

3 雙層編織結(jié)構(gòu)的建造信息

4 雙層編織結(jié)構(gòu)的建造過程

1.2 編織結(jié)構(gòu)及相關(guān)研究

在建筑或結(jié)構(gòu)工程相關(guān)領(lǐng)域中，直接與編織結(jié)構(gòu)相關(guān)的研究較少，但類似的與自由彎曲網(wǎng)格殼體有關(guān)的例子較多。1967年，F(xiàn)rei Otto為蒙特利爾博覽會的西德館設(shè)計(jì)了一個網(wǎng)格帳篷，使用物理形態(tài)模型來定義形狀，然后通過開發(fā)織物切割圖案來設(shè)計(jì)帳篷[7]；2013年建于巴黎的Ephemeral Cathedral of Creteil也是大型復(fù)合網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)[8]；德國柏林藝術(shù)大學(xué)研究了存在不規(guī)則網(wǎng)格的彈性網(wǎng)格殼的設(shè)計(jì)與構(gòu)造[9]；來自Form Found Design的三位建筑師使用工業(yè)機(jī)器人介入混凝土的鑄造過程，創(chuàng)造了一種能夠根據(jù)數(shù)字輸入生成各種形式的可調(diào)節(jié)模板[10]。

與上述網(wǎng)殼系統(tǒng)相比，編織結(jié)構(gòu)在形態(tài)適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)性能和建造便捷性方面都有發(fā)展。編織結(jié)構(gòu)是一種由連續(xù)彈性桿交織而成的主動彎曲（Bending-Active）空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，這是一種有機(jī)的空間形態(tài)建造機(jī)制，易于成形且形式適應(yīng)范圍廣[11]，非常適用于模具的成形。每一根桿件相互交叉并相互約束，整體形成復(fù)雜的空間網(wǎng)格殼，桿自身的彈性保證了空間網(wǎng)格殼的自由成形。與其他模具施工方法相比，編織結(jié)構(gòu)在處理模具的復(fù)雜形狀方面具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

編織結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的一般生成過程可以歸納為兩個步驟。第一步，在計(jì)算機(jī)程序中生成目標(biāo)形狀以及桿件長度、節(jié)點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)；第二步，系統(tǒng)將自動生成一個包含所有材料細(xì)節(jié)的列表，沒有施工經(jīng)驗(yàn)的普通人就能依照表格信息準(zhǔn)備和組裝組件。整個過程不需要復(fù)雜的機(jī)械就可以完成。

編織結(jié)構(gòu)是一種輕型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，對環(huán)境影響較小，且桿件具有加大的彈性變形能力，所以在拆解后可以恢復(fù)到最初直線的形態(tài)，能夠再次應(yīng)用于其他形態(tài)的建造。因此，編織結(jié)構(gòu)在減少成本、勞力以及綠色環(huán)保等方面具有很大潛力。

2 研究方法

基于編織結(jié)構(gòu)的混凝土施工方法可以概括為三個要點(diǎn)：

（1）采用編織結(jié)構(gòu)作為混凝土模具。當(dāng)前常見的模具工作方式大致可分為三種：完全將材料密封于內(nèi)、作為單層承載面讓材料置于其上、作為混凝土內(nèi)部骨架。經(jīng)比較可知，第二種類型能最大程度地發(fā)揮編織結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢（表1）。

（2）在模具上設(shè)置承載面。編織結(jié)構(gòu)是由桿件組成的網(wǎng)格系統(tǒng)，其形成的模具可以確定混凝土殼體的形狀，卻無法直接承載混凝土，因而需要一個承載面來填充網(wǎng)格，且所選載面自身需要一定的穩(wěn)定性來保證承載力?？紤]到材料成本、變形能力和承載力，承載面的基本材料被確定為類布材料。

（3）設(shè)置邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。在混凝土殼體中，邊緣處理既能反映施工方法的特點(diǎn)，又被視為殼體結(jié)構(gòu)的美學(xué)特征，是評價建造水平的重要指標(biāo)。在大多數(shù)施工方法中，高質(zhì)量的邊緣處理大都需要工人對特定邊緣進(jìn)行特定處理。如果想要實(shí)現(xiàn)一種既能靈活適應(yīng)任何復(fù)雜形式、又操作簡單的邊緣處理，必須設(shè)計(jì)一個獨(dú)立于模具形狀之外、自身具有復(fù)雜性的邊緣系統(tǒng)。

以上三個要點(diǎn)落實(shí)到具體構(gòu)造層面，便轉(zhuǎn)化成三個步驟：首先，利用編織結(jié)構(gòu)生成模具；其次，在模具上方布置承載面；最后，用邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)連接并加強(qiáng)整個復(fù)合模具（圖1）。

2.1 實(shí)驗(yàn)一：雙層編織結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)一用于測試編織結(jié)構(gòu)是否能夠?yàn)榛炷撂峁┳銐虻慕Y(jié)構(gòu)支持。編織結(jié)構(gòu)自身內(nèi)部受力合理，而當(dāng)混凝土的荷載加于上方時，模具的穩(wěn)定性需要一定的測試。當(dāng)混凝土殼體的體量增加，模具的承載力也需要大幅提升。采用尺寸更大的桿件能夠有效提高整體強(qiáng)度，但其柔韌性也會相應(yīng)減小，使得成形困難。因此，模具的編織采用了雙層桿件。

實(shí)驗(yàn)采用的桿件材料為FRP桿，這是一種能靈活彎曲、廉價且環(huán)保的樹脂材料。首先，對原有計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行提升，用以生成沿原始形狀成形的第二層編織網(wǎng)格；而后使用兩根直徑2mm的FRP桿制作出1:3尺度的雙層網(wǎng)格模具。每根桿件相互交錯組成了空間結(jié)構(gòu)，大大提高了模具的穩(wěn)定性（圖2～4）。

2.2 實(shí)驗(yàn)二：分割式承載面

為了使布料能夠貼合曲面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在覆蓋之前提前將其分割成了四個簡單曲面，簡化了實(shí)際覆蓋時貼合模具的步驟和難度。此外，在1:3尺度下使用的普通布料無法適應(yīng)1:1尺度下的混凝土重量。為了保證承載面自身的穩(wěn)定性，選擇了厚度為2mm的玻璃布作為替代（圖5）。

表1 三種類型下編織結(jié)構(gòu)工作性能的比較

5 玻璃布覆蓋的雙層編織結(jié)構(gòu)

6 完成后的復(fù)合模具數(shù)字模型

7 腳手架設(shè)計(jì)邏輯

8 腳手架組裝過程

3 建造方案

將整個建造施工方法梳理如下：

（1）用電腦生成目標(biāo)形狀并獲得兩個殼體網(wǎng)格的數(shù)據(jù)，將它們編織成一個模具。用綁扎帶固定內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)處理模具邊緣，模具的主要材料為直徑4mm的FRP桿。

（2）將分割式玻璃布覆蓋在模具上方并放置木板完成邊緣擋板系統(tǒng)。玻璃布厚度為2mm，木板的截面尺寸為50mm×2mm（與豎直高板相同）。

（3）將成品模具固定在腳手架上并澆筑混凝土。

圖6展示了電腦整體編織結(jié)構(gòu)模具的圖像。考慮到該結(jié)構(gòu)自身的受力特點(diǎn)，以模具受力點(diǎn)作為定位點(diǎn)，用底部加固的方法設(shè)計(jì)出一個適配的腳手架。

3.1 腳手架設(shè)計(jì)

在腳手架中，直接接觸模具表面的部分由受力點(diǎn)確定。根據(jù)不同點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)、荷載強(qiáng)度大小的不同，在其下方用FRP桿進(jìn)行支撐。同時，將模具形狀投影到二維地面，設(shè)計(jì)出一個空間結(jié)構(gòu)，用以固定上部支撐桿，并在其中加入斜撐維持穩(wěn)定。在形狀受力最復(fù)雜的邊緣加入了木板層進(jìn)行加固，以保證形態(tài)不變（圖7）。

在進(jìn)行最后的實(shí)際施工之前，整個模具準(zhǔn)備過程完成了四個步驟：模具制作、玻璃布承載面固定、邊緣擋板固定及腳手架制作與裝配（圖8）。

9 建造過程及第一個混凝土殼體成品

10 最終混凝土殼體成品

3.2 建造過程

由于施工時間在12月，為了保證混凝土的硬化速度與質(zhì)量，實(shí)際1:1模型施工建造在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，施工主要由5名建筑學(xué)學(xué)生完成。除了前期準(zhǔn)備的模具和腳手架系統(tǒng)外，施工期間使用的工具還包括了用于打孔的電鉆、混凝土攪拌器和抹子。

第一個混凝土殼體約兩天后拆模。由于編織結(jié)構(gòu)具有一定的彈性，且玻璃布表面光滑，整個拆模過程非常迅速方便，且拆模后模具沒有明顯的磨損和變形?；炷翚んw與模具的分離過程非常順利，滿足了模具可重復(fù)利用的要求。實(shí)驗(yàn)最后使用同一個模具澆筑出三個不同配比的混凝土殼體（圖9，10）。

4 結(jié)語

長期以來，混凝土模具都是作為一種提供形狀的工具獨(dú)立于混凝土殼體本身，而近年來新興的以某種結(jié)構(gòu)同時作為模具和配筋的做法將結(jié)構(gòu)和成形相結(jié)合，而模具本身也和混凝土融為一體。本研究的編織結(jié)構(gòu)混凝土模具則探索了另一種可能。首先，由編織結(jié)構(gòu)系統(tǒng)形成的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)本身是受力合理的，每一個桿件在形成造型的同時，自身也形成了合理、完整的受力體系。而使用它作為模具，就將同一殼體形狀轉(zhuǎn)移到混凝土上，在同一形態(tài)下混凝土同樣能產(chǎn)生一個穩(wěn)定、完整的受力狀態(tài)——只不過由桿件的主動彎曲狀態(tài)變成了混凝土受壓。這個模具既完成了提供形態(tài)的任務(wù)，又以形態(tài)作為橋梁把合理的受力狀態(tài)轉(zhuǎn)移到混凝土殼體上。因此，編織結(jié)構(gòu)在形成曲面形態(tài)的同時，不僅提供了混凝土模具所需的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還保持了自身的獨(dú)立性。編織結(jié)構(gòu)的成形優(yōu)勢使得它能夠?yàn)榱硪环N受力狀態(tài)提供合理的形態(tài)，這為編織結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用提供了一種全新的可能性。

在實(shí)際層面，編織結(jié)構(gòu)模具極大增加了混凝土殼體的施工可行性。首先，編織結(jié)構(gòu)對桿件最重要的要求就是能自由彎曲，這使得諸如FRP桿、竹子等許多環(huán)保且廉價的材料可以被利用。其次，該施工方法非常簡單，沒有施工經(jīng)驗(yàn)的人經(jīng)過指導(dǎo)就可以施工。設(shè)計(jì)者在電腦中生成桿件數(shù)據(jù)后將信息發(fā)送到施工現(xiàn)場，當(dāng)所有信息傳達(dá)到現(xiàn)場后，工人就能迅速使用當(dāng)?shù)夭牧线M(jìn)行建造，這極大地降低了運(yùn)輸、設(shè)備和勞動力成本。而且根據(jù)編織結(jié)構(gòu)的成形原理，同樣的一套桿件數(shù)據(jù)編織出的形態(tài)具有唯一性，保證了施工的準(zhǔn)確度。

該方法的另一個突出特點(diǎn)是可重復(fù)利用，組成模具的桿件能夠被完好無損地拆解下來，在其他地方恢復(fù)原形或再次應(yīng)用于不同形狀。同時，一個編織模具也可以重復(fù)進(jìn)行多次建造。這不僅節(jié)省了資金，還大大提高了實(shí)際施工中的容錯能力?？傊?，即使生成的混凝土殼體結(jié)構(gòu)失效，也可以再建造另一個，這對于不具備數(shù)控加工條件的建造很有意義。