我国建筑幕墙工业规模逾5000亿,已为实现建筑个性化表达外形及实现功能方面,创造了不可替代的价值。国内建筑幕墙从1984年长城饭店工程中应用以来有近40年的发展历程,目前已步入广泛应用新技术、新材料、新工艺的智能信息化、绿色环保化、工厂装配化等全方位发展阶段[1]。而数字化、智能化和节能技术为幕墙新的多样化创新提供了强有力的工具,造型及其功能的多样性越来越符合现代人的需求。而且幕墙作为建筑子系统,在满足建筑量身定制设计的过程中“个性化”既是必然也是业主追求商业价值、建筑师表达个人造诣和社会评价的必然结果[2]。在行业发展进程中,幕墙的“风格”不断演化,围绕安全性、舒适性、美观性和经济性而持续改进,通过持续创新,满足该需求。这恰恰表明建筑幕墙与人的社会性紧密联系在一起。
1、幕墙技术创新动力分析
幕墙技术创新,起初主要围绕如何实现安全和简洁构造而展开的,所以重点放在构造和制造安装工艺方面[3]。如哈尔滨森融大厦隐框玻璃幕墙,通过设计定距压紧、定位安装方式,保证玻璃平整度高而且安装高效。最近15年来,节能绿色化、装配化工艺、智能化和个性化设计成为幕墙创新的主要需求。图1总结了幕墙技术创新发展的核心动力,其中节能低碳要求是全局性的,国家和各地区节能标准在逐年持续提高的过程中。而单元幕墙作为装配化幕墙的代表性品种,代表了工厂化程度高、原始性能保持时间长和高品质幕墙,在当下制造和安装劳务成本快速升高的背景下,符合幕墙实施工艺演变方向。通过采用单元幕墙形式,降低其综合成本成为可能。智能化是提高舒适互动、动态响应的基础性技术领域,也是更高层级上实现低碳节能的必要条件,通过优化对太阳能量透过率、可见光环境和通风等功能,可以达到综合节能和提高使用者舒适度的目的。数字化设计和过程管理,对提高幕墙完成度和降低时间成本方面,具有决定性的影响。对此BIM和AI将发挥重要作用。
建筑设计的基本原则和方针要求一直在微妙地演变中。在文化大革命前,“党的建筑方针”是:适用、经济、在可能的条件下注意美观。改革开放以来,重新强调适用、经济和美观原则。但市场上也出现了一批怪异建筑和表皮,人们以评丑陋建筑活动,表达对怪异建筑的反感之情。顺应该社会思潮,2016年国务院文件《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中提出:适用、经济、绿色和美观,重申了建筑设计中美观的重要性,并增加了绿色低碳的要求。这些承载社会责任的建筑设计理念,无疑对建筑表皮的发展走势产生积极的影响。
2、幕墙技术创新与发展历程
从建筑发展视角来看,某种幕墙风格盛行一段时间后将产生内在的转向需求。因此可通过改变造型、结构体系或材料工艺,来满足人们喜新厌旧的审美定位要求,但唯独不变的是对安全、经济、舒适和美观的需求。30年来国内幕墙,为了满足该要求,建筑表皮始终坚持技术创新,在构造创新、施工工艺创新、材料及其应用创新、功能集成创新和视觉肌理创新方面,展现出对多样化建筑创意做出积极响应。同时开发出多样化幕墙体系,满足建筑设计多样化要求。
3. 创新材料应用造就了多样化建筑幕墙
建筑师的创意推动着建筑幕墙技术的不断发展,也带动了相关材料的进步。而新材料的涌现,反过来又促进了幕墙技术的创新与发展。日本知名建筑师隈研吾在《隈研吾的材料研究室》的开篇就提到“遇到新的材料,新的时代就开始了”。从列入国家建筑材料工业“十四五”科技发展规划的幕墙材料也可以看出,各种新型材料,如结构粘接材料、高强度线性金属材料、高性能低辐射Low-E节能玻璃和多样化的装饰面板材料的发展得到各方重视。在人造板材方面,今天已发展出瓷板、陶板、玻璃纤维增强水泥GRC板、超高性能混凝土UHPC板、强化玻纤高聚合热压复合GRP板、烧结致密陶瓷岩板、挤出混凝土板ECP等材料和其复合应用材料。个性化异形表皮的兴起,为GRC板和UHPC板提供了应用场景。GRC板通常采用“喷射入模具”工艺,制造灵活,但品质稳定性有待提高。GRC轻质构件通过选用高品质原料、提高模具精度、保障7天以上的初期养护时间、表面防水处理、排水路径优化等措施,正在系统性解决开裂、掉角和排水孔周围发霉发黑等材料顽疾。UHPC强度比GRC高3倍之多,吸水率也只有GRC的1/5甚至更低,并且具有轻质、超高强、可造型的特点,在结构装饰一体化领域备受建筑师和业主的青睐。而且只有装饰而没有结构需求的领域,高性能混凝土HPC材料,再结合多样化纤维增强材料进行复合,正在拓展其应用范围。
4自由曲面幕墙及冷弯技术
从神经美学观点来看,曲面建筑给人动感体验和亲近感。所以不管经典建筑中的弧线元素还是最近“数字化”为风格的流线型异形建筑幕墙,给人带来独特的建筑审美体验,如国家速滑馆[5]。随着数字化设计手段和材料工艺的进步,如参数化正向设计和低成本的冷弯金属板或玻璃和人造板技术,为这一类项目成功落地创造了良好的条件。一般玻璃曲率大于1500倍厚度时,就适合采用冷弯工艺,根据经验,当翘曲值≤L(短边)/60时,由于弯钢化技术的限制,采用冷弯工艺成形,能有效保证建筑效果,经济效益高,且技术简单,安全度在可控范围内。例如,俄罗斯圣彼得堡银行办公楼玻璃幕墙项目采用单元板块整体冷弯工艺,外立面为双曲面形态。该项目中把玻璃组装为平板单元幕墙板块,现场通过压板施压实现微弧线曲面幕墙,保持较低的玻璃表面永久附加应力。该项目采用AGC的带遮阳膜的三玻两腔配置,一个角的翘曲值大约50mm左右。在工厂制作全比例模型,将玻璃通过压板使之翘曲70mm左右,经过一段时间的全方位测试,验证方案可行,并最终应用于该工程。现该工程已完工并投入使用了几年的时间,暂无发生玻璃在长期应力作用下破碎等现象。国内采用单中空冷弯玻璃的案例较多,但尚无大型冷弯双中空玻璃的案例。
5、数字化设计应用及展望:
幕墙数字化发端于BIM应用。BIM数字化平台在幕墙全信息设计、CAM制造和可视化全生命周期管理过程发挥重要作用[8]。而人工智能将为幕墙发展注入变革动力,将在建筑表皮效果和幕墙构造自动生成、既有建筑缺陷检测、项目可视化实施管理以及智慧化控制运行等多个领域发挥重要作用。建筑及表皮应用AI赋能目前主要包括以下4大领域:1)基于大数据和机器学习,辅助设计泛建筑系统,并基于VR高效决策表皮设计方案;2)机器人与真人协同智能化制造;3)基于实景实时监测,实现可视化全过程管理(整合硬件和软件);4)助力建成后的智慧控制运行,并基于大数据深度学习,不断优化运行算法,改善运行效果等。
基于大数据和机器学习辅助设计尚处于起步阶段。目前借用BIM正向设计技术,建立全信息模型,再通过现场实物测量进行逆向修正建模,完成数字化应用。将来会逐渐转变为利用AI生成模型,再通过与构件基元库建立连接,建立高效的幕墙设计体系。机器人与真人协同智能制造领域属于AI技术发展较快的领域。可以预见,随着人工成本的快速提高,工厂化人机协同以及施工机械化和智能化是大势所趋,该领域智能化制造有很大的升级空间.
总结
国内建筑幕墙经历30多年的快速创新与发展,已建立起了完备的行业标准体系、多样化材料应用体系和构造体系,并通过巨量幕墙工程实践,积累了丰富的创新和落地实施经验,为接下来的高质量发展奠定了坚实基础。与此同时,也存在不成熟材料、工艺和技术投放市场后,出现短寿命幕墙时有发生,影响了创新价值。
当下“创新系统化、设计参数化、管理实物-虚拟同步化、现场施工机械化”是提高幕墙品质的有效手段,需要认真对待每个项目所用新材料、新技术和新工艺,完成必要的试验以降低实施风险,提高建筑幕墙完成度。