用最好的资源盖房子:“全球化”的中国馆

       对于一个4000多平方米的临时性展馆,在短短的设计建造周期里,中国馆的合作方实在有点多:设计来自纽约和北京的团队,早期幕墙顾问来自上海的EFC,结构顾问来自纽约的SGH和意大利的F&M Ingegneria,参数化工程师是日本人,机电顾问是北京的清尚和意大利的F&M,而最后的施工总包是意大利的Bodino。

       我们看到,中国建筑师越来越国际化,通过互联网的方式更严密地界定合同责任。可以预见,在不远的未来,国内任何一个建筑团队都可以借用世界上很好的资源盖房子,哪怕是一个很小的房子。这不仅仅是项目团队里有来自各个国家的人,而是真正使用各个国家的资源和技术,实现建筑的“多元化”和“多样性”。

       本期杂志的呈现方式正应和此特点,邀请多方对不同问题进行对谈,合作、碰撞、观点、方案手稿和设计图纸在讲述中展开。今天AC君为各位带来关于中国馆结构设计的干货,多图预警,请连好WIFI~

 

       合作方并非仅仅是作为顾问蜻蜓点水般地参加一些讨论和会议,而是实实在在地与建筑师一起在推进设计方案的变化和落地,很多沟通、讨论和定案都是在互联网上完成,到了施工阶段,总包甚至在施工现场临时画一些节点的改进图,然后直接拿到自己的加工场里预制。

中美意三方 设计和二次施工进度图表

参与对谈的三方

建筑师团队
Studio Link-Arc

 

纽约结构顾问
SGH
主要配合建筑师,负责结构设计的方案到扩初阶段

 

意大利结构顾问
F&M Igegneria
对屋顶的结构模型进一步检验深化 

结构原则的确定 

        刚开始合作时,SGH 在结构概念上做了很多研究,展示了结构的多种可能性。但我们基本保留了竞赛时的原始结构形态。SGH从结构出发,而我们从建筑空间出发,这是两种不同的思路。
       就屋顶而言,建筑的概念原则一开始就非常明晰。第一,我们对建筑师所做的形式—山水天际线和城市天际线放样,基本没有修改,或者说最后总是回到这个形式作为出发点。其次,就是找寻适合的材料实现形式,使其在结构上成立,为建筑找寻恰当的解答。要找到主要的结构策略或系统,其中比较难的是屋面的几何形态。

       我们基本上做了两个工作。第一个是决定在重点梁和檩条处是否需要使用钢结构。这些特殊的钢梁支撑着檩条,与之一起构成一个三维体系。之后,我们有了“五桁架”的想法,随即开始研究桁架如何工作、是否可以用简单的斜撑来实现桁架并结合屋面的几何形体。我们在檩条竖向叠加的位置看到了实现的可能性,做出了一榀桁架,或者说一榀倾斜的桁架。又在LED装置的位置,实现了不被打断的大跨度结构,不需要任何柱子,这也是两榀主要桁架出现的位置。

       通过这个三维的屋面形式,我们有机会引入实施五桁架策略的结构体系,将其做成斜肋构架的一种演进。发展这五榀桁架是至关重要的,但是要实现这些倾斜的桁架,在工程设计上要处理一些水平受力。基本上,是将一个二维的系统应用于网格化的结构,然后将之落实到三维系统中。在这个网格系统中,没有使用斜撑,而是使用了桁架和其他支撑构件以及梁与檩条之间相对复杂的连接。我们在另一篇文章中将之称为“斜撑构架的演进”。 

       五桁架的结构概念非常简洁,对空间的影响最小。后来的发展深化都基于这个概念。

早期概念草图 SGH

 

SGH屋顶结构分析 

 

五榀桁架平面草图

       项目的概念很清晰,也很有说服力,派生出了结构的复杂几何形。用木材来实现是正确的,因为木材可以实现从一面有着90度夹角的剖面到另一侧有着很宽曲率的剖面过渡。而这两种完全不同的几何形体和线之间的过渡,以及尽可能减少下方支撑构件,是屋面结构深化的所有复杂性的源头。两者的结合是屋面结构概念的起源。

       进入设计深化阶段时,我们需要检查设计是否符合意大利的相关法律、规范等。结构体系必须是可以建造的,必须用当前可以找到的加工体系、技术体系生产。这个过程引发了所有合作方针对简化结构体系的探讨,但并不是真正的简化,而是寻找结构体系之间的联系来引入梁的不同尺寸,这样大部分的梁可以用胶合木制造而不需要过多的钢加固,否则在给定的时间内完成会非常困难。同样重要的是,将每一个部件的尺寸合理化,使结构网格的装配建造不需要很多支撑。所以对每一根梁、每一根檩条、每一个部件的尺寸都仔细研究过,使其能自承重,因此减少了下方支撑结构,也减免了搭建脚手架、违背施工管理进程的问题。每一根梁的形状都不相同,装配过程,借鉴了工业化建造技术,每一段梁都标了号,按顺序装上卡车,到现场吊车直接依次吊装。现场在同一时间、同一部位可以有两项或更多的工作一起进行。

       除此之外,我们还确定了一套钢的主要网架。建议将一些梁和檩条做成全钢的结构部件,并且综合到屋面的网格体系中,这让施工也有了优先次序。先树立钢结构,然后是木梁—这样一来,在木梁施工阶段也不需要在屋面下方支起庞大的脚手架。施工的方法很大程度上受到结构施工方与面层施工方之间的交叉影响。而中国馆项目时间紧张,所以结构的设计也要考虑这样的需要。 


 材料选择:LVL vs 胶合木

       在探讨过许多材料后,最终集中研究了两种,LVL和胶合木。问题主要集中在异形梁上—基本上每一根梁的形状都不一样。如果用LVL制造,就可以用数字化的生产方式,用CNC数控机床切割,然后拼装部件即可。同时,在工程方面我们也在考虑是否需要用胶合木,主要原因是材料的强度。为使屋顶看起来比较合理,需要缩减结构部件的尺寸。而且胶合木这种材料有不同的强度等级,比LVL的强度高很多。然而选择胶合木,会牺牲快速的数字化生产拼装。所以,在工程设计完成之后,如何才能快速生产出这些不同形状的胶合木异形梁是真正的问题。从建筑的角度,我们从不同方面反复讨论了屋顶的做法。但是,对梁以及有关梁的控制层面,我们有很清晰的共识作为判断依据。 

       我们很难找到位于欧洲的LVL制造商。

       当我们向世博组织方汇报屋面设计时,仍保留了两种材料选择。最主要的LVL厂家之一位于芬兰,而且在那时我们做出了LVL技术参数的表单。但是根据设计,这种材料的强度确实不够。同样结构强度的梁的尺寸比胶合木的大出许多。虽然我们最后能够找到LVL厂家,但是多次反复研究后,它并不适合。所以最后我们向世博会提交的最终选择是胶合木。当时,一些参选施工方也说他们不具备LVL的知识,无法使用LVL,因此不会参与LVL的结构投标。
       中国馆非常好的一点是,不仅用木材创造出了非常好的空间,而且在空间体验过程中,人们可以确实地读到结构的工程设计。相较而言,LVL是一种更新的材料。而胶合木在欧洲的发展已经历了上百年,是一种在欧洲有着历史根源的建造技术。这也是为什么大家对LVL的使用有一些迟疑。欧洲许多制造商刚开始时并不是制造商而是锯木厂,随着获取木原料越来越难,逐渐成为了制造商。胶合木确实在北美和欧洲更常见。
       每一个地区都有其侧重的材料。比如,有一些地区有使用钢材建造的传统,因此不会去发展针对混凝土的技术或艺术。而瑞士则对混凝土非常精通,所有的建筑都用混凝土建造,有(我们在美国梦想的)专门针对不同门类的混凝土的建筑博览会。对胶合木和实木部件的运用也要考虑当地相关技术的发展。对很多国家来说,胶合木生产太贵了,也不适合进口,对他们来说确实没道理这样做。
       我们也尝试在欧洲以外的地区使用胶合木,或将胶合木的生产技术出口。但是在中国使用胶合木在法规方面有许多困难。胶合木有一套自己的生产技术。粘合、认证评定、检测及生产需要的机器(尽管很简单),还是需要工厂来生产。一些客户对此十分感兴趣,但同时他们需要对此材料有足够的自信来开始试点工程。这是一种高性价比的材料,而且是可持续的,完全可以重新利用,而且有很好的质量,可以和混凝土、钢这样的材料竞争。关于使用寿命,已经有很多很好的建筑实例存在了许多年,没有任何损坏的迹象。

     (图:13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、24、25、28) 

SGH结构分析

各品梁根据受力和挠度确定截面

 

Stratex与Link-arc进行的胶合木叠合厚度分析


 

钢屋面斜撑位置

Link-Arc斜撑节点提议草图

 

三维模型的应用:数字化生产及施工

       我们深入参与了解决方法的探究,使施工方能在给定时间内根据给定的方案建造并安装。我们一开始收到Link-Arc 的渲染图和结构研究的时候,对屋面的几何形式感到十分意外。几何形式非常复杂,每一根梁都是与众不同的,而檩条又在空间中扭转。然后我们开始三维建模,并将我们设计的结构体系与SGH 的作比较。转折点是当我们都认识到与我们面谈的木结构施工方(从Albertani 到Stratex),都在用一个直接与梁和檩条的数控加工机器CAD/CAM 对接的三维建模软件,而这个软件正好与Link-Arc 用的三维模型软件兼容。

       于是,就有了建筑师的制作、检查和工程师的工程设计之间的直接对接,这些三维模型直接传输到工厂的机器上。软件能够互相解读,从建筑师的三维模型生产出实际的结构部件。这点对项目的进展具有积极的推动意义。之前我们并不确定在不更换结构体系或控制三维模型软件的情况下,是否能够严密控制几何形体,当Link-Arc 建筑师团队因为审美、板材设置、防水、幕墙等原因作出一些变化时,也不确定是否能严密管理。
       这种技术确实很好,不过也需要模型非常准确。在Stratex 的要求下,我们将每一根梁原来的自由曲线都用弧形和直线重新画出,再做出三维模型发给Stratex。这跟他们自己的CAD/CAM 软件的特性有关。有理化后的梁立面并没有跟原来的自由形体产生太大出入,偏差在4 毫米左右。
       15 年前,还没有数字化生产,这样的几何形体不可能实现,尤其是在这么短的时间内不可能实现。
       在工作流程方面,我们完全避免了制造图的审核过程,而是通过检查Stratex 的数字模型来检查他们的工作。
       这是一个行业发展的样板,特别是各专业之间如何联系。这样的视角不是只专注于一个专业,工程、建筑或制造,而是多专业融合。这像是一种进步的倒退,回到50 年前,施工的正是建筑师和工程师本人。
       从胶合木制造的角度,中国馆代表着我们的最高水平,因为并没有太多的案例将胶合木的半径与曲率推到如此极致的地步,如此小的曲率半径。这也意味着对制作胶合木梁用的薄板的厚度、切割、粘结和安装方式的要求较高。对胶合木产业而言,这个项目中的每一个细部都是一种成就。一般来说,制造的部件都有一定程度的重复。而在这个项目中,这种重复程度非常有限。
       Stratex 的工作方式令人吃惊。我们有一次去参观另一家制造商的工厂—他们有动态模具能形成你想要的任何形状。而最后选定的供应商Stratex 并没有这样的模具,只是根据我们的立面用胶合木切割出钻模,然后将模具焊接在地上来拟合钻模的形状,之后用CAD/CAM 数控加工梁,最后完成形状。所以这个过程是旧的工艺结合了新的技术。
       所有事情都由时间驱动,也是要找到令甲方和我们都信服的制造商的因素。我认为工厂必须要有动态模具,但Stratex 在没有动态模具的情况下仍然能够完成。这是一个转折点,使这个领域向更多的制造商开放。
       许多意大利供应商有时真的能提出一些关于质量和进度的好想法。另一个值得阐述的细节,是所有梁与梁之间、梁与檩条之间的节点都是看不见的。为了实现建筑的精准传达,所有的节点都隐藏在木结构中。因为几何形式很复杂,在许多部位的同一节点处有不同的受力值,导致钢节点的尺寸不小。而这些钢节点,在现场观察时,却仅有非常小的一部分能被看见。这给制造过程带来了困难,因为所有梁的端头都需要加工,为了保证非常精准的形体和不同的设置—在每一个部件的倾斜度和位置上都有微小变化。尽管最后在现场有一些小麻烦,但总体来说,数控制造带来的控制对限定时间内完成是至关重要的。

       在意大利预制加工 

 临时性设计思路:拆卸重建再利

     世博会的一个特点是临时性,只持续6~8个月左右。一般来说建筑是临时结构,但同时,也承载来自功能的压力。
       世博会建筑与永久建筑有许多不同。从结构的切入点说,临时结构意味着有更多的机会去做一些尝试。另外一方面,临时结构有完全不同的设计评判标准,荷载不一样,细部设计也不一样。在为临时结构做细部设计时,往往要更多地暴露细部,使细部更有存在感。而且需要考虑建造和拆卸的过程,要能够快速地建造,在现场快速组装。同样,如果建筑仅仅在那里6个月,而你做了一个需要6个月去拆卸的混凝土结构,那你必须反思这是否恰当。所以细部设计也是为了拆解。
       在意大利有一些设计评判标准,比如,降低的荷载:因为建筑的使用寿命更短。另一个非常重要的方面是如何拆卸、移除和处理材料。重新装饰、再利用与最小化使用混凝土是第一位的。而且,节点最好是用螺栓固定,这样能很容易地连接或拆开。这和甲方的预算有关。主办方常常会低估拆卸、运输和重新组装的费用。部分材料可能在拆卸与运输过程中损坏,而且在世界其他地方重建的费用可能会很高。

       我们曾经参与过伦佐·皮亚诺设计的一个可以移动重建的临时剧院建筑,也是胶合木结构。胶合木很轻,便于移动,非常适合这种临时性。我们也曾经设计过一些可以重新使用的展示馆,一般会使用钢结构和PVC膜作维护。这是我们用的最多的材料,更多的是出于经济考虑而非展示。另外一个临时建筑是我们为瑞士的手表制造商泰格豪雅做的一个完全可以拆卸的展示馆,钢梁及维护结构都可以装进集装箱,用卡车运到不同的城市,并能在很短的时间内组装。

 

 

  

 

AC《建筑创作》2015年第5期总第186期

从时代图景到建构表达

2015米兰世博会中国馆建筑实录

感谢

       中国馆的设计建造是业主中国国际贸易促进协会、清华大学和美术学院、北京清尚建筑设计研究院、意大利建造企业博蒂诺Bodino Engineering,工程公司F&M Ingegneria、ATLV以及EFC幕墙顾问等多方努力合作的结果。与本刊编辑更为密切的是Link-Arc建筑师事务所的所有参与者以及Ivi Diamantopoulou,尤其是陆轶辰、蔡沁文、邓一泓等,为此次专辑提供了大量设计素材和专业论文。最后要感谢以张维宸和杨寯为代表的AC外聘翻译团队在有限的时间里给予的高质量专业化中英文译本。(本文来源: 2015-11-20 AC编辑部   AC建筑创作)