[文章]：混凝土的新发展—苏格兰新议会大楼混凝土运用案例分析

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混凝土的新发展—苏格兰新议会大楼混凝土运用案例分析
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混凝土是现代建筑中运用最广泛的材料之一，它具有结构性能好，可塑性好，防水性能好和适合工业化生产等优点。其实早在公元前120年，罗马人就使用混凝土建造了跨度43.6米的万神庙。（注解1）

根据Walter Scholle的归纳，混凝土在上个世纪的历史发展可总结如下: 20世纪初期柯布西耶等现代主义建筑师开始将混凝土运用于建筑的造型设计和外墙材料，混凝土逐渐从单纯的结构材料发展成为一种建筑材料。在上个世纪60年代混凝土被广泛地运用于预制建筑构件。然而这个时期的建筑设计缺乏细部，重复而且冷漠，给混凝土造成了很大的负面影响。自70年代之后，安藤等建筑师给混凝土的运用带来了转机，开始重视深层次的工艺制作和个性设计体现。例如，为了消减混凝土立面的单调感，混凝土被浇注在特定的模板内以增加其表面的质感与纹理。这种材料重新吸引了国内外广大建筑师的兴趣，不过它的外观给人的感觉仍然比较单一。（注解2） 90年代以来混凝土在配料，施工和模具制作等技术方面的发展使得它的设计又有了很大的突破，也为建筑创作提供了更多机会。

在过去两年里，我负责了苏格兰新议会大楼中预制混凝土部分的设计和施工。在这个充满挑战的工程里，我们尝试了多种不同类型的混凝土设计，克服了很多难题同时也积累了很多经验。下面我希望通过这个工程案例的分析来探讨混凝土运用的新发展。

案例背景

1997年5月苏格兰作为英联邦之一成立了国家议会，首都定在爱丁堡。经过一年的筹备，于1998年4月举办了选拔新国会大楼建筑师的国际竞赛。竞赛分两轮进行。第一轮选出了包括美国的理查·迈耶，西班牙EMBT在内的12家建筑师事务所，之后的第二轮的竞赛评比确定了西班牙EMBT和英国RMJM为苏格兰议会大楼的联合建筑师。

EMBT/RMJM设计的苏格兰议会大楼由新建和改建的几个建筑组成(如图1)：沿canongate街北边是两个辅助办公楼，reids close街西边是议员的办公室，基地中央是四个4~5层的会议楼，其首层是议员的餐厅和花园，东面临市民广场的是国会大堂，其首层是向公众开放的游客中心。一个复杂建筑的体量由此消减成七个小建筑，在尺度和体量上呼应了基地附近的老建筑。这一建筑群围合的外部空间，包括与东面的英女皇行宫之间围合的市民广场，皆朝向南边美丽的亚瑟小火山。


图1：苏格兰议会新大楼模型鸟瞰

该工程建筑总面积18550平方米(不包括地下停车场) ，建筑部分总造价约21.6亿人民币(11.6万人民币每平方米)，预计2004年完工。

混凝土在苏格兰议会大楼的运用分为三部分：1.主结构采用现浇混凝土 2.办公楼和国会大堂的外墙上部采用预制混凝土 3. 建筑首层和围墙采用特别设计的预制混凝土。其中建筑首层和围墙的预制混凝土是工程中是最复杂和最具挑战的部分之一，也是最后完成的部分，它的设计吸取了前两个部分的经验。因此，下面的文字讨论的主要是议会大楼中首层和围墙部分(以下简称首层部分) 的混凝土在设计和施工中遇到的问题。

多元化的混凝土

混凝土普遍被认为是一种单调和冷漠的建筑材料。然而如果能把设计与混凝土很好的结合，其实混凝土是一种很丰富多彩的材料。正如Burkhard Frohlich在Diversity instead of Sameness一文中所说的，“混凝土的形态和色彩可作无穷的变化，它比其他所有的建筑材料都能满足更广泛的设计需求：它可渲染或伤感或欢乐的情绪，也可浇筑出或自持谦恭或开朗动人的结构” 。（注解3） 比如安藤的混凝土，非常讲究细部，色彩较浅较柔和，墙面分缝为1800mmx900mm，每块面上留有6个直径45mm的小圆孔。这些细部跟人的尺度建立了关系，虽然简单却极大地改变了混凝土的外观，改善了混凝土给人的冷漠感。地域性混凝土\'的作者卡瑟琳曾评论说，安藤的混凝土敏锐地对环境作出了反应并将混凝土的设计跟东方文化进行了结合，使得混凝土更加人性化。（注解4）

在议会大楼的设计中，预制混凝土是最重要的外墙材料，被用于国会大堂朝向市民广场等主要立面和建筑首层部分。该工程的高级建筑师朗姆斯先生曾告诉我，在议会大楼这么重要的项目中采用混凝土作为主要建材的选择是不寻常的，议员们和规划部门曾经反对混凝土的选择，一方面是由於爱丁堡乃一古城，古建筑多采用当地产的砂岩，人们倾向于将砂岩为建筑的外墙材料以保证古都风貌的统一；另一方面还是因为人们对混凝土外观的担心。对此总建筑设计师米拉勒斯(Enric Miralles)作了如下三方面的解释:

1. 从城市总体来看，经过年代的风雨侵蚀，城市里的砂岩已经变成了一种不均匀的深灰色，混凝土的灰色跟市中心的古建筑群在色彩上是和谐的；
2. 建筑所在的基地虽然离市中心只有10分钟的步行距离，但该区却是个废弃的旧工业区，混凝土的灰色跟周围的环境也是很协调的；
3. 议会大楼的预制混凝土是经过特别设计的。其表面的在脱模后要经过吹沙打磨，显露出配料中的白色石米，因此细看会有类似灰色花岗石的质感。此外，在建筑首层和围墙等离人距离较近的部分，预制混凝土还作了凹凸、嵌石和镂空等艺术处理。这些设计将会减少混凝土给人的冷漠感。(如图2)


图2：表面经打磨，含黑色嵌石和镂空等艺术处理的预制混凝土构件

安藤和米拉勒斯的设计风格有很大不同，混凝土在他们的建筑中的表现也很不一样，一个内向冷静一个活跃富动感，正是体现了现代混凝土多元化的特征。自90年代以来技术的发展给混凝土的运用带来了很多新颖的构思。通过的结构、形体和表面的不同设计，混凝土可以被设计成各种各样的外观，以适合不同的环境，满足各种品味和需要。目前很多人对混凝土还抱有误解，阻碍了这种材料的运用。作为一种优良的多元化的材料，混凝土在建筑中应该获有更广泛的应用。

具力度美的混凝土

议会大楼中混凝土的设计跟整体建筑的设计概念是统一的，它充分显示出了建筑形体的动感和力量。

关于议会大楼的设计概念，米拉勒斯在设计说明中写道，“议会大楼不应只成为一个代表形象，更要通过建筑表达一种鼓励参与和协商的态度。我们需要的不是简单、大尺度的和纯装饰性的纪念形式，我们要的是一种跟人的行为和心理有关的东西……市民坐着，或休息着，或思考着……跟议员们坐在同一片土地上……因此我们觉得这个议会大楼应该设计成土地的一部分……建于这片土地并属于这片土地。” 当建筑融于周围的景观之中，它作为一个独立的物体或形象的感觉就被弱化了。建筑于是解构在景观之中，变成了流动、连续的大自然中的一些片段。议会大楼的几个单体像是从南面的亚瑟火山上滑下来的船头，南面的景观设计就像是船头在大地上滑下的痕迹，船形办公楼的大悬挑也加强了这种滑动的气势。除议员办公楼外，其他建筑的屋面都是曲面的，还有很多像草图般随意切出的开口，或抬高或斜下。首层临市民广场的柱子的形状令人难以描述，像手臂的肌肉，又像激流中被腐蚀的石柱……这都是一些很有力度、动感很强的形式。（如图3，4）


图3：混凝土屋面富有动感的切口

图4：位於首层部分的预制混凝土柱子

关于混凝土的力度，建筑师Frank Kaltenbach在Concrete- A Yearning for the Monolithic一文中写道：“整体的建筑散发出力量。由单一材料和少数极收敛的细部造就的普通形象令人反映了现代社会简洁的特点。如果有人要设计一个结构、立面、铺地等各种附件都统一的建筑，那么功能广泛的混凝土将是最理想的材料。”（注解5）著名现代理论家Kenneth Fraptom在讨论路易·康时也有过一些关于混凝土力度美的评论：“康曾说过宏伟的、连续的结构是应该外露的，因为它的结构自身带有的美是符合美的规律的……钢筋混凝土构件可以轻松地在剖面上作出连续的变化，表达出它所承担的荷载变化。”（注解6）

议会大楼的混凝土设计有如下四个特点:
1. 悬挑结构的跨度大(现浇混凝土)：例如沿cannongate街的办公楼悬挑25米，2号办公楼尖端悬挑10米 (如图5，6)


图5：Canongate办工楼的巨大悬挑，划出了一片动感的天际线

图6：2号办公楼的悬挑，象充满力度的船头

2. 设计整体感强：例如立面的预制件不是重复一种模式而又稍微有变化。其原型模式为L形。这既是一种残缺，又是一种添加的图形，追求图形完整的人类心理反应会使得人的视线和心里都出于一种不稳定的状态。当人的视线在混凝土表面移动的时候，由这些预制构件拼成的建筑最终变成了一连续和流动的景观。(如图7)


图7：面朝市民广场的混凝土预制板

3. 预制构件的尺寸巨大：一般大于4mx3m
4. 拼缝尽量少，转角不设缝
5. 带连续变化的曲面，形体复杂：比如，Canongate围墙的预制混凝土，这是整个工程中形体最复杂的一种设计。简单描述它是一个剖面沿长度不断变化的形体，基本分为上下两曲面，上下两曲面间在中部还变形出一个内凹的部分。(如图8，9)


图8：沿Canongate街的立面设计，首层为预制混凝土

图9：Canongate街首层预制混凝土的剖面

混凝土的力度在议会大楼工程中完善了建筑设计对动感和力量的追求，不过混凝土在表达力度的同时也带来了设计和施工的问题，需要更多的设计投入。比如上面提到的Canongate围墙的预制混凝土，上下两曲面在早期设计中是圆锥的一部分。然而这样每块预制件的半径都会不同，也就意味着每块混凝土预制件的模板都不一样。预制混凝土的造价主要集中在模板上，能否能尽量多的重复使用同一模板非常重要的。我们认为原设计的圆锥曲面可以改成圆柱曲面，只需要将上下两端进行变化制造视错觉，也可以达到原设计的动态效果。这样修改后各预制件的曲面半径是不变的，于是可重复使用一套模板，节约了15倍的造价。议会大楼的混凝土带来了许多施工方面的挑战等，有些可在设计上解决，有些则需要先进技术的支持，后一个问题将在后面的文字中继续讨论。

融合高技术的混凝土

英国建筑标准BS 8297:2000为预制混凝土构件的设计、施工、运输和安装提供了很多建议和指导。英国还有很多文件比如混凝土协会的各种报告等对施工的某些具体方面作了详细的解释，然而这些标准关注的都主要是些设计和施工的基本要求和常用方法。由于首层部分混凝土的设计非常具有挑战性，我们需要自行实验和摸索。其中施工困难较大的部分之一是表面带凹凸、透空和嵌石等复杂的处理的混凝土。由于混凝土构件都尺度巨大，而且形体复杂，还经常会带转角构件，更是增加了难度。

其中首层部分混凝土的凹凸处理分为两种。一种是带竹子图案的平面混凝土板(如图10，11)。关于如何在混凝土面上展示竹子图案我们还尝试过化学腐蚀的方法(类似赫尔佐格设计的Ebersnwalde图书馆) ，最后觉得装饰味太浓，跟总体设计不和谐而决定作混凝土的凹凸。为了制造带竹子图案的模板，施工单位购置了一台能读取CAD三维模型的机器人。开始竹子的设计图案是内凹的，后来改作外凸的，因为这样模具的制作可以节省5倍以上的时间和造价；另一种凹凸处理是在北面沿canongate街的一段形体复杂的混凝土墙，其表面上刻有米拉勒斯的草图和其他一些类似地形等分线般的图案(如图12，13，14)。由于目前模具机器人技术只能制作平面的模板，我们的解决方法是先用机器人制作个平面的正模板，然后用这个平面的模板浇个橡胶负模板。因为橡胶模板可以弯曲，最后再把这个橡胶模板压到曲面混凝土板的结构模板里。


图10：表面带竹子纹理的预制混凝土设计

图11：带竹子纹理的木模板

图12：Canongate街首层预制混凝土的样品

图13：制作模板的机器人

图14：已压入曲面主模板的橡胶模板(灰色部分)

对于该工程中部分形体或表面设计比较复杂的构件，普通混凝土已经不能满足要求，需要采用一些新型的混凝土产品，如self-compacting混凝土和纤维加强混凝土。self-compacting混凝土比较适合一些曲面和转角构件的浇筑，因为这种混凝土在浇筑时不易流动，而且不需要振荡也没有什么气泡，有利于解决这些构件的在施工中的难题。另外，预制混凝土除了制作，还需要考虑安装的问题。在结构相同的情况下，纤维加强混凝土的尺寸一般小於普通混凝土30%以上，这个优点不仅使得构件显得更加轻盈，还可以极大地减小构件的重量，方便安装。

最近30年以来，混凝土在技术方面的发展很快。虽然混凝土仍然保留了人工浇筑的传统过程，然而在成分、合成和模具制作等方面已经融入了很多高技术的成分。假如没有技术的支持，议会大楼工程中混凝土的实施简直是无法想象的。此外，技术也给混凝土设计带来了更多更有挑战的构思和启发。

细腻敏感的混凝土

混凝土一般由混凝土粉，骨料和水构成，不同的成份和合成比例会形成不同性质的混凝土。如果再添加一些别的成份，比如金属屑，火山灰等，可以合成更多种多样的混凝土产品。混凝土的外观除了上面提到的原料会导致色彩的差别外，还很容易在施工的过程中发生变化。比如，浇筑模板的材料也会对的色彩产生很大的影响。如果模板是木板或其他会吸收水分的材料，混凝土的色彩在拆模后就会比较深，如果模板是塑料或金属，色彩就会比较浅。通常模板内部还会上倒模油，如果涂得不均匀，也会形成国内俗称的“大花脸”。

议会大楼中带竹子纹理的混凝土使用的是木模板，由于构件都比较大，超过了标准木模板的尺寸，只好进行拼接，施工队在模板内侧均匀地涂了一层胶防止拼缝留痕。然而由于在浇混凝土时还要震荡，这层胶出现了裂纹，结果还是在混凝土的表面留下了一条深色的痕。由于构件的表面有竹子的纹理，要求不能有缝，施工队后来加固了模板的拼接解决了这个问题。（如图15）


图15：模板裂纹留在混凝土表面的痕迹

模板的拼缝在大尺寸的现浇混凝土中是尤其难免的，在一般的光滑墙面上，这些分缝可以结合到墙面的设计中去。比如安藤的混凝土墙面就划分为1800mmx900mm的网格，路易·康的墙面还将这些分缝当成是装饰。这些分缝一般做法是把模板的边削个小斜面，于是两块模板间形成了个\'v\'形的拼缝，拆模后就留下条突出的分缝。议会大楼的现浇混凝土做法是在模板间夹一小橡胶条，这样的混凝土墙面是没有凸起的缝的，不过由于材料的差异会留下淡淡的痕。由于模板的拼接会在混凝土表面留痕，一般在设计时都需要考虑模板的排列，在立面的基础上再附加一套模板排列图是有必要的。

另一个跟混凝土外观有关的问题是气孔，混凝土浇筑时都要通过机械振荡排出混在液体中的气泡。要将气泡从表面完全清除是不可能的，不过气孔的大小以及分布是否均匀的区别对混凝土的外观会有一定的影响。议会大楼的混凝土基本上是看不到气孔的，因为震荡的时间很充分，而且我们在设计已仔细考虑了外露的面，因此在浇模的时候将外露的面朝下，气孔是往上冒的，这样在外露的面上就不会留下气孔。与此相对照的是在安藤和路易·康的混凝土。在他们的混凝土表面气孔是可见的，然而气孔较小而且分布均匀。作者觉得这些细部差异很重要，令混凝土别有一种味道。

混凝土的色彩和质感很多，但是差异很微妙，不仅跟上面谈到的因素有关，还跟浇筑时的温度和湿度等有关，因此要想准确地表达和控制设计标准是很困难的。(如图16)在议会大楼工程中，建筑师跟施工单位配合较紧密，一起作实验，改进设计，并通过样品来制定施工标准。作者认为这是比较切实可行的方法。从另一角度来看，由于混凝土在凝结过程中的变化和对环境的敏锐反应，其实也给了建筑师广阔的空间去想象和设计这种材料。记得两年前我去参观安藤设计的Vitra会议中心设计时，特别留意到了混凝土表面几片很写意的叶子图案 (见图16 左下角照片)，后来看了介绍得知这些图案原来是施工过程中工地旁的落叶留下的，给了我很大震撼。


图16：由于施工造成的各种混凝土外观。左下图为安腾在Vitra会议中心的现浇混凝土，其余为议会大楼的现浇混凝土

archlyz

真想不到混凝土还有这么多学问,下次争取用一回,做做看.