工程實踐丨蘇州博物館西館石材幕墻創(chuàng)新設計探索
圖1 效果圖
蘇州博物館西館石材幕墻創(chuàng)新設計探索
蘇州博物館西館是蘇州博物館設立的分館，位于蘇州高新區(qū)獅山廣場，占地 3.76 萬 ㎡，建筑面積 4.3萬 ㎡。外幕墻面積 3.89 萬 ㎡，西館的建筑理念來源于蘇州古典民居及富有煙火氣息的街巷里弄。整個西館由 10 個邊長約 25m 的立方體構成的建筑群，這樣的建筑體量和傳統(tǒng)小體量的東吳民居相呼應，契合了以歷史為內(nèi)涵的博物館特質(zhì)，各個立方體間距約 5.8m，由玻璃連廊銜接連通，這樣的連廊喚起人們對于傳統(tǒng)蘇州民居之間的窄巷小道的回憶。圖 1 是建筑方案效果圖，圖 2 是完工后的實景照片。對于建筑外立面選用何種材料來體現(xiàn)傳統(tǒng)蘇式建筑的風貌，gmp 方案主創(chuàng)建筑師有他獨特的想法。
中衡幕墻設計中心的設計師團隊參與了整個項目幕墻從方案到施工圖到過程管控的全過程設計服務工作，從中也收獲了技術的成長和積累。
圖2 完工實景圖
方案研究
gmp 方案建筑師的設計原意是想要用蘇州傳統(tǒng)民居的建造工法-砌筑來實現(xiàn)外觀效果，而砌筑材料則選用了灰色石灰石，砌筑效果要求石材厚度是等厚的但進深有 2 種不同規(guī)格的這種砌筑工法在歐洲的應用比較普遍，他們給出的參考建筑如下圖 3 的巴塞爾美術館，工藝要求如圖 4。針對方案建筑師的要求結合業(yè)主前期對造價的控制要求中衡幕墻設計中心的設計師團隊在方案設計前期做了不同材質(zhì)的材料施工工法的研究和分析，并做了 3 種實樣樣板做對比。
圖3 巴塞爾美術館
圖4 安裝工藝示意圖
石材砌筑疊拼
● 豎向穿筋石材砌筑
豎向設置鋼立柱，間隔一定距離設置橫向角鋼承托石材自重，石材開孔穿豎向錨筋（圖 5），滿足石材的抗風性能，石材板塊之間空縫不設粘結材料，此方案傳力路徑直接可靠，但施工比較費時，費人工，安裝時效低。
圖5 豎向穿筋石材砌筑安裝工藝圖
● 橫向穿筋石材砌筑
豎向設置鋼立柱，間隔一定距離設置橫向角鋼承托石材自重，石材不開孔，石材板塊間用砂漿粘結，中間配置橫向拉結筋抗風，此方案施工比較容易省人工效率高，但傳力路徑模糊，有安全風險（圖6）。
圖6 橫向穿筋石材砌筑安裝工藝圖
對比了上述兩種工藝：豎向穿筋的安全可靠性高一些，但是加工復雜性增加，橫向穿筋類似于傳統(tǒng)磚砌工藝，邏輯上拉結筋并不能起到真正的拉結作用,其優(yōu)點是方便施工，但其抗風壓性能有待驗證。
石材小單元干掛
將厚度截面不等的小石材條模擬自然錯縫背襯拼接成小單元再干掛至龍骨系統(tǒng)上，其特點是石材小單元工廠制作，質(zhì)量可控，缺點是龍骨和背栓用量密集，成本高（圖 7-9）。
圖7 單塊石材小單元干掛安裝示意圖
圖8 石材小單元組合干掛安裝示意圖
圖 9 石材小單元干掛安裝節(jié)點縱剖（左留縫右密拼）
預制混凝土砌筑構件方案
將厚度截面不等的預制混凝土條模擬自然錯縫用砌筑工藝去實施（圖10-14）。
圖10 預制砌石構件干掛安裝縱剖節(jié)點
圖11 預制砌石構件干掛安裝橫剖節(jié)點
圖12 預制砌石構件干掛安裝正視圖
圖13 預制砌石構件干掛安裝俯視圖
圖14 預制砌石構件可模擬的石材肌理
?。?）預制混凝土砌筑構件橫向上設計為一塊到幾塊磚進行組合形成不同模數(shù)，豎向僅為一塊磚，實現(xiàn)石塊任意混搭的外觀效果。
（2）預制混凝土砌筑構件豎向拼接設置為凸凹造型，安裝時進行咬合拼接。豎縫通過啟口內(nèi)的砂漿做到防水密拼。
?。?）預制混凝土砌石構件內(nèi)部做空處理，減輕構件自重，降低建筑附加荷載，減少鋼架用量。
?。?）預制混凝土砌石構件內(nèi)部做空部分穿拉結鋼筋后回填砂漿，回填的砂漿會與橫向拼縫的砂漿形成砂漿拉結網(wǎng)，使立面砌磚拉接更為牢固。
?。?）預制砌筑構件的表面效果：采用德國混凝土飾面露骨料仿石技術，預制砌石構件表面可實現(xiàn)仿天然砂巖、天然石灰?guī)r、天然花崗巖肌理。
?。?）預制砌石構件采用德國進口飾面保護劑，可耐污染、耐候、防水。
此方案特點：工廠化制作品質(zhì)可控，外表質(zhì)感可塑性強以易于維護，但非真石材。
樣板實踐
根據(jù)上述三種設計方案中衡幕墻設計研究中心設計師團隊想法設法，組織策劃現(xiàn)場做了三塊視覺樣板，如圖15，16所示。
圖15 現(xiàn)場三個樣板展示
圖16 從左至右：石材 1 干掛-石材 2 砌筑-預制砼砌筑
經(jīng)過現(xiàn)場實際對比上述三種材料和安裝工藝實樣效果gmp主創(chuàng)建筑師還是堅持要用天然石材的砌筑工藝來實現(xiàn)外立面的效果。
實驗驗證
博物館十個建筑單體子最高的石材標高達29m，外觀效果要求中間不能設砼過梁來承載石材的重量，為確保博物館建筑可百年傳承的安全性目標，針對前述石材砌筑的2個工藝方案中衡幕墻設計師團隊提前做了檢測板塊送蘇州工業(yè)園區(qū)檢測中心做了抗風壓、氣密性、水密性、層間變位能力檢測，檢測前gmp主創(chuàng)建筑師親自檢查檢測板塊是否符合設計原意（圖17）。
圖17; 建筑師檢查板塊安裝效果是否滿足要求
測試結果：橫向筋拉結和豎向筋拉結均能滿足本項目的抗風壓等級和層間變位設計要求，因石材縫隙是用特調(diào)的砂漿粘結填縫，水密性達不到要求，石材背面縫隙間有水滲透的跡象，但粘結材料沒有被拉裂，每個石材小板塊形態(tài)保持完好，沒有拉脫離的現(xiàn)象。由此可見2個砌筑工藝均能滿足本工程實際工況的抗風要求（圖18，19）。
所有的技術研究和驗證工作都已完備，幕墻施工圖可以開始設計了，然而我們遇到了成本的瓶頸：做石材砌筑造價大大超出預算，一切打回原形。
圖18 園區(qū)檢測中心安裝完成的試驗板塊
圖19 園區(qū)檢測中心測試報告結論頁
方案更新
怎樣才是既能滿足gmp要求的效果，又能滿足業(yè)主經(jīng)濟性數(shù)據(jù)要求的方案呢？中衡幕墻設計師團隊對比了一個類似建筑外立面石材項目：德國薩克森州立大學圖書館的石材干掛實例（參考照片如圖20-23），先做成本測算，在成本允許的范圍內(nèi)提出了新的厚板開槽石材干掛方案方案。
圖20 洞石大板開槽干掛外立面、圖21 外立面窗臺局部
圖22 洞石開槽正面細節(jié)、 圖23 洞石開槽側面細節(jié)
石材選擇
為達到意想中蘇州傳統(tǒng)建筑的外觀效果，gmp最終選擇的石材是葡萄牙灰，葡萄牙灰是一種石灰石 ，按國家規(guī)范標準要求結合石材強度檢測值，最小厚度需要采用35mm厚的，方案要求的開槽效果深度達25mm，根據(jù)石材樣板的強度報告檢測數(shù)據(jù)結合GB/T21086《建筑幕墻》7.2.1.5的要求(表1），最終確定的石灰石總厚度是60mm的，為避免常規(guī)石灰石45度切割斜角后易出現(xiàn)的崩角現(xiàn)象，轉角采用整板切割成型以保證陽角的完整性。
石材面板的彎強度、吸水率、最小厚度和單塊面積要求 表1
分格研究
為了模擬自然石材錯亂的效果，gmp對結合建筑軸網(wǎng)層高的等相關數(shù)據(jù)對立面石材做細致的排版分析，最終用40種類型的排列組合做出了不同立面看似無序的石材自然排版立面，石材大面尺寸均是1630×333，轉角為（385+385）×333 整石有孔洞的立面也是基于40種里的基本排版要素，在需要開洞的位置作對應切割（圖24-28）。
圖24 40種開槽類型的石材加工圖
圖25 石材開槽實樣
圖26 石材開槽細部
圖27 完整無孔洞的立面排版
圖28 完整有孔洞的立面排版
干掛工藝研究
gmp最終確認的石材板塊直板的分格標準尺寸是1630×333，相對窄長，板塊間的縫隙要求用砂漿填縫，前面做砌筑試驗時已經(jīng)驗證了砂漿填縫的防水效果不是很理想，石材后面的腔體里還是可能有潮氣聚集，蘇州的梅雨季節(jié)更是空氣中長期彌漫時濕氣，石材的龍骨系統(tǒng)需要有優(yōu)良的耐腐蝕性能，為此石材用常規(guī)的鍍鋅鋼龍骨系統(tǒng)就不適合了，綜合對比成本、耐久性以后維護的成本最終選用了鋁質(zhì)的龍骨。確定了龍骨材質(zhì)針對窄長的石材我們特別設計石材的干掛構造，常規(guī)思維一塊石材四個掛點四個掛座，本項目的石材60厚重量超出常規(guī)，要一下子把4個點都裝準有很大難度，而且自重重的因素使石材掛上去如果還有不平的問題很難去糾正到位，針對這些實際問題和困難我們打破傳統(tǒng)，將上下2個掛點組合成一個帶2個背栓的掛件，上下2個掛座橫梁和并為帶2個掛槽的一根橫梁，用安裝玻璃幕墻的精度要求來安裝石材，所有龍骨均預配孔螺栓連接，立柱和橫梁一次安裝精度到位，以撓度控制為要點，石材控制開孔掛件的安裝精度，石材安裝一次落槽到位，最終實踐驗證安裝精度和質(zhì)量達到了設計的預期。關于石材背面的防水：沒有用傳統(tǒng)的防水板，結合本項目多數(shù)單體墻體大面連續(xù)的特點，外墻保溫外側的粉刷層上做防水涂料，有玻璃幕墻和點窗的四周單獨做好防水構造和搭接，石材立柱與主體埋件位置也單獨做防水構造，每一處防水在石材安裝前均可視可檢驗是否可靠有效，從而避免所謂防水板穿越上萬個螺釘孔后不可控的滲漏隱患。
透光孔位置有些是內(nèi)外貫通的透光窗，有些是純裝飾的假窗，窗的外側根據(jù)建筑師的要求還有一圈金屬窗套，窗套下口還需預留泛光燈具的安裝空間，節(jié)點需要重點關注石材和窗洞四周的防水，為此我們設計的窗套為定制截面鋁型材，四角組框后要求焊接成整框，角部防水密封措施到位。
轉角位置石材尺寸是（385+385）×333尺寸相對小，傳統(tǒng)常用的方式是用45度拼角膠粘的方式雖然可以省成本但是效果不盡理想，磕碰崩角的問題比較多，博物館10個單體有40個陽角，成本和效果權衡再三最終業(yè)主同意采用整石切割的工藝來體現(xiàn)角部的完美效果（圖29-35）。
圖29 標準橫剖節(jié)點（附埋件安裝完連接件的防水措施）
圖30 標準縱剖節(jié)點
圖31 女兒墻壓頂節(jié)點
圖32 與玻璃幕墻交接節(jié)點
圖33 透光孔位置節(jié)點
圖34 陽角節(jié)點
圖35 陽角石材實樣
施工過程驗證
施工過程驗證及完工后實景如圖36-48所示。
圖36 立柱橫梁龍骨安裝
圖37 龍骨安裝（預埋轉接件的防水措施）
圖38 石材板塊安裝
圖39 石材細部-開槽
圖40 石材細部-轉角
圖41 石材有透光孔位置安裝過程
圖42 石材立面大面安裝完成效果
圖43 整體鳥瞰
圖44 主入口立面呈現(xiàn)
圖45 單體組合呈現(xiàn)
圖46 帶下沉庭院的整體呈現(xiàn)
圖47 局部次入口立面細部
圖48 透光孔立面細部
干掛石材幕墻要點
?。?）方案階段就做成本對比：成本不僅僅是材料，還有時間效率成本，返工維護成本，年久難修的成本，龍骨或掛件銹蝕石材脫落的成本；
?。?）石材的選取須先復核石材強度的檢測報告，花崗巖、石灰石、大理石材質(zhì)要明確，表面的肌理要明確；
?。?）石材的厚度兼顧不同肌理材質(zhì)嚴格按規(guī)范取，板厚不做負公差；
?。?）開放石材龍骨系統(tǒng)推薦鋁龍骨+墻面防水；
（5）龍骨預打孔，螺栓配孔連接，安裝精準質(zhì)量好；
?。?）現(xiàn)場巡視每個環(huán)節(jié)可見可查可測，質(zhì)量可控；
?。?）橫梁與立柱連接強度和抗扭控制、掛點位置的撓度控制在設計階段精準計算 ；
?。?）防水控制點提前做，完成后做淋水驗證；
?。?）石材孔位等厚加工控制措施；
?。?0）背栓需要選擇適配的構造形式，施工前須做拉拔力檢測；
?。?1）幕墻下口設置排水暗溝-提前和建筑、結構、景觀專業(yè)明確構造。
結語
開放石材幕墻系統(tǒng)本人最早從2004年就開始設計實踐，傳統(tǒng)的鋼龍骨加鍍鋅鋼板防水板的方式一直存在著鋼龍骨安裝不平整無法調(diào)校，防水板搭接構造工人安裝無法做到嚴謹密合，防水板外側成千上萬個掛件的安裝連接孔的防水如何保障一個不漏？特別是鍍鋅鋼板防水板到最下口與地面交界處如何做到完善的封閉，如何避免地面潮氣對切割邊孔洞得銹蝕侵害，一直在探索改進，近十年經(jīng)過多個項目實踐，論證下來還是鋁合金素材龍骨系統(tǒng)加背栓來做外觀質(zhì)量、安全性、經(jīng)濟性能得到綜合性的把控，蘇州博物館西館石材外墻采用特色設計的鋁系統(tǒng)背栓干掛系統(tǒng)，通過前期充分的研發(fā)、論證、精準的設計將施工技術的落地做到完善可控，看似無痕的技術我們可以從外觀的精致表現(xiàn)中可以窺見一斑。目前此項技術已在申請專利中。也希望給同行設計師給予一點啟發(fā)，也歡迎大家一起來交流討論。
關于成本控制也有些感悟：項目在初始方案階段就要去測算成本，一個不差錢的項目業(yè)主可能都沒有算過要花多少錢，往往到到施工圖階段了發(fā)現(xiàn)理想和現(xiàn)實差距還是有點大，于是反復折騰修改方案，而設計師的人力成本時間成本仿佛是業(yè)主眼前刮過的一陣風。成本不能只顧眼前建造階段的材料成本，每種用材都需要綜合考量需要經(jīng)受時間的考驗而歷久彌新，曾經(jīng)參觀過德國包豪斯校舍，一百年前的門窗因設計選材的恰當開啟五金原理簡約適配維護簡單至今能開關自如，百年建筑需要依靠每個工藝工法每個材料每個環(huán)節(jié)的精心打造，而設計師的核心價值是潛心研究工藝工法把關每個階段每個環(huán)節(jié)選用的可靠性。幕墻設計好比是建筑的裁縫如何量體裁衣如何選材如何比例搭配，雖然過程繁瑣，問題頻頻，但當最終建成建筑效果完滿體現(xiàn)的那一刻成就感還是倍感驕傲的，這也是支撐我在設計這條路上一路走下去的力量源泉。愿我們共同努力，一起攜手打造更多經(jīng)久美觀的建筑作品。
項目幕墻設計團隊主要成員：沈筠、張成寶、許峰、陸體操、王進春、張北海、呂桂林；
圖片來源：項目完工照片由中衡視覺中心秦偉老師提供，過程照片和參考項目照片為作者提供。