在中国馆的建造过程中,从屋面的结构体系材料的选择,到具体节点的加工生产,每一步都倾注了参与人员的大量心血,1400个不同的三维屋梁节点,中国馆的木结构一般工人做不了。以下是讲座实录(中):
我刚才很快速的把中国馆的概念和流线进行了简单介绍,接下来我会讲中国馆中最具挑战性和技术含量最高的部分。屋面的建构体系从下而上是胶合木木结构、防水层、支撑点、和参数化竹板这四个体系,这种三明治结构的体系在世界上也是独创的。我们中标之后花了半年时间来推敲屋面的建构次序,落实如何最有效地建造和最合理地应用材料。
▲ 屋面的建构体系
使用木结构是一个因地制宜的问题
使用木结构作为建筑的主体结构是一个因地制宜的问题,刚开始的时候听说国内有用木结构配钢筋的技术研究,但发现国内这方面的技术还不成熟。米兰在意大利北部,离德国和瑞士很近,胶合木的加工很成熟,木头所能表达的温暖感受又很符合我们希望中国馆所表达的感受,所以在最后我们决定用胶合木材料来作为中国馆主要结构材料。可以说,中国馆的胶合木结构是当代建造技术对中国传统建筑文化的一种表达。一开始我们借鉴了中国传统的抬梁式结构体系,后来又开始考虑怎么用现代的胶合木建造技术,最大程度上释放首层空间,形成无柱空间。
▲ 中国馆木结构体系推敲
这是中国馆东南侧的木结构的效果,游客进入空间的方式是很谦逊的。整个世博会场馆的限高是17米,主要建筑空间高度是12米,内部的空间其实“借用”了景观的1.5米的负净高。而我们现场去看很多馆在限高上都破例了,意大利自己的馆有30、40米,我们一直以为中国馆很高大,但去现场看,其实是很精巧的一个存在;而旁边的哥伦比亚馆做了三个“桶”,直接都是17米,也不知道是怎么报批出来的。中国馆的位置也推到了场地的最北端,远景,很低调和谦逊。
▲ 中国馆东南侧的木结构效果
1400个不同的三维屋梁节点
投标方案一直到建成90%以上的效果都控制下来了,没有太多的损失。结构计算这一块我们找到了一个很好的朋友,他是德国人,ETH毕业,是纽约SGH结构公司的副总裁,他和我一块做的结构方案。就像很多西方结构工程师一样,SGH一开始提出了几个更加实验性的结构方案,但我提出了3点:
需要在方案深化初期就把成本和可行性考虑到结构概念中;
结构表现需要契合建筑概念——保留原来从山水天际线向城市天际线的过渡;
弱化结构表达——中国馆的结构要融入空间,甚至在在视觉中“消失”,让空间“走出来”。
最后他同意了,他对我们的评价是我们的事务所很“亚洲”,因为在结构认知上,西方建筑师会进行很强烈的表达,更强势。对我来说更有意思的是,整个结构和空间附着在一块,而不是让大家进去参观是一个特别牛的结构体系。不刻意地去做“设计”——这对我来说很重要。
屋面主体结构由近40根东西向的结构檩条( Purlin)和37根南北向的异型木梁(Rafter)结合组成。为了维持屋面结构的整体强度,屋面上所设置的5组南北向的钢珩架和6根东西向的异形钢梁一起形成了屋面的钢结构基准结构体系,通过南北两侧两个核心筒受力,像挑扁担一样把整个建筑“挑”起来,保证了屋架下部的大跨度、无柱展览空间的功能需求。内部展览空间最大跨度做到了37米,而胶合木梁的深度被维持在46-55公分,体现了结构计算的精准与胶合木材料在结构上的高度适应性。
▲ 中国馆结构概念:五桁架
整个建筑很难的一点是刚才我说到的南侧曲线一直到北侧直线,要进行很微妙的渐变,导致南北向每个梁都不一样。在胶合木梁与钢梁之间形成了非常丰富的三维剖切关系,并由此形成了共1400个不同的三维屋梁节点。
▲ 中国馆屋顶结构节点细部
每个节点都由两部分组成:1.梁与檩条间的内置结构钢板;2.胶合木梁与檩条断面上容纳结构钢板的预制槽。1400个不同的内置结构钢板,意味着需要在胶合木梁、檩条的每个断面上用CNC切割机精准地“掏”出1400个不同的预制槽。
▲ 每个节点由两部分组成
这是最大的内置结构钢板,大概1.2吨,一般的节点大概是100公斤左右。
▲ 最大的内置结构钢板
中国馆木结构一般工人做不了
木结构这部分,8月份已经参观过一家,但10月份意大利方跟我们说木结构的承包商换了,我第二天就赶紧飞去米兰,看两件事。首先是承包商有没有dynamic mold,就是这个。在确定弧度之后把旁边胶合木一层一层的用胶沾上,粘完之后把金属构件推上去卡住,两三天之后木结构就可以定型,平均2小时可以做一个mold,2—3天可以做一根梁出来,所以我们首先要看有没有这样的工具。其次要看的是它有没有三轴的CNC,因为只有三轴的CNC才可以切出每个木梁上不同的预制槽。
这个屋面的预制和安装工艺,对意方钢、木结构分包的预制精确度、施工配合度和专业程度提出了很高的要求。我们曾经主动提出将木梁简化,达到至少50%的木檩条断面都是二维且节点相同,当时我们以为意方会很高兴,谁知道他们说不需要,他说每个节点都不一样也没问题,我说你确定吗?他说真的,因为CNC机器对他来说切一样和不一样的没有区别,唯一的区别是管理上,只要把编号管理好就行。最后我们的沟通基本上全是用3D模型,我们审查结构的二次施工图时,只需要审查他所有的模型,确认看得到的部分,节省了我们很多的时间。建筑师确认后,直接把模型导入CNC,直接切出来,工人不需要思考,直接按照我们给的编号往上装。
▲ 木梁生产过程
我们把注意力集中到了胶合木条的宽度上,因为一般胶合木条的宽度是24mm,我们让他们做成16mm,就意味着用更多的胶水去沾,时间和费用成本更高。同时,我们还希望木结构的肌理是连通的,当木梁与木梁衔接的时候,如果不平,就会看到阴影。为了避免视觉上的不平整,意方在木梁的边界做了一个5毫米的倒角,我们哄他,说我们相信意大利工人的施工技术不需要做这5毫米的倒角也成,最后牵扯了几个小时,确定了2.5毫米的倒角。
▲ 木梁上不同位置的预制槽
木色的确定也花了很长时间,胶合木这个材料很有意思,如果放在室外,过几个月颜色会变深,我们开始调色,调了很多次,每次都不喜欢;然后我就回了纽约,他们调完后我再去看,一共跑了三次,最后我们在红杉木原木的基础上,上一层水性的底漆,所以颜色和原木很像。这张照片是当我们当时最后定了这个颜色时,所有的分包、工程师、技术人员都很高兴,“终于确定了”,乐呵呵地一块合了影。
▲ “终于确定了”
蹲在地上的这位,名字叫Laila,是意大利建筑分包商的一位很棒的工程师。有一天晚上,大概是9点我在都灵,想找她吃饭,她说她要去钢结构工厂,她发现整个屋面有一个钢结构的节点很重,觉得实现起来有问题,连夜开车去看,第二天早上,她告诉我们问题解决了——这让我很感触。
▲ 参观承包商加工厂
这个男生是家族的富三代,只有32岁,他们家的厂也很有意思,我建议有方也可以组织一个这样的活动,不要去看建筑,就看承包商的加工厂。这个厂,从他爷爷开始——他爷爷是岛上的一个木匠,他的父亲把大型的机械带进来开始现代胶合木的实践;现在到了第三代,他在哥伦比亚大学学的MBA,现在做预制木结构房屋,准备向全世界销售,也很希望参与中国的市场。我去看了,很有意思,很多的材料都没有见过。国内的建筑师们一直在强调建造,但其实对所使用材料的特性和建造工艺并不一定真正精通,一种材料、一种工艺的探索和发展往往需要几代人的积累,而且不能光靠建筑师的拍脑袋的灵光一现。整个中国馆的木结构装配工人都很专业,不是一般工人可以做的。对我们来说,也是再学习的机会,很难得。
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