工程實(shí)踐丨蘇州博物館西館石材幕墻創(chuàng)新設(shè)計(jì)探索
圖1 效果圖
蘇州博物館西館石材幕墻創(chuàng)新設(shè)計(jì)探索
蘇州博物館西館是蘇州博物館設(shè)立的分館，位于蘇州高新區(qū)獅山廣場(chǎng)，占地 3.76 萬(wàn) ㎡，建筑面積 4.3萬(wàn) ㎡。外幕墻面積 3.89 萬(wàn) ㎡，西館的建筑理念來(lái)源于蘇州古典民居及富有煙火氣息的街巷里弄。整個(gè)西館由 10 個(gè)邊長(zhǎng)約 25m 的立方體構(gòu)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(yīng)，契合了以歷史為內(nèi)涵的博物館特質(zhì)，各個(gè)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(duì)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(shí)景照片。對(duì)于建筑外立面選用何種材料來(lái)體現(xiàn)傳統(tǒng)蘇式建筑的風(fēng)貌，gmp 方案主創(chuàng)建筑師有他獨(dú)特的想法。
中衡幕墻設(shè)計(jì)中心的設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)參與了整個(gè)項(xiàng)目幕墻從方案到施工圖到過(guò)程管控的全過(guò)程設(shè)計(jì)服務(wù)工作，從中也收獲了技術(shù)的成長(zhǎng)和積累。
圖2 完工實(shí)景圖
方案研究
gmp 方案建筑師的設(shè)計(jì)原意是想要用蘇州傳統(tǒng)民居的建造工法-砌筑來(lái)實(shí)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(jìn)深有 2 種不同規(guī)格的這種砌筑工法在歐洲的應(yīng)用比較普遍，他們給出的參考建筑如下圖 3 的巴塞爾美術(shù)館，工藝要求如圖 4。針對(duì)方案建筑師的要求結(jié)合業(yè)主前期對(duì)造價(jià)的控制要求中衡幕墻設(shè)計(jì)中心的設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)在方案設(shè)計(jì)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(shí)樣樣板做對(duì)比。
圖3 巴塞爾美術(shù)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(shè)置鋼立柱，間隔一定距離設(shè)置橫向角鋼承托石材自重，石材開(kāi)孔穿豎向錨筋（圖 5），滿足石材的抗風(fēng)性能，石材板塊之間空縫不設(shè)粘結(jié)材料，此方案?jìng)髁β窂街苯涌煽?，但施工比較費(fèi)時(shí)，費(fèi)人工，安裝時(shí)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(shè)置鋼立柱，間隔一定距離設(shè)置橫向角鋼承托石材自重，石材不開(kāi)孔，石材板塊間用砂漿粘結(jié)，中間配置橫向拉結(jié)筋抗風(fēng)，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(fēng)險(xiǎn)（圖6）。
圖6 橫向穿筋石材砌筑安裝工藝圖
對(duì)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(fù)雜性增加，橫向穿筋類似于傳統(tǒng)磚砌工藝，邏輯上拉結(jié)筋并不能起到真正的拉結(jié)作用,其優(yōu)點(diǎn)是方便施工，但其抗風(fēng)壓性能有待驗(yàn)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(cuò)縫背襯拼接成小單元再干掛至龍骨系統(tǒng)上，其特點(diǎn)是石材小單元工廠制作，質(zhì)量可控，缺點(diǎn)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(diǎn)縱剖（左留縫右密拼）
預(yù)制混凝土砌筑構(gòu)件方案
將厚度截面不等的預(yù)制混凝土條模擬自然錯(cuò)縫用砌筑工藝去實(shí)施（圖10-14）。
圖10 預(yù)制砌石構(gòu)件干掛安裝縱剖節(jié)點(diǎn)
圖11 預(yù)制砌石構(gòu)件干掛安裝橫剖節(jié)點(diǎn)
圖12 預(yù)制砌石構(gòu)件干掛安裝正視圖
圖13 預(yù)制砌石構(gòu)件干掛安裝俯視圖
圖14 預(yù)制砌石構(gòu)件可模擬的石材肌理
?。?）預(yù)制混凝土砌筑構(gòu)件橫向上設(shè)計(jì)為一塊到幾塊磚進(jìn)行組合形成不同模數(shù)，豎向僅為一塊磚，實(shí)現(xiàn)石塊任意混搭的外觀效果。
?。?）預(yù)制混凝土砌筑構(gòu)件豎向拼接設(shè)置為凸凹造型，安裝時(shí)進(jìn)行咬合拼接。豎縫通過(guò)啟口內(nèi)的砂漿做到防水密拼。
（3）預(yù)制混凝土砌石構(gòu)件內(nèi)部做空處理，減輕構(gòu)件自重，降低建筑附加荷載，減少鋼架用量。
?。?）預(yù)制混凝土砌石構(gòu)件內(nèi)部做空部分穿拉結(jié)鋼筋后回填砂漿，回填的砂漿會(huì)與橫向拼縫的砂漿形成砂漿拉結(jié)網(wǎng)，使立面砌磚拉接更為牢固。
?。?）預(yù)制砌筑構(gòu)件的表面效果：采用德國(guó)混凝土飾面露骨料仿石技術(shù)，預(yù)制砌石構(gòu)件表面可實(shí)現(xiàn)仿天然砂巖、天然石灰?guī)r、天然花崗巖肌理。
?。?）預(yù)制砌石構(gòu)件采用德國(guó)進(jìn)口飾面保護(hù)劑，可耐污染、耐候、防水。
此方案特點(diǎn)：工廠化制作品質(zhì)可控，外表質(zhì)感可塑性強(qiáng)以易于維護(hù)，但非真石材。
樣板實(shí)踐
根據(jù)上述三種設(shè)計(jì)方案中衡幕墻設(shè)計(jì)研究中心設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)想法設(shè)法，組織策劃現(xiàn)場(chǎng)做了三塊視覺(jué)樣板，如圖15，16所示。
圖15 現(xiàn)場(chǎng)三個(gè)樣板展示
圖16 從左至右：石材 1 干掛-石材 2 砌筑-預(yù)制砼砌筑
經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)比上述三種材料和安裝工藝實(shí)樣效果gmp主創(chuàng)建筑師還是堅(jiān)持要用天然石材的砌筑工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)外立面的效果。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
博物館十個(gè)建筑單體子最高的石材標(biāo)高達(dá)29m，外觀效果要求中間不能設(shè)砼過(guò)梁來(lái)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(biāo)，針對(duì)前述石材砌筑的2個(gè)工藝方案中衡幕墻設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)提前做了檢測(cè)板塊送蘇州工業(yè)園區(qū)檢測(cè)中心做了抗風(fēng)壓、氣密性、水密性、層間變位能力檢測(cè)，檢測(cè)前gmp主創(chuàng)建筑師親自檢查檢測(cè)板塊是否符合設(shè)計(jì)原意（圖17）。
圖17; 建筑師檢查板塊安裝效果是否滿足要求
測(cè)試結(jié)果：橫向筋拉結(jié)和豎向筋拉結(jié)均能滿足本項(xiàng)目的抗風(fēng)壓等級(jí)和層間變位設(shè)計(jì)要求，因石材縫隙是用特調(diào)的砂漿粘結(jié)填縫，水密性達(dá)不到要求，石材背面縫隙間有水滲透的跡象，但粘結(jié)材料沒(méi)有被拉裂，每個(gè)石材小板塊形態(tài)保持完好，沒(méi)有拉脫離的現(xiàn)象。由此可見(jiàn)2個(gè)砌筑工藝均能滿足本工程實(shí)際工況的抗風(fēng)要求（圖18，19）。
所有的技術(shù)研究和驗(yàn)證工作都已完備，幕墻施工圖可以開(kāi)始設(shè)計(jì)了，然而我們遇到了成本的瓶頸：做石材砌筑造價(jià)大大超出預(yù)算，一切打回原形。
圖18 園區(qū)檢測(cè)中心安裝完成的試驗(yàn)板塊
圖19 園區(qū)檢測(cè)中心測(cè)試報(bào)告結(jié)論頁(yè)
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(jì)性數(shù)據(jù)要求的方案呢？中衡幕墻設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)對(duì)比了一個(gè)類似建筑外立面石材項(xiàng)目：德國(guó)薩克森州立大學(xué)圖書(shū)館的石材干掛實(shí)例（參考照片如圖20-23），先做成本測(cè)算，在成本允許的范圍內(nèi)提出了新的厚板開(kāi)槽石材干掛方案方案。
圖20 洞石大板開(kāi)槽干掛外立面、圖21 外立面窗臺(tái)局部
圖22 洞石開(kāi)槽正面細(xì)節(jié)、 圖23 洞石開(kāi)槽側(cè)面細(xì)節(jié)
石材選擇
為達(dá)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(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求結(jié)合石材強(qiáng)度檢測(cè)值，最小厚度需要采用35mm厚的，方案要求的開(kāi)槽效果深度達(dá)25mm，根據(jù)石材樣板的強(qiáng)度報(bào)告檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)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(zhuǎn)角采用整板切割成型以保證陽(yáng)角的完整性。
石材面板的彎強(qiáng)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(cuò)亂的效果，gmp對(duì)結(jié)合建筑軸網(wǎng)層高的等相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)立面石材做細(xì)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(wú)序的石材自然排版立面，石材大面尺寸均是1630×333，轉(zhuǎn)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(kāi)洞的位置作對(duì)應(yīng)切割（圖24-28）。
圖24 40種開(kāi)槽類型的石材加工圖
圖25 石材開(kāi)槽實(shí)樣
圖26 石材開(kāi)槽細(xì)部
圖27 完整無(wú)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(rèn)的石材板塊直板的分格標(biāo)準(zhǔn)尺寸是1630×333，相對(duì)窄長(zhǎng)，板塊間的縫隙要求用砂漿填縫，前面做砌筑試驗(yàn)時(shí)已經(jīng)驗(yàn)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(zhǎng)期彌漫時(shí)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(duì)比成本、耐久性以后維護(hù)的成本最終選用了鋁質(zhì)的龍骨。確定了龍骨材質(zhì)針對(duì)窄長(zhǎng)的石材我們特別設(shè)計(jì)石材的干掛構(gòu)造，常規(guī)思維一塊石材四個(gè)掛點(diǎn)四個(gè)掛座，本項(xiàng)目的石材60厚重量超出常規(guī)，要一下子把4個(gè)點(diǎn)都裝準(zhǔn)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(wèn)題很難去糾正到位，針對(duì)這些實(shí)際問(wèn)題和困難我們打破傳統(tǒng)，將上下2個(gè)掛點(diǎn)組合成一個(gè)帶2個(gè)背栓的掛件，上下2個(gè)掛座橫梁和并為帶2個(gè)掛槽的一根橫梁，用安裝玻璃幕墻的精度要求來(lái)安裝石材，所有龍骨均預(yù)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(diǎn)，石材控制開(kāi)孔掛件的安裝精度，石材安裝一次落槽到位，最終實(shí)踐驗(yàn)證安裝精度和質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期。關(guān)于石材背面的防水：沒(méi)有用傳統(tǒng)的防水板，結(jié)合本項(xiàng)目多數(shù)單體墻體大面連續(xù)的特點(diǎn)，外墻保溫外側(cè)的粉刷層上做防水涂料，有玻璃幕墻和點(diǎn)窗的四周單獨(dú)做好防水構(gòu)造和搭接，石材立柱與主體埋件位置也單獨(dú)做防水構(gòu)造，每一處防水在石材安裝前均可視可檢驗(yàn)是否可靠有效，從而避免所謂防水板穿越上萬(wàn)個(gè)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(cè)根據(jù)建筑師的要求還有一圈金屬窗套，窗套下口還需預(yù)留泛光燈具的安裝空間，節(jié)點(diǎn)需要重點(diǎn)關(guān)注石材和窗洞四周的防水，為此我們?cè)O(shè)計(jì)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(zhuǎn)角位置石材尺寸是（385+385）×333尺寸相對(duì)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(wèn)題比較多，博物館10個(gè)單體有40個(gè)陽(yáng)角，成本和效果權(quán)衡再三最終業(yè)主同意采用整石切割的工藝來(lái)體現(xiàn)角部的完美效果（圖29-35）。
圖29 標(biāo)準(zhǔn)橫剖節(jié)點(diǎn)（附埋件安裝完連接件的防水措施）
圖30 標(biāo)準(zhǔn)縱剖節(jié)點(diǎn)
圖31 女兒墻壓頂節(jié)點(diǎn)
圖32 與玻璃幕墻交接節(jié)點(diǎn)
圖33 透光孔位置節(jié)點(diǎn)
圖34 陽(yáng)角節(jié)點(diǎn)
圖35 陽(yáng)角石材實(shí)樣
施工過(guò)程驗(yàn)證
施工過(guò)程驗(yàn)證及完工后實(shí)景如圖36-48所示。
圖36 立柱橫梁龍骨安裝
圖37 龍骨安裝（預(yù)埋轉(zhuǎn)接件的防水措施）
圖38 石材板塊安裝
圖39 石材細(xì)部-開(kāi)槽
圖40 石材細(xì)部-轉(zhuǎn)角
圖41 石材有透光孔位置安裝過(guò)程
圖42 石材立面大面安裝完成效果
圖43 整體鳥(niǎo)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(xì)部
圖48 透光孔立面細(xì)部
干掛石材幕墻要點(diǎn)
?。?）方案階段就做成本對(duì)比：成本不僅僅是材料，還有時(shí)間效率成本，返工維護(hù)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(fù)核石材強(qiáng)度的檢測(cè)報(bào)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(yán)格按規(guī)范取，板厚不做負(fù)公差；
（4）開(kāi)放石材龍骨系統(tǒng)推薦鋁龍骨+墻面防水；
（5）龍骨預(yù)打孔，螺栓配孔連接，安裝精準(zhǔn)質(zhì)量好；
（6）現(xiàn)場(chǎng)巡視每個(gè)環(huán)節(jié)可見(jiàn)可查可測(cè)，質(zhì)量可控；
（7）橫梁與立柱連接強(qiáng)度和抗扭控制、掛點(diǎn)位置的撓度控制在設(shè)計(jì)階段精準(zhǔn)計(jì)算 ；
（8）防水控制點(diǎn)提前做，完成后做淋水驗(yàn)證；
（9）石材孔位等厚加工控制措施；
（10）背栓需要選擇適配的構(gòu)造形式，施工前須做拉拔力檢測(cè)；
?。?1）幕墻下口設(shè)置排水暗溝-提前和建筑、結(jié)構(gòu)、景觀專業(yè)明確構(gòu)造。
結(jié)語(yǔ)
開(kāi)放石材幕墻系統(tǒng)本人最早從2004年就開(kāi)始設(shè)計(jì)實(shí)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(wú)法調(diào)校，防水板搭接構(gòu)造工人安裝無(wú)法做到嚴(yán)謹(jǐn)密合，防水板外側(cè)成千上萬(wàn)個(gè)掛件的安裝連接孔的防水如何保障一個(gè)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(duì)切割邊孔洞得銹蝕侵害，一直在探索改進(jìn)，近十年經(jīng)過(guò)多個(gè)項(xiàng)目實(shí)踐，論證下來(lái)還是鋁合金素材龍骨系統(tǒng)加背栓來(lái)做外觀質(zhì)量、安全性、經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)的鋁系統(tǒng)背栓干掛系統(tǒng)，通過(guò)前期充分的研發(fā)、論證、精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)將施工技術(shù)的落地做到完善可控，看似無(wú)痕的技術(shù)我們可以從外觀的精致表現(xiàn)中可以窺見(jiàn)一斑。目前此項(xiàng)技術(shù)已在申請(qǐng)專利中。也希望給同行設(shè)計(jì)師給予一點(diǎn)啟發(fā)，也歡迎大家一起來(lái)交流討論。
關(guān)于成本控制也有些感悟：項(xiàng)目在初始方案階段就要去測(cè)算成本，一個(gè)不差錢的項(xiàng)目業(yè)主可能都沒(méi)有算過(guò)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(shí)差距還是有點(diǎn)大，于是反復(fù)折騰修改方案，而設(shè)計(jì)師的人力成本時(shí)間成本仿佛是業(yè)主眼前刮過(guò)的一陣風(fēng)。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(shí)間的考驗(yàn)而歷久彌新，曾經(jīng)參觀過(guò)德國(guó)包豪斯校舍，一百年前的門窗因設(shè)計(jì)選材的恰當(dāng)開(kāi)啟五金原理簡(jiǎn)約適配維護(hù)簡(jiǎn)單至今能開(kāi)關(guān)自如，百年建筑需要依靠每個(gè)工藝工法每個(gè)材料每個(gè)環(huán)節(jié)的精心打造，而設(shè)計(jì)師的核心價(jià)值是潛心研究工藝工法把關(guān)每個(gè)階段每個(gè)環(huán)節(jié)選用的可靠性。幕墻設(shè)計(jì)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(guò)程繁瑣，問(wèn)題頻頻，但當(dāng)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(shè)計(jì)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(xiàng)目幕墻設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)主要成員：沈筠、張成寶、許峰、陸體操、王進(jìn)春、張北海、呂桂林；
圖片來(lái)源：項(xiàng)目完工照片由中衡視覺(jué)中心秦偉老師提供，過(guò)程照片和參考項(xiàng)目照片為作者提供。