一、前言
作為建筑外圍護的表現(xiàn)形式，主要就是建筑幕墻（詞條“建筑幕墻”由行業(yè)大百科提供）和異型屋面了。在外觀裝飾效果中，是面板（詞條“面板”由行業(yè)大百科提供）通過其豐富的色彩和多變的造型來實現(xiàn)建筑師們對其建筑表觀藝術(shù)的完美追求。通常幕墻和屋面所用的面板包括玻璃、金屬板、石材人造板等材料，它們各自根據(jù)其自身材質(zhì)的性能特點來實現(xiàn)其對建筑表觀功能要求。
建筑藝術(shù)在通過建筑外圍護結(jié)構(gòu)這種形式表現(xiàn)個性的同時也給了人們精神上享受。現(xiàn)在的建筑外圍護已不再是單一呆板的世界，而是由多種材料搭配，有凹有凸，有曲有折各種外形的組合幕墻、屋面。由它構(gòu)成的建筑造型新穎多變、標新立異，構(gòu)圖虛實對比強烈，環(huán)境色彩鮮艷明快，人們喜聞樂見的建筑藝術(shù)效果，給現(xiàn)代化城市面貌增加了魅力。
在建筑師追求建筑外觀新、奇、特等充斥著后現(xiàn)代唯美主義的建筑設(shè)計中，會出現(xiàn)不少另類、多變的三維自由面造型，這給幕墻公司的技術(shù)改進和研發(fā)提出不小的挑戰(zhàn)和巨大的契機。
可以說，異形幕墻的出現(xiàn)和發(fā)展給了幕墻設(shè)計師們發(fā)揮其聰明才智的機會和空間，促使建筑幕墻的深化設(shè)計與施工技術(shù)向著一個更高的層面發(fā)展。
為了我們在工作中便于對異形外圍護結(jié)構(gòu)的研究，在設(shè)計過程中更好的對每一個異形幕
王德勤，男，1958.4出生，教授級高級工程師，北京德宏幕墻技術(shù)科研中心主任;清華大學(xué)建筑玻璃與金屬結(jié)構(gòu)研究所, 中國建筑裝飾協(xié)會專家;中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會專家組成員;中國鋼協(xié)空間結(jié)構(gòu)分會索結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會委員;北京市評標專家。
墻與金屬屋面（詞條“金屬屋面”由行業(yè)大百科提供）的物理性能和基本功能的實現(xiàn)，本文根據(jù)異形外圍護結(jié)構(gòu)的概念和組合形式對其進行了分類和特點分析，并結(jié)合實際工程案例作一些粗淺的解析。
二、異形外圍護結(jié)構(gòu)的概念和組合形式
2.1外圍護結(jié)構(gòu)的概念
異形建筑幕墻的概念是相對于普通的平面建筑幕墻而言的。建筑幕墻是“由面板與支承結(jié)構(gòu)體系組成，具有規(guī)定的承載能力、變形能力和適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)位移能力，不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所受作用的建筑外圍護結(jié)構(gòu)或裝飾性結(jié)構(gòu)。”
所以異形建筑幕墻首先應(yīng)該是建筑幕墻，有著幕墻的全部功能;其次是面板與結(jié)構(gòu)根據(jù)建筑造型的要求產(chǎn)生了各種異形的變化，達到某種建筑藝術(shù)效果的幕墻。(異形建筑幕墻并不是一種單獨的幕墻系統(tǒng))
在廣義上講，異形幕墻不但包括各種形式和各類面板材料的異形建筑幕墻，同時還包括了一部分異形采光頂和異形屋面。因為幕墻和屋面在定義上的區(qū)分主要是以垂直地面的75°為界的。大于75°為幕墻，小于75°為屋面。金屬屋面：“由金屬面板與支承體系(支承裝置與支承結(jié)構(gòu))組成的，不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所受作用且與水平方向夾角小于75°的建筑圍護結(jié)構(gòu)。”幕墻和屋面兩者之間在構(gòu)造和性能上有很大區(qū)別的。但在異形建筑中往往用連續(xù)的曲面使之連為一個整體，沒有明確的分界線。(如圖2.1a、b)
圖2.1a鄂爾多斯博物館異型金屬屋面照片
圖2.1b深圳保利劇院異型金屬屋面照片
2.2異形幕墻的組合形式及特點
2.2.1、單塊平板為面板的異形幕墻
平面板面板，可以通過不同角度和不同方式的組合而形成大的曲面或雙曲面來實現(xiàn)異形建筑幕墻的效果。
平面板面板其特點是：適用于各種形式的幕墻支承結(jié)構(gòu)和各類面材。適用范圍廣,面板反光效果好，適用于強調(diào)有鉆石帆面光斑效果的異形建筑;適用于大半徑和曲面度變化不大的曲面異形幕墻;工程造價相對較低，性價比較高。
2.2.2、單塊面板為單曲面弧形面板的異形幕墻
單曲面弧形面板，可以通過各種組合方式而形成曲面異形建筑幕墻。
單曲面弧形面板的特點：適用范圍廣，面板曲面弧形成型較容易;對幕墻的支承結(jié)構(gòu)體系一般沒有特殊的要求。常用的面板材料有玻璃、金屬板、GRC板、石材和各種人造板材。適用于各種弧形幕墻及單曲面的藝術(shù)造型;同時也適用于曲面度變化不大的雙曲面異形幕墻;對于選用玻璃材料的單曲弧形面板可以實現(xiàn)鋼化加工來提高面板的強度提高安全性。
在單曲弧形面板的形狀設(shè)計上，可根據(jù)建筑的要求設(shè)計成等半徑的弧形板和不等半徑的扇形板，以及多邊形、圓弧邊形的板塊，進行整體組合。
在常見的單曲面板的幕墻的面板組合方式是：曲面對接的方法，也就是將相鄰的兩塊弧形板塊按走向?qū)映梢粋�整體的弧形曲面幕墻。
在異形幕墻的設(shè)計中由于單曲面弧形面板的適用范圍廣，面板曲面成型較容易;對幕墻的支承結(jié)構(gòu)體系沒有特殊的要求，特別是在異形玻璃幕墻的應(yīng)用中，由于單曲面玻璃可以進行鋼化處理，大大提高了玻璃幕墻的安全度，所以單曲面弧形玻璃面板常常使用在兩個平面幕墻的轉(zhuǎn)角過度造型、實現(xiàn)褶皺的造型效果、拼接成充滿韻律的異形墻面。在實際應(yīng)用中除玻璃材料外，各種金屬板材、GRC板、pc板、石材和各種人造板材也都大量采用單曲面弧形面板的形式作異形幕墻的面板材料。
2.2.3、單塊面板為雙曲面板和自由曲面板的異形幕墻
雙曲面板和自由曲面面板通過拼接、組合成的雙曲面異形建筑幕墻。
圖2.2.3a湖南長沙國際文化與藝術(shù)中心效果圖
圖2.2.3b深圳華僑城創(chuàng)新展示中心照片
雙曲面異形幕墻特點：在異形幕墻中，雙曲面板的成型及加工難度較大，工藝要求較高。板塊的精度要求也高。對幕墻的支承結(jié)構(gòu)和節(jié)點設(shè)計上也有一定的特殊要求;適用于雙曲面及自由曲面的曲率變化大，曲面半徑小、形狀復(fù)雜，極具視覺沖擊力的異形幕墻建筑;對幕墻的設(shè)計與施工技術(shù)要求較高。常見使用的面板材料有玻璃、金屬板、GRC板等。(如圖2.2.3a、b)
雙曲面板的組合方式與單曲面板的拼接方法基本相同，但由于雙曲面板的大部分成型是由模具（詞條“模具”由行業(yè)大百科提供）制造成型的，往往在板塊的邊部有著尺寸和形位的誤差，雙曲板塊大部分都是采用了對接拼裝的方式。并在板塊之間設(shè)置了連接定位裝置，使板塊之間順滑過度。雙曲面板包括等半徑的球冠型板、不等半徑的橢球扣板，以及大量的自由曲面空間造型板。
2.2.4、單塊面板為平板或單曲面板經(jīng)現(xiàn)場冷彎（詞條“冷彎”由行業(yè)大百科提供）成形的異形幕墻
在對各類幕墻面板材料進行曲面成型加工技術(shù)上，主要采用的方法有：熱彎加工、冷彎加工、鑄造成形、模具成形、爆炸成形等。
現(xiàn)場冷彎成形曲面板主要是指在曲面幕墻的制作安裝過程中用平板或單曲面板通過施加一定的外力使面板產(chǎn)生彈性變形，并永久固定在支承系統(tǒng)上，使之達到雙曲面的效果。這樣成型方法往往是用在板塊曲面變化小，回彈力不大的情況下使用。但即使這樣，在使用前也要對其作由于冷彎變形所引起的負面影響進行全面可行性分析后才能使用。
各種不同的建筑外形對面板的設(shè)計要求也不同，由于各種異形幕墻建筑的藝術(shù)造型是用面板的自身形狀和組合方式的變化來實現(xiàn)的。所以我們在分類上利用面板的形狀作為分類的依據(jù)方法。
三、異形外圍護結(jié)構(gòu)的工程案例
異形建筑的發(fā)展使得城市景觀充滿生機，由于現(xiàn)代異形建筑的鼻祖——埃菲爾鐵塔的成功，越來越多的異形建筑和與之匹配的異形幕墻、異形屋面等異形外圍護結(jié)構(gòu)工程項目在近些年來像雨后春筍班的出現(xiàn)。藝術(shù)家和設(shè)計者傾盡全力去打造“全新”“從未有過的”“特征顯著的”建筑，給異形外圍護結(jié)構(gòu)的建筑幕墻和金屬屋面從材料到工藝以及加工技術(shù)提出了一個又一個全新的課題，讓幕墻設(shè)計師們迎接了一個又一個全新的建筑幕墻技術(shù)的考驗。
3.1、在2011年巴黎機場工程公司與扎哈·哈迪德建筑事務(wù)所聯(lián)合推出的新方案，擊敗了諸多的設(shè)計機構(gòu)提供的方案，獲得了這個70萬平方米的機場項目，并聲稱“這將是全球最大的機場航站樓”。 2015年3月，扎哈·哈迪德宣布了北京的大興機場的設(shè)計方案(如圖3.1a、b)。這個機場位于北京南面的大興區(qū)，將用3年的時間建成。新機場建成后預(yù)計每年將接待4500萬名乘客。扎哈·哈迪德，這個首位獲得普立茲克建筑獎的女建筑師，北京新機場的設(shè)計項目將是她首次挑戰(zhàn)機場設(shè)計方案，填補了她建筑設(shè)計生涯的一項空白。
圖3.1a北京新機場的造型像“鳳凰展翅”效果圖
圖3.1b北京新機場的正立面效果圖
新機場造型上像“鳳凰展翅”，建筑立面主要為玻璃幕墻，以通透的墻面來表現(xiàn)內(nèi)外大空間交流，大型的屋面一定會采用異形金屬屋面這種最有表現(xiàn)力的外圍護結(jié)構(gòu)形式來實現(xiàn)建筑效果。
北京復(fù)興路乙59號幕墻工程項目是一項舊樓改造項目，建筑師利用了玻璃的彩釉印刷技術(shù)使多種不等邊的菱形玻璃的透光率產(chǎn)生變化，又利用玻璃在平面上的凹凸變化實現(xiàn)其建筑語言，使得整個建筑充滿靈動感;廣州大劇院宛如兩塊被珠江水沖刷過的靈石，外形奇特，復(fù)雜多變，充滿奇思妙想。(如圖3.1a、b)
圖3.1c北京復(fù)興路乙59號幕墻工程照片
圖3.1d廣州歌劇院的燈光效果照片
3.2、在各種異形曲面的外圍護結(jié)構(gòu)的表面利用玻璃、鋁板或其他材料構(gòu)成各種新、奇、特的異形建筑幕墻。
壽光文化中心玻璃橢球形劇場的長軸是60米短軸為40米 由多根相互平行的立柱支撐在8米高的空中。球形劇場的一端是通過通道與大堂連接，球形劇場的結(jié)構(gòu)是由鋼管通過經(jīng)緯線的布置形成的球殼。外層的玻璃是中空彩釉夾膠熱彎玻璃。通過彩釉點密度的變化實現(xiàn)透光率的變化。玻璃與鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點是通過玻璃之間的空隙將內(nèi)片玻璃固定在結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)了機械連接的隱框效果。(如圖3.2、a)
大阪海洋博物館的外維護結(jié)構(gòu)是由鋼管和連接構(gòu)件（詞條“構(gòu)件”由行業(yè)大百科提供）鑲拼成的球殼，表面采用了透明夾膠玻璃。和特種夾膠玻璃，這種玻璃是用SGP膠片將不銹鋼穿孔板夾在兩片玻璃的之間，通過不銹鋼穿孔板的孔洞目數(shù)變化實現(xiàn)透光率的變化。建筑師把九種不同透光率的玻璃按設(shè)計排布在球體表面上，在天空光線產(chǎn)生變化時不銹鋼夾層玻璃（詞條“夾層玻璃”由行業(yè)大百科提供）的反光也隨著變化。這層玻璃在達到了建筑效果的同時也起到了遮陽和節(jié)能的作用。(如圖3.2、b)
圖3.2a壽光文化中心玻璃球形劇場照片
圖3.2b日本大阪海洋博物館照
巴黎“融化式建筑”的出現(xiàn)，打破了我們對建筑的一般理解。是異形建筑的一個大膽的探索，它使用了視錯覺技術(shù)造成的效果,給了異形建筑和異形門窗幕墻以全新的認識.這類建筑的“特征顯著”個性極強。
美國拉斯維加斯的可樂總部大樓是利用點支式玻璃幕墻的可塑強、表現(xiàn)性強的特點，在墻面上制作了一個巨大的仿真可樂瓶。這是在異形建筑中的仿真建筑，近期在國內(nèi)出現(xiàn)的如：河北的“福祿壽三星酒店”(天子大酒店)，外觀完全就是福、祿、壽三位神仙的雕塑，色彩濃烈鮮艷;安徽合肥濱湖新區(qū)的直徑為61米高18米，以鳳陽花鼓為造型的鼓形建筑等。形象真實具體是類似于雕塑的一種異形幕墻形式。
白家莊酒店項目在建筑設(shè)計時，建筑師利用金屬板的可塑性性能，在外幕墻的層間上制造了一個奇特的有著夢幻效果的金屬板與玻璃的復(fù)合幕墻 。讓有著奇異三維造型的金屬板與通透的大透明玻璃有機的形成了一個整體(如圖3.2c、d)
圖3.2c、白家莊酒店的立面照片圖
圖3.2d 白家莊酒店的原始設(shè)計立面效果圖
當(dāng)選為“2016年全球十佳公共建筑”的中國唯一入選作品，是位于湖北省十堰市鄖陽區(qū)漢江南岸的柳陂鎮(zhèn)青龍山村，青龍山恐龍蛋遺址博物館。
該建筑的異型金屬屋面、幕墻的外裝飾采用了3mm厚鋁合金板塊板，仿制成恐龍模型鱗片狀，覆蓋整個建筑面積5000平方米的恐龍蛋遺址，保護著距今約6500―13500萬年保存完好的恐龍蛋(如圖圖3.2e、)。
圖3.2e、湖北十堰青龍山恐龍蛋遺址博物館恐龍鱗片狀金屬屋面照片
“山水城市”是MAD建筑事務(wù)所一個最新的項目，位于貴陽。設(shè)計概念來源于中國傳統(tǒng)的山水理論。古代定都時，人們會觀察土地和水源，選擇險要的自然地形作為城市的天然防衛(wèi)。自從80年代改革開放以來，中國在城市建設(shè)上取得了巨大成就，然而伴隨著城市數(shù)量和面積的急速擴大，這種發(fā)展也帶來了一系列問題，例如古跡和自然環(huán)境的破壞。由吳良鏞在1987年發(fā)起的當(dāng)代中國城市規(guī)劃研究重新引入了“人居科學(xué)”的理論——中國航天之父，著名科學(xué)家錢學(xué)森就提出了“山水城市”的概念并給吳良鏞寫了一封信，提議構(gòu)建山水城市的概念并將它與山水詩歌、中國傳統(tǒng)園林和山水畫相融合。
圖3.2f、位于貴陽市由MAD建筑事務(wù)所設(shè)計的“山水城市”效果圖
山水城市是中國歷史上獨特的空間規(guī)劃概念之一，在城市可持續(xù)發(fā)展方面有重大意義。它將城市建設(shè)與自然環(huán)境相結(jié)合，而所謂的自然環(huán)境就包括“山”和“水”。建筑-景觀-城市的緊密結(jié)合是中國傳統(tǒng)城市設(shè)計理論的核心和主要方法論.
四、結(jié)束語
近年來，由于社會經(jīng)濟有了進一步的提高，建筑業(yè)快速蓬勃發(fā)展。建筑外圍護結(jié)構(gòu)形式在不斷的改進，也使得異形建筑外圍護結(jié)構(gòu)的樣式和數(shù)量有了很大的增加，促進了幕墻行業(yè)設(shè)計和施工水平的普遍提高，促使墻面材料的多樣化和加工技術(shù)的提升。由于幕墻工程師們在提升建筑幕墻設(shè)計、加工、施工技術(shù)的同時，合理的利用和引進了汽車制造業(yè)、航空制造業(yè)，以及軍工制造等高科技技術(shù)，特別是bem技術(shù)大規(guī)模的在幕墻設(shè)計和施工中的運用。一次又一次的完成了高難度異形外圍護結(jié)構(gòu)項目的挑戰(zhàn)。我們在總結(jié)多個異形幕墻項目的基礎(chǔ)上，對外圍護結(jié)構(gòu)的特點進行分析，提供給同行們共同探討以促使幕墻設(shè)計和施工技術(shù)進一步的提高。
參考文獻
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