施工技術與材料

在混凝土結構的建造過程中，由於工程規模、施工程序、設備能力或工作時間的限制，往往無法一次性完成所有混凝土的澆置作業。因此，在不同次澆置的混凝土之間，便會形成界面，這就是所謂的「施工縫」(Construction Joint) 。。

由Danny Forster & Architecture 設計的紐約 Manhattan AC Hotel by Marriott 共有26層樓，將是世界上最高的模組化酒店，其所使用的模組化單元體由 DMDmodular 製造，在波蘭的斯卡維納(Skawina, Poland)生產後運往美國。

泰國銷售中心The Glass Fortress以兩萬塊玻璃磚打造出輕盈靈動的外立面設計。設計師結合傳統材料與現代工藝，讓玻璃磚不僅具備高透光性與隔音效果，更兼具綠色環保與抗壓強度。玻璃磚在東京銀座的愛馬仕總部及上海的PORTS 1961旗艦店等建築中廣泛應用，展示了玻璃磚作為當代建築材料的獨特優勢。

由多個組織如 Institute for Computational Design、Construction (ICD), Institute of Building Structures 、Structural Design (ITKE) 以及 (ITFT) 斯圖加特大學(University of Stuttgart)的ITECH（Institute for Textile and Fiber Technologies）共同組成的研究小組，開發了一種自適應性的結構「ITECH Research Demonstrator 2018-19」，其概念來自於瓢蟲翅膀的摺疊機制。

瑞士蘇黎世聯邦理工學院於瑞士Riom的Origen Festival公開了名為「Concrete Choreography（混凝土舞蹈）」的3D列印混凝土裝置藝術。不但能夠在2.5小時完成9根2.7米高柱子的列印，這也是第一次使用機器人3D列印技術於混凝土裝置，更是沒有使用模板。這些柱子不僅僅由定製軟體設計，也可以由NCCR DFAB支援的新3D列印工藝製作。

Bouygues Batiment International與Dragages合作，完成了新加坡Clement Canopy大樓，此建築不僅是新加坡最高的模組化建築，更是全球模組混凝土建築之最。大樓由1,899個預製模組組成，涵蓋505套豪華住宅。製作過程分為在馬來西亞Senai預製和在新加坡Tuas完成技術裝修兩階段。這種建造方式大幅減少了現場廢物，並確保了高品質。團隊計畫將這一創新方法應用於全球其他地區的建築計畫。

提到「梁」，人們的第一印象就是一條直線，A到B的過程，從祖先的一根過河獨木，到現在的跨海大橋，AB之間的距離越來越大，工程師的一生，或許就是與「跨越」糾纏的一生。 總的而言，跨越有兩種方法，第一種就是依靠結構的形態去承載，上凸形成壓力結構，下凹形成拉力結構，好比人們做伏地挺身時，你的身體就是一根簡支梁，當你懷疑人生時不妨弓弓背或者索性肚皮貼地，此時你便輕鬆許多。 但很多時候，空間、支撐條件的限制以及教練的眼神讓人們只能平直的死撐，這時候，對於一根梁而言，下部拉伸、上部壓縮，中部不怎麼拉壓偷懶的材料，只會增加結構的負擔，不要也罷。 所以跨度越大，越需要把材料集中在外側，中間掏空形成桁架、張弦梁等拉壓組合結構。 對於中小尺度，為實現跨越，一般採用增加剖面深度，改變剖面形式的方法，其操作空間相對更大，同時帶來不同的空間體驗。下面嘗試按照不同材料的邏輯和大家簡單聊聊中小尺度（約20m以內）下樑形式的一些可能變化。 混凝土梁 對於平面比較規整的建築，可採用預鑄混凝土梁，細部的處理也會讓人眼前一亮，東京工業大學生命科學研究院就是一個不錯的例子，整個樓為清水混凝土構造。 小梁採用預鑄T型簡支梁，兩肋組成一個單元，端部局部放坡增加截面的抗剪能力，與主框架樑脫開營造了一種天然吊頂的既視感。 學校內圖書館地下為書庫和閱覽室，採用預鑄組裝式混凝土梁板，梁深800mm，實現了閱覽室的大空間。 預鑄梁截面呈特殊的S形狀，開槽與設備管線、燈光照明相互結合，實現室內無天花板的簡潔效果。 所以在人工薪資較高的地方，又想追求一些建築效果，預鑄次結構是個不錯的選擇，但有時候業主有錢任性，怎麼貴怎麼酷炫怎麼來，比如下面這個豪宅。 Hemeroscopium House座落於馬德里，住宅總樓地板面積400平方公尺，於2008年完工，工期僅有7天，主要構件均工廠預鑄、現場組裝。 作為住宅，Hemeroscopium House構件尺度相當大（高度約2.5m~3m），進而將層高消化在梁高範圍內，除V型柱和部分桁架為鋼結構外，其餘均為預鑄混凝土構件，截面為工字型以及槽型。 此時這些預鑄構件既是梁又是柱，最終竣工時候頂部壓了一個20噸重的花崗岩作為配重，難以想像地震或遭受橫向載重時的場景，可能結構技師已經模擬過這些場景才會如此進行。 對於現場澆置混凝土梁而言，常見形態有矩形、倒梯形，梁的高度通常為跨度的1/8~1/12左右，在一些展覽館等高層高空間中，有秩序的大梁結合側窗和天窗，帶來漫反射的光影變化。 矩形梁底凹槽可內嵌一些燈帶，同時視覺上也會感覺梁比較纖細，亦可作為吊頂。 對於變截面梁，結合彎矩的變化，有時候可以嘗試「卡拉特拉瓦式」的風格，整個結構的動感呼之慾出，但這種做法比較適合規則的平面，否則模板工程的量也是巨大的。 當梁從單向過渡到交叉網格形成格子梁（華夫板），可以得到菱格紋或者井字的平面，梁的傳力也從單向到雙向， 梁的尺寸也可以適當的減小。 Sheats House - John Lautner     鋼梁 相較於混凝土梁，鋼結構梁的尺寸可以說小一圈，常規截面高度為跨度的1/15~1/20左右。 由於鋼材加工以及成型工藝比較方便，截面形式的選擇也多種多樣，單一的多邊形，組合截面，立面上也可依據彎矩需求改變截面高度。 對於一些雨棚等承受輕質荷載的結構，鋼片梁是個不錯的選擇。 對原有鋼梁進行幾何切割，錯位銲接後便形成了蜂窩梁，不同的切割方法帶來不一樣的韻律，還是原來的材料，局部掏空中部效率低的材料，轉化為截面高度，既提高了抗彎能力又方便了機電管線的穿過。但由於削弱了腹板，其穩定性值得關注。 Renzo Piano 設計的金貝爾美術增建，將鋼梁一分二，中間採用繫桿連接，與柱子的關係也不同於常規的平接，格構化的構建思路使整個建築看上去十分的輕質。 結合結構的受力特性，鋼梁截面高度的變化以及外露的接點，一般人看到都會感受到結構之美。 木樑 梁起源於木，古時候人們採用原木，現在大多都是集成木材，原木乾燥後的收縮率約為3%，現代木結構大多採用現代工藝加工的規格材和工程木材料，比如膠合木，CLT交錯層積材等。這些材料的強度、耐久性、穩定性、環保性、經濟性都要遠遠好於一般木材。 木樑的形式大多為單梁或者雙梁並聯的組合形式，可在雙梁之間設置一些燈槽等裝置，平面上也可採用不同形式的編織提案。 妹島和世設計的鬼石多目演藝廳採用當地的杉木，吊頂包平，只露出270的高度，看上去木樑只是裝飾，其實截面由端部到跨中不斷加大，符合簡支梁的彎矩變化。 由於木材不能像鋼構那樣銲接或者混凝土那樣整體澆置在一起，所以接頭基本都為鉸接，令人心動的一個當代木構必屬蘇黎世的Tamedia辦公大樓（Tamedia Office Building, Zurich /2013），由日本建築師阪茂（Shigeru Ban）設計，接頭不依靠金屬部件，而完全用木栓來銜接木樑和其他木結構。 為了建造Tamedia大樓，結構工程師首先對房屋架構中所要使用的木材進行了必要厚度的計算。然後在此基礎之上又多加了4公分，以備萬一發生火災時，來保護木材內層。 現在大部分木結構接合部多採用鋼構接頭，利用鋼的可塑性與強度，在木結構的接點處發揮點睛之筆。 木構造特性 由於木材無明顯之降伏點，伸長量亦小，意謂著木材至破壞為止能吸收之能量較少，有可能發生脆性破壞；木構造有接合部存在，此接合部除利用膠合者外，以其他接合扣件接合者，或多或少均會變形（變位或滑動）。 使用此類非韌性材料所建造之結構體，係利用接合部之變形以獲得一些韌性；若接合部能選用初期剛性高，且會發生降伏變形之接合方法時，構造體變成可吸收非常大能量（能量在接合部被吸收）之韌性構造體。     玻璃梁 一說到玻璃，人們第一反應就是「脆」，沒有延性，對邊界條件比較敏感。先看一組玻璃和鋼材的數據比較，基本的力學性能都打了三折。所以目前而言玻璃這種材料是不大適合做結構的，但，誰讓他好看呢，所以用到玻璃都是靜定結構，設計也增大安全冗餘度。 為了追求極致的通透，在小尺度的地方可以嘗試使用下玻璃梁，一般帷幕牆結構中會比較常見。 東京有樂町地鐵站出口，有一個10公尺長的玻璃建造的懸臂雨庇，由建築師Rafael Vinoly設計，於1996年完成。 結構為四列平行相扣的膠合強化玻璃片組成懸臂梁。設計風載重為每平方公尺5kN與最高標準的地震作用。厚度19mm的玻璃平板開72mm直徑之孔洞，玻璃板之間搭接、粘合。每個玻璃桿件接點可承載12kN剪力。 「對於高技派的鋼架、鋼索之類的有限建築語匯的熱衷。或者只滿足於橫平豎直樑柱系統都是值得質疑的。人們所探尋的結構，既非強加的形態，亦非笨拙的骨架。」_Cecil Balmond

對於一個複雜的、非常規的帷幕牆系統，從設計階段開始就需要仔細研究其建造和使用的的可行性。 上海西康路189弄，一個極具特色的帷幕牆作品。它獨特的外立面造型和複雜的幾何變化需要帷幕牆的設計師在傳統的帷幕牆系統上研發出一套獨特的鋁板帷幕牆系統。而在整個的設計過程中，所有的細部的出發點都是建立在在如何將外觀、性能和安裝三者有機地結合在一起。 本文將介紹本作品的帷幕牆的設計，展示了構造和設計方面與眾不同的特點，特別是這件作品中所特有的固定鋁板的方式以及該鋁板後側的玻璃帷幕牆系統。 由中信資本開發的西康路189弄作品位於上海普陀區的西康路與長壽路的交匯口。該建案主要的業態為商業和辦公，總樓地板面積為37276平方公尺。在上海眾多的商業建案中，該建築雖然量體不算大，但是卻因為其獨特的設計和優質的工藝成為市中心的地標性建築。 本建案的建築師為來自荷蘭的UN Studio，帷幕牆顧問是英海特工程諮詢（北京）有限公司上海分公司。因為其優秀的設計與施工，該建案曾被《AD》雜誌評為世界最美購物中心，亦獲評為2017年MIPIM Asia Awards最佳零售作品金獎。 本作品的帷帷幕牆最大的特點是外側由一層到三層漸變的裝飾鋁板與內側的單元式玻璃帷幕牆組成的雙層外牆系統。利用參數化設計的由鋁板構件組成的單元共有9種，設計師藉由層數和大小的變化，讓它們在建築上生動的展示出一個若隱若現的靈動立面。另外位於大樓兩個轉角位置的異形鋁板與玻璃帷幕牆組成的「城市之眼」也在設計和施工上也是極具難度的。 作品實景照片 鋁板帷幕牆實景照片 鋁板帷幕牆的立面展開圖 建築立面圖 單層帷幕牆模組 雙層帷幕牆模組 三層帷幕牆模組 帷幕牆系統的設計和施工介紹 特殊鋁板的固定方式 作為本作品最有特色的菱形鋁板系統，在固定、安裝和受力方面都有許多非常規的做法。首先，在玻璃帷幕牆外側的鋁板系統由於承受了較大的風荷載和自重荷載，在設計時，我們有意地將鋁板系統的龍骨與玻璃帷幕牆的龍骨脫開，採用T型的鋼立柱與樓板處的混凝土梁固定。這樣玻璃帷幕牆的龍骨不會因為鋁板所傳遞過來的風荷載和自重而產生額外的應力和變形，在受力系統上更為簡便也更加可靠。 所有二層至四層鏤空位置的鋁板均採用銲接成型鋁板盒子，這些鋁板盒子有平行於牆面和垂直於牆面兩種擺設方式。並且隨著建築立面的變化，鋁板盒子的層數由一層逐漸過渡到三層。 建築師希望這些鋁板盒子的固定儘量的小巧與美觀，為了達到建築效果的同時確保結構的安全，我們設計出一種帶有多個連接角度的不鏽鋼轉接件。該不鏽鋼轉接件藉由內螺紋固定在一根不鏽鋼棒上。在需要連接鋁板盒子的位置安裝一系列的可調節角度的套筒。 鋁板盒子的角部在加工廠內安裝了一有內置的可以轉動的接駁頭，套筒上固定件與鋁板盒子中的內置接駁頭藉由帶有內六角的螺桿緊密的連結。為了確保安裝的精度，所有的不鏽鋼連接件均採用機加工而不是常規的鑄造件。 典型的帶有三層鋁板盒子的節點圖 支撐鋁板盒子的不鏽鋼棒系統 機加工的不鏽鋼棒與套筒 裝飾鋁板的安裝精度要求非常高，幾乎每一塊裝飾鋁板都需要安裝到理論的位置，整體偏差不應超過2mm，這就對整個系統的安裝精度提出了很高的要求。在施工期間，施工單位首先按照1:1精確建模，將T型鋼、不鏽鋼棒、裝飾鋁板全部竣工立體模型，然後根據立體模型，生成T型鋼的安裝定位圖和不鏽鋼棒的安裝定位圖，確保T型鋼和不鏽鋼棒的整體安裝精度，其中T型鋼的左右偏差和上下偏差控制在2mm以內，不鏽鋼棒的前端偏差，上下、左右和前後偏差控制在2mm以內，遠高於常規鋁板帷幕牆的5mm偏差要求。 這樣就確保了整件作品整體的偏差是可控的。而鋁板盒子的安裝可調節範圍在正負5mm，故T型鋼和不鏽鋼棒的2mm誤差是完全可以消化的。鋁板盒子的安裝遵循整體布控，局部可調的原則進行。整體布控即按照一定的距離（3個T型鋼間的距離）進行控制，確保誤差不累計，所有的誤差在此控制距離內消化；局部可調即在此控制距離內主要藉由T型鋼和不鏽鋼棒的安裝精度來控制裝飾鋁板的安裝精度。 典型的帶有三層鋁板盒子的板塊細部圖 為了確保這些漸變和異形的鋁板在安裝過程中能滿足如此高的精度，技術手段包括：首先所有的骨架全部在立體軟體中建模，並根據龍骨在空間的位置確定骨架的安裝定位點；其次所有的龍骨都需要生成立體的加工圖，因為每一個龍骨都是有可能不一樣的，對於曲面部分的龍骨每一根骨架的曲率都不一樣，單根骨架的曲率也是變化的，所以加工過程中，每一根骨架都1:1放樣加工。 在設計階段，確定每一根龍骨以及每一個連接節點的空間，這樣的做法對施工單位的要求非常高，但是卻是確保鋁板、玻璃都安裝在理論位置的關鍵。如果給與每一個連接節點過多的自由調節，雖然也能完成作品的安裝，但是精度上以及接縫的大小可能會與理論值有較大的差距。 鋁板的結構分析 對於這種特殊的鋁板連接形式，必須經過仔細的結構計算和分析。 因為本作品鋁板的變化非常多，英海特（Inhabit）使用通用有限元計算軟體Strand7進行對該系統進行模擬，並選取了一個有代表性的區域進行有限元的分析。在有限元的建模中，英海特（Inhabit）採用帶有8個節點的板殼單元來模擬鋁板盒子，為了確保建模的精確，英海特（Inhabit）將鋁板盒子的六個面全部建模。不鏽鋼棒也同樣使用板殼單元進行建模。不鏽鋼棒與鋁板盒子之間的連接採用link單元，用於傳遞位移和反力。 鋁板的有限元分析模型 鋁板的應力分析結果 鋁板的變形分析結果 從結果中可以看出，採用這種新穎的連接方式的鋁板盒子，在連接點位置的受力為鉸接形式，剪應力和拉應力的均在合理的受力範圍內。同時因為鋁板系統中的不鏽鋼棒與橫向和縱向的鋁板盒子形成了一個空間系統，不鏽鋼棒在強度滿足風荷載和自重荷載的情況下，其側向的穩定性也由於多層鋁板盒子的支撐有了提升。有限元的結果分析顯示鋁板的變形值也在合理的範圍內。 藉由結構分析，我們對此系統的安全性也更加瞭解和有了充分的信心。 鋁板後側的玻璃帷幕牆的設計 本作品二層以上的玻璃帷幕牆基本都是安裝在裝飾鋁板後的。如何解決玻璃帷幕牆與鋁板之間的構造和受力關係是設計過程中需要解決的主要問題。由於鋁板系統的構造和受力已經非常複雜，如果將鋁板的連接件和不鏽鋼棒直接固定在玻璃帷幕牆的龍骨上，則在安裝時需要將連接件提前固定在玻璃帷幕牆的龍骨上，則玻璃帷幕牆的安裝精度會直接影響到今後鋁板的安裝。 如果玻璃帷幕牆的龍骨同時需要承受鋁板所傳遞的荷載，則玻璃帷幕牆的龍骨變形也會對鋁板的變形產生影響。所以本作品採用了鋁板系統與玻璃帷幕牆系統完全脫離的做法。所有的鋁板系統的龍骨直接固定在結構樑上，而玻璃帷幕牆則採用頂底固定在上下樓板間的「單元窗」形式。 典型的單元窗頂底連接節點 可以允許單元窗豎向變形的頂部附框 單元窗的豎龍骨採用與單元式帷幕牆相同的公母立柱，而底橫樑才用坐地式的對插型材，其中水槽料直接固定在與樓板相連的鋼龍骨上，並藉由橫滑料的連接形成一個連續的排水槽。 頂橫樑與固定在吊頂位置的附框插接咬合，該附框的後側可以藉由螺釘直接拆卸。在安裝時，所有的層間部分，包括水槽料、頂部的附框以及層間的保溫和防水構造都先於單元窗之前安裝完畢。單元窗在安裝時可以先把板塊傾向一個角度後將底橫樑與水槽料插接，再將單元窗豎直，直到其頂橫樑轉動到頂部附框位置後把附框後部的卡口型材用螺絲鎖定。   單元窗的拆卸示意圖 固定好的單元窗不僅可以適應建築物因層間變位引起的位移，而且可以做到在不拆除室外鋁板的情況下室內更換玻璃。由於公母立柱之間相互插接，在拆卸單元窗時需要藉由夾具讓單元窗的板塊移到一側直到公母立柱之間搭接的部分完全脫離後即可鬆開固定頂橫樑的附框卡口，將單元窗的板塊向內傾斜後就能將其完全拆卸。

南京大學建築與城市規劃學院孟憲川於《建築學報》探討彎矩在建築與結構整合設計中的關鍵角色。自伽利略懸挑梁實驗至納維彈性理論，彎矩概念逐步完善，卻因建築與結構專業分離，導致設計隔閡。本文透過彎矩圖，揭示建築形態、構件與節點的創新設計方法，結合瑞士庫爾城市媒體中心、日本代代木體育館等案例，展現彎矩圖如何激發建築創作潛能，推動建築-結構一體化設計。

無論圖紙畫得多麼心潮澎湃，總歸是要落實精彩才算是優秀的設計，如何選擇對應的材料達到預期效果，需要對材料的熟悉掌握。 什麼樣的材料有什麼樣的特性？ 加工的難易程度，可否實現？造價是否在預算範圍之內？每一個問題都需要實戰經驗。下面讓我們欣賞一些優秀作品，看看材料之美，到底多驚豔！

阻尼器是一種「動態修改設備」或「動態保護系統」，在高層建築中的首批應用之一，是在紐約市世界貿易中心安裝了10,000個粘彈性雙層剪切阻尼器。隨後，在紐西蘭進行了有關被動式阻尼器利用的重大研究。

德國Dorma公司開發的Moveo ComfortDrive活動隔音牆系統，採用智能驅動技術，實現自動移動與分隔。此系統已廣泛應用於多功能空間、辦公室及飯店，提供高達9公尺的靈活隔斷方案，並可達到37dB至55dB的隔音效果。該系統具有安全感應與手動操作功能，確保用戶使用安全。Dorma以其創新的設計與智能化技術，成功將活動隔音牆帶入自動化新時代，受到業界一致好評。