一种特殊造型装配式干挂石材幕墙设计探讨（1）

  干挂石材作为一种具有更好耐久性、更贴近自然、庄重华贵的建筑材料，正在逐步取代早期广泛流行的大面积采用玻璃的幕墙设计，建筑师更加重视如何在新的建筑物上突出建筑的艺术效果和自然美的效果，尤其是代表实体的石材幕墙与代表虚幻的玻璃幕墙的有机结合更是很多建筑师的首选。

  干挂石材幕墙所使用的石材主要为天然花岗岩。花岗岩具有较高的抗压强度和硬度、耐风化、抗腐蚀能力强，耐用年限久，天然色素均匀，是建筑中较为理想的外墙面装饰材料。天然石材美观、自然，用天然石材作为外墙装饰材料的建筑具有稳健、古朴的历史底韵。天然石材已逐渐为大众所认识和接受，被广泛地应用于各类建筑，其特点是既能营造出宏伟壮观的建筑艺术效果，又能给人带来清新舒适的自然观感。干挂花岗岩幕墙大约起始于60年代后期，80 年代中期引入中国，经过三十多年实践和发展，在材料和构造方面均优于湿贴石材幕墙。目前，干挂花岗岩工艺已被广泛应用于大型公共建筑的内外墙饰面，尤其在建筑物裙房以及高度在 30m 以下的幕墙工程中使用最为广泛。

  位于北京市五四大街与王府井大街大街交口的西南角的“北京嘉德艺术中心”项目就是在裙楼使用天然花岗石以实现建筑师特殊的设计理念的典型代表。该项目由“北京皇都房地产开发有限公司”开发,“泰康之家(北京)投资有限公司”投资兴建，著名德国建筑师奥雷·舍人与北京市建筑设计研究院合作设计。该项目位于北京市区的繁华区段，建筑高度有限高要求，同时考虑到该项目的实际使用功能，无论其建筑设计、结构设计，还是幕墙系统设计以及工程施工，都将面临诸多困难和高难度的挑战。

  这栋楼位于北京的城市中心处，对面是美术馆，旁边是一块历史胡同区，它前面正对着的就是扎哈·哈迪德设计的银河SOHO和OMA事务所设计的CCTV央视大楼总部，这座坐落于北京故宫附近的“嘉德艺术中心”将成为中国最早艺术品拍卖行的新总部。该建筑嵌进北京中心的历史文脉中，其下部像素化的体量，从纹理、颜色和繁杂的规模与建筑周边的城市胡同肌理相融合，建筑上部则通过大尺度玻璃砖与北京现代城市相呼应，其建筑肌理与邻近的胡同及四合院产生共鸣。与皇家的紫禁城相比，砖显得更具普适性，更能代表民间社会与其价值观念，一种中国文化中谦卑的、非精英主义观念。建筑下部的外立面由像灰色石头一样的像素化图案组成，建筑师通过成千上万的穿孔将中国历史上最重要的山水画“富春山居图”投映在立面上。

  按照建筑师对外墙的设计理念，外墙采用“青砖”样式的砖石“像素”放置在建筑底部，以元代画家黄公望的著名山水画《富春山居图》为模板，通过精炼提取的数千个圆孔像素嵌入墙体之中，创造出抽象的山水轮廓。要实现上述建筑师的设计理念，外墙幕墙的设计与施工将面临巨大的挑战，这座体量并不大的建筑，其幕墙的设计和施工都将颠覆传统的幕墙设计和施工理念。本文仅介绍本建筑底部特殊的干挂石材幕墙的设计施工难点。

  干挂石材幕墙位于建筑的下部1层~4层，与上部中规中矩的矩形玻璃幕墙相比，下部的干挂石材幕墙外表面则形成巨大的反差，不仅立面有突出的凹凸、悬挑与退台，而且石材立面上有近四千个大小不一的孔洞，通过这些孔洞的有机排列组合，抽象形成了《富春山居图》的像素。为了这些像素的完整性，石材接缝均须呈菱形布置，并须将41个几何体形成连续贯通的石材拼缝，从而形成“搭积木”式的整体裙楼，由此可以想象，这与其说是建筑裙楼，不如说是一件雕塑艺术品更为恰当。因为仅从外表面看，怎么看也找不到一般建筑中的柱网、楼层、采光、通风等基本的建筑功能元素，但这又确实是一个特殊的建筑裙楼，所有的建筑功能都在这种特殊的外形设计下巧妙地实现了。下面分别就其干挂石材幕墙的结构形式、与主体钢结构的锚固设计、石材幕墙构造系统设计等三个方面分析其特殊性。

一、干挂石材幕墙的特殊结构形式

  本项目干挂石材幕墙的结构形式与传统各种干挂石材幕墙形式均不相同，既不是单元式，也不是普通的构件式，这些多种结构系统经过多次论证后均被否定，最终选用了一种独特的幕墙结构系统，即“整体预制型菱形钢骨架系统”。

石材面板均呈菱形方向布置

  从上图中可以看出，石材立面为了形成整体的有机肌理，并便于石材面板开孔，石材面板设计为1131×1131的菱形布局，对角线长度为1600，故裙楼41个几何体按照1600/2=800的模数进行排列组合，形成有机的几何整体;特别强调的是，由于41个几何体形成了多个阴角和阳角，菱形立面所组成的阳角是整体效果的点睛之笔。为了整体效果美观，建筑师要求进行了多次实物样板的安装比较，最终选择所有的阳角均须采用整体石材进行装配。除此以外，石材面板上无规律的开孔布置，且孔洞中须安装深度达300mm的灯筒透镜，这些透镜必须安装在主次龙骨之间，不能打断主次龙骨。以上要求完全打破了石材幕墙的结构形式常规，即常规的横平竖直的龙骨框架不能使用，只能依照菱形石材的网络方向布置主次龙骨了。

  这种特殊的龙骨结构设计形式无论从设计、结构计算，还是龙骨加工、安装等都给设计工程师和工厂构件加工及现场安装增添了很大的难度。为保证加工安装精度，本项目采用了特殊的钢骨架布置形式，针对各不同几何体的不同立面，对钢龙骨进行分块划分布置，选择“单元格”，对标准“单元格”的主次龙骨采用整体预制方式进行设计和施工，以减小现场的作业量，并大大提高加工及安装质量，有效缩短工期。

石材几何体各立面展开示意图

  从以上各几何体的石材幕墙展开图看，所有的各折面上的石材拼缝均须贯通，全部41个几何体的石材拼缝均须贯通，仅此一项要求，就需要在BIM模型中反复调整，直至达到上述要求。为达到此目的，主体钢结构、室内各种管网均须建筑与结构专业的多次反复配合调整，并充分借助BIM技术才得以顺利实现。

菱形布置的石材立面图

  为顺利而精确地实现上述立面效果，经过多方案的反复比选，最后选择了如下图所示的“整体预制菱形钢骨架”的小单元幕墙结构形式，即按立面规律将斜向的标准跨设计为整体钢框架单元，主龙骨140×6的热镀锌方钢管与次龙骨60×4的热镀锌方钢管整体预制焊接组装，现场进行整体吊装，相邻两跨单元钢框架之间在现场再补充安装次龙骨。最后形成完整的钢骨架立面。

  后续文章请见《一种特殊造型装配式干挂石材幕墙设计探讨（2）》。

作者：姜清海

来源：2018《建筑门窗幕墙创新与发展》、中国幕墙网