1 裝配式外圍護——建筑的老問題與新挑戰

無論理論如何深奧，技術如何復雜，建造房屋的最終目的是在隔離人和自然的基礎上，實現建筑與環境的對話 , 也就是在提供舒適、安全的物理環境的同時，考慮人與自然環境、文化環境的關系，把建筑建成一座盡可能耐久、舒適、經濟的人類活動外殼。而外圍護正是建筑的關鍵組成部分。作為建筑與外界環境接觸交流的主要界面，外圍護起著“雙向過濾器”的作用，控制光線、空氣和熱量內外交流以及減少水分、塵土、噪音和蟲害等干擾，是實現建筑功能的重要元素。外圍護技術如何更好地表達建筑理念，實現營造目標，一直是建筑工業化重點關注的問題。

相較其他行業的技術發展，建筑行業的“裝配”技術并不先進，但是建筑的“裝配”行為卻可以一直追溯到古代建造過程中。外圍護裝配早在“冬則營窟，夏則居巢”的遠古時代就已經出現，一直持續發展到今天。手工業時代已經出現了諸多標準化的單元預制構件，如我國傳統建筑的瓦、門扇等。兩千年前游牧民族使用的帳篷也可看作簡單的裝配式外圍護，帳篷部件需要滿足運輸方便，能夠短時間內搭建和拆除的要求。哥倫比亞大學藝術史與考古系教授貝利·伯格道爾（Barry Bergdoll）認為“預制可以追溯到古代，有關建筑行業經濟的悠久歷史”。建筑的產品屬性催生外圍護裝配技術，建筑產品質量隨著制造技術的發展而進步。汽車、飛機、船舶等制造業在短短的幾十年或者幾百年間從手工制造發展成為機械化、數字化的定制生產，其產品在功能、形式、生產工藝、造價控制等方面都已經達到了令建筑師望塵莫及的水平。建筑師不得不思考如何在制造業的發展軌跡中尋找經驗，充分利用當前的工業技術，開啟“智造建筑”的時代。

2 外圍護為何裝配——建筑工業化視角

現代意義的裝配是將產品部件按規定要求組裝、調試、檢驗，使之成為合格產品的過程。建筑行業的裝配雖然達不到如制造業普及的程度，但還是隨著與制造業的融合而得到了快速發展。工廠預制是建筑業與制造業聯系的樞紐，現場裝配把制造業的高效率、高質量以及經濟優勢轉移到建筑業，驅動建筑業的工業化進程，加強外圍護與裝配式的緊密聯系。

行業經濟的需求孵化了預制裝配，16 世紀之后的諸多歷史事件則為其提供了營養充足的發育溫床。從西方的殖民主義運動到兩次世界大戰，從北美的淘金運動到戰后的城市復興，現代城市發展對大量房屋建造的需求，結合工業化發展產生的新型材料：鋼筋混凝土、鋼材、玻璃等，促使裝配式外圍護在 19 世紀之后取得了爆發式的進展。

材料是建筑外圍護的物質基礎，直到 19 世紀中葉，絕大部分建筑材料的選擇，還局限于自然界中既有的物質：石材、木材、麥草、磚石、混凝土以及常見金屬。19 世紀后半葉，建造技術發展迅速，與以往任何時候相比，新材料的數量與類型都有了巨大的甚至是指數級的增長，研發步伐持續地加速。新的材料被開發出來：有機合成材料如凱夫拉（Kevlar）、高泰克斯（Goretex）、聚四氟乙烯（ETFE）等；泡沫材料包括聚氨酯、金屬和許多新的膠粘劑；其他的門類也有了新發展，如陶瓷、鋁和鈦等。通過對原來各種分開的材料進行有目的的組合從而開發出合成材料，一個新的、巨大的天地浮現在我們面前：硬塑料、玻璃纖維聚合物、芳香尼龍聚合物或碳聚合物以及適于紡織的薄膜等。它們呈現出良好的發展前景：在縮短制造時間和降低制造成本的同時，使外圍護擁有更好的適宜裝配的質量和性能。

安全、舒適、經濟、美觀是外圍護設計的目標。20 世紀初建筑外圍護完成了從古典立面到現代表皮的重要轉換，擺脫了重力主導的形式法則。1923 年，柯布西耶在里程碑著作《走向新建筑》中，提出了建筑的表皮（Surface）要素，將表皮定義為“體量的外包（Envelope）并能減小或擴大我們對體量的感覺”。外圍護的表皮化不僅實現了多樣的建筑形式，還提高了建筑表皮的性能。從“單一式”到多層（多片）是現代建筑外圍護體構造發展的顯著趨勢。傳統單一材料很難滿足現代建筑外圍護的復雜性能需求，不同材料復合層、片具有獨立功能，通過靈活組合這些層、片，可以使 外圍護滿足各種需求。當這些層、片具備了可變性，外圍護結構還可以通過調節層、片的組合模式來適應外部變化。外圍護目標的擴展離不開制造業技術的支持，沒有裝配式技術，外圍護就無法帶來新的空間認知與形式表現，也無法使建筑原有概念得到重新反思。

19 世紀下半葉工業革命帶來了材料爆炸式的發展和建筑理念的更新，制造業物質和思想的雙重進步推動了裝配式外圍護的普及。亞利桑那大學建筑學瑞恩·史密斯（Ryan E. Smith）教授在其開創性的著作《預制建筑：模塊化設計和施工指南》中簡練地概括了外圍護對預制裝配技術的渴望：“如果工業制造過程可以生產其他社會所需的產品和商品 , 那么為什么相同的過程不能被利用來生產更高質量和更便宜的建筑？”

3 裝配式外圍護發展的兩條線索——社會需求與技術發展的雙重推動

自工業革命以來，眾多建筑師、工程師對裝配式外圍護的發展給予了高度關注，盡管屬于不同的時空背景，裝配式外圍護的發展可被歸結成兩條相互交織的基本線索——社會需求變化與自我技術革新，即社會需求的持續推動與外圍護裝配技術的自我演進。在兩條線索的交互影響下，裝配式外圍護在各個時期的發展亦表現出不同的地域和時代特征。

3.1 社會需求

著眼世界范圍，現代意義上的外圍護預制裝配化發展大體經歷了三個歷史階段，可歸結為工業革命階段（19 世紀初至二戰）、戰后重建階段（二戰后至 20 世紀 80 年代）以及后現代化階段（20 世紀 80 年代至今）。在不同歷史階段，社會需求都從根源上激發和界定了裝配式外圍護的發展特征。

3.1.1 工業革命階段—快速建造需求

19 世紀初預制農場建筑和平房就已經問世。工業革命加速了西方世界對外擴張的進程。在這個過程中，裝配式技術很好地適應了各國軍隊在據點完成快速建設的需求，即可以提前預制好房屋各個部件，由輪船運向世界各地。其中，戰地醫院板房為這一時期的裝配建筑代表，木結構框架與石棉圍合板材的預制裝配完全取代了以往使用的軍用帳篷（圖 1a）；隨后，波紋鐵板的發明，使得簡易房屋的搭建更為快速便捷，該板材通過自定義切割進行層疊運輸，并可由一個人輕松安裝（圖 1b）。這種外圍護板材搭配木結構框架，在 19 世紀中葉淘金熱潮中被廣泛使用，并對二戰時期 Nissen 和 Quonset 裝配住房的發明產生了深遠影響（圖 1c,1d）。時至今日，這種波紋外圍護板材經由改良依然作為較為普遍的工業化建筑材料被業內廣泛使用。

圖1 軍用戰地預制裝配營房與波紋鐵板外圍護住宅體系

工業革命的到來，也使得西方資本主義國家的城市建設發生了種種變化。大型城市工程的開展和其他制造行業發展帶來的沖擊，也對建筑的裝配效率提出了全新要求。受到汽車行業高效生產模式的影響，裝配生產線的理念也延伸到了建筑行業。主營生產組建房屋的美國 Sears 等公司在這一浪潮下蓬勃發展，其生產的外圍護部品多采用木質板材或磚瓦覆蓋，裝配式這種簡易快速的搭建方式很快在建筑業普及開來，并成為了當時美國 DIY 文化的重要組成部分（圖 2）。

圖2 強調板材拼裝便捷牢固的美國 Sears 裝配式住宅宣傳廣告

3.1.2 戰后重建階段——批量生產需求

二戰后，人口數量的快速上升致使眾多國家提出了大規模的社會住房計劃，這種爆發式的住宅需求為建筑的預制裝配化提供了極佳的平臺與契機。“大規模”與“批量化”生產的需求也直接影響了裝配式外圍護的革新路徑與方向，諸多建造技術與板材產品亦如雨后春筍般應運而生。由瓦克斯曼（Konrad Wachsmann）與格羅皮烏斯（Walter Gropius）合作發明的“通用板式系統（General Panel System）”，其外圍護體系均采用標準化尺寸的輕質木骨架復合預制板材，可在三位模數網格下進行自由組合，并且經過構造優化后的構造節點讓其組裝更加便利，更好地滿足了工廠規模化生產的需求（圖 3）。住宅批量化建造方面，在“案例住宅計劃實驗（Case Study Houses Project）”中，埃姆斯夫婦（Charles & Ray Eames）設計的埃姆斯住宅（Eames House）（圖 4），從開放系統層面探索了裝配式建造方式，他們采用市場中現成的壓型鋼板、金屬面板、不同透光度的玻璃等外圍護板材，搭配輕型框架結構，大大提升了裝配式建材的易獲得程度，從而確保了住宅批量化生產的可行性，這對外圍護裝配化發展具有重要意義。

圖3 通用板材體系

圖4 埃姆斯住宅

除此之外，預制混凝土的推廣與建造體系的改進極大程度地縮短了建筑的建造周期，在施工環節滿足了住宅建筑大規模、批量化的生產需求。

混凝土材料在現代意義上的普及始于 19 世紀末，當時托馬斯·愛迪生（Thomas Alva Edison）采用整體澆筑技術，開發了一種由鋼筋混凝土板構成的實驗房屋（圖 5）。進入 20 世紀，預制混凝土的使用在裝配建造領域逐漸普及開來。1926 年的弗里德里希斯費爾德（Friedrichsfelde）住宅區使用了與樓層同高的混凝土板，該板材在現場制造，然后用龍門起重機進行搭建。值得一提的是，這種外墻板由三層組成：外側為骨料混凝土板，內側為礦渣混凝土板，中空填充礦渣，已然形成了集成化墻板的早期雛形。1927 年維森霍夫住宅展中，17 號建筑也采用了混凝土復合板材，其外圍護板材由外層纖維水泥板、填充層軟木板、內層石膏飾面板共同組成，更加直觀地展示了預制混凝土板材在靈活拆卸與性能提升方面的潛力（圖 6）。

圖5 托馬斯·愛迪生和他的鋼筋混凝土板實驗房屋項目

圖6 維森霍夫住宅展 17 號住宅項目

在裝配式外圍護體系的建造發展過程中，重型預制系統具有舉足輕重的地位。重型裝配系統因材料組成、生產過程、尺寸構造特征等方面的差異，可劃分為不同體系，但都具有一個共同特點，即一個系統通常會由一套固定的面板組成，用于建筑的內外墻或樓地板。法國作為這一技術體系的先驅，在該領域開發了諸多成功的重型預制系統。這其中，由法國工程師雷蒙德 · 加繆（Raymond Camus）開發的加繆（Camus）系統最具影響，該系統機械化程度高，并且可基于不同功能，預先進行板材加強、設洞、連接等處理（圖 7-8）。重型預制系統的出現緩解了二戰后建筑材料與勞動力短缺的問題，后續人口的穩定增長、生產環境及設備的改善也促進了該系統的成功應用與推廣。

圖7-8 法國重型混凝土板預制裝配體系建筑外圍護板材吊裝階段

但隨著建設規模的不斷擴大與工程復雜程度的不斷提升，外圍護系統的輕質化發展已然成為了主流發展趨勢，這也使得輕型預制裝配系統的研究進程逐漸加快。相對于重型預制裝配系統，裝配式外圍護體系的輕質化發展更加強調空間的適應性。在這其中，建筑師弗里茨 · 哈勒（Fritz Haller）于 20 世紀 60 年代設計的“USM 通用系統”是極具代表性的。該系統由 MAXI、MIDI、MINI 三套系統與一套 USM 模數化家具系統組成，可分別應對大跨廠房和中小型建筑的內部空間變化。采用輕質墻板作為內外圍護，可以靈活進行拆卸組裝以滿足不同的室內功能需求（圖 9-10）。除了中大型建設工程，在小型住宅項目方面，LivingHomes 公司推出的“可卸板材（Dump Panel）”，通過將量產的輕質外圍護板材自由拼接成不同功能的模塊空間，實現了自由應對住宅空間不同功能需求的目標。

圖9 基于輕型預制裝配體系的 USM 系統框架與板材的拼裝

圖10 USM 通用系統成品建筑實景

3.1.3 后現代化階段至今——多樣定制需求

隨著后現代主義思潮的到來，大規模建造已不是社會矛盾的焦點所在，隨之而來的是種種差異性追求。在這一階段，基于效率、規模等方面考慮的傳統裝配式建筑開始逐漸無法應對社會情況的變化，人們對裝配式外圍護產品的需求也開始由標準生產轉向多樣性定制。如今，多樣化、個性化定制對裝配式外圍護的要求已不單單限于視覺形象的個性化塑造，外圍護體系開始逐漸成為建筑室內外環境交互的重要調節器，裝配式外圍護技術在多樣化需求語境下得以快速迭代發展。

3.2 技術迭代

裝配式外圍護體系的技術推演是建筑表皮體化過程的縮影。這一過程的起點是現代主義時期，隨著建筑框架結構和部件工廠化生產的推廣，外圍護體系不僅擺脫了附加裝飾和承重功能，也被賦予了由生產邏輯主導的產品屬性。如勒斯巴熱（David Leatherbarrow）和莫斯塔法（Mohsen Mostafavi）在《表皮建筑學》中認為的那樣，框架結構在美學和功能方面的變革與重新定義，為裝配式外圍護體系的技術發展打下了物質基礎。以英國萬博會水晶宮（圖 11a）與巴黎民眾之家（Maison du Peuple）（圖 11b）為開端，外圍護體系由傳統意義上的承重作用變為了填充作用，這種功能的變革不僅使外圍護體系從建筑的附屬走向了獨立，而且表皮提供的“奇觀現象”，推動了建筑審美觀念的轉變。在包豪斯大樓（Bauhaus Building）（圖11c）中 , 外圍護體系則徹底從建筑建造中解放出來，外圍護技術層面的解放與工業化的影響緊密關聯。

圖11 外圍護的裝飾與功能逐漸消失

到了后現代主義時期，伴隨著以“自治”為主題的表皮體化進程，裝配式外圍護體系逐漸從標準化生產工廠慢慢滲透進社會空間，成為了消費文化的一部分，并隨之引發了新的社會思考與批判。這一時期的技術發展使外圍護體系在形象表達的基礎上，具備 了自身的空間和功能。

讓 · 普 魯 維（Jean Prouve） 設 計 的 熱 帶 住 宅（Maison Tropicale）通過對預制鋁板進行一系列適應性改造，降低了建筑的主動耗能，并提升了室內舒適性（圖 12）。20 世紀 80 年代末，建筑師史蒂芬·基爾蘭（Steve Kieran）和詹姆斯·汀波萊克（James Timberlake）將“個性化需求”納入裝配式外圍護體系的研究范疇，他們開發設計的 KT 系列住宅可以根據用戶需求替換外圍護板塊的內外完成面，實現顏色、材料等可感知層面的定制設計（圖 13）。另外在“玻璃紙屋”項目中，他們將表皮系統制成輕質高強的 PET 材料，可以根據需求附加其他功能“涂層”，實現輕質裝配建筑表皮性能與外觀的定制化目標（圖 14）。

圖12 Maison Tropicale 熱帶住宅項目

圖13 KT 住宅的自適應體系

圖14 玻璃紙屋建筑項目

時至今日，裝配式外圍護體系早已具備完整靈活的自身結構以應對復雜變化。這種結構性的技術推演主要體現在數字設計建構、材料更迭創新、自適應技術發展以及氣候生態響應四個方面上。這四者相互支撐，并貫穿于裝配式建筑 “設計 - 建造 - 使用 - 回收”的完整生命周期，賦予了當今裝配式外圍護體系技術“一體化發展”的全新內涵。

3.2.1 裝配式外圍護的數字設計

裝配式外圍護數字化設計技術的發展，得益于當代體化建筑表皮的審美轉變。這種全新的建筑形式語言表象蘊含著對基本元素平衡機制的解構與秩序重建，而外圍護的數字化設計技術也極大提升了外圍護形態塑造的可操作性。由米歇爾（Michel Rojkind）設計的墨西哥利物浦百貨商店，對建筑的外圍護體系進行了層疊式一體化表達，以達到內部空間緩沖、周邊環境融合的設計效果；UN 工作室設計的上海 189 商業中心，通過對外圍護結構進行模塊化區分與重新排列，充分展現了建筑表現面中整體有序與局部無序的復雜構成邏輯。由上海創盟建筑設計有限公司設計的烏鎮“互聯網之光”博覽中心，在外圍護方面采用了動態模數系統和全預制裝配的邏輯，將其結構分解成數學邏輯對應的構件來搭建，屋頂近 70 萬塊瓦片則采用半預制化的方式，將傳統瓦的濕作業優化為預制化的安裝單元，每個單元只需要 5 分鐘即可安裝完畢，大大優化了鋪設效率（圖 15-17）。另由其設計的南京歡樂谷廣場東側大門建筑，通過參數化設計與建造，采用 3D 打印的改性塑料作為建筑外表皮，僅用時 59 天便實現了設計創作表達與大規模定制化建造的有效融合（圖 18-20），這種紛繁復雜的立面構成經由數字化設計操作，轉化為明晰的分層邏輯關系，進而得以為建造環節提供清晰的指導。

圖15-17 烏鎮“互聯網之光”博覽中心裝配式外圍護的數字化設計

圖18-20 南京歡樂谷東側大門裝配外圍護體系的數字化設計

3.2.2 裝配式外圍護的材料更迭

建筑產業化的不斷發展，讓裝配式外圍護體系的材料選擇愈發產品化，設計過程也日趨類型化、模式化。與此同時，人居健康的要求逐漸被重視，要求外圍護體系在保證建造效率與空間適應的前提下，通過材料的新路徑尋求舒適、效率、表現三者的平衡。

近年來，相變材料（Phase Change Material，PCM）由于高效蓄熱的物理性能，開始被用于裝配式外圍護體系中，馬可（Marco）等人將形狀記憶合金材料（SMA）用于建筑外圍護系統，通過其在不同溫度條件下相變作用產生的能量控制墻體中部空腔的開啟與閉合，不僅控制了腔內的自然通風，代替傳統的能量傳感器與執行器，而且實現了在沒有能源供應的情況下，自行應對熱量變化的目的。帕斯卡（Pascal Leboucq）與艾瑞克（Erik Klarenbeek）在荷蘭設計周中展出了成長館，其立面框架采用木材和壓縮香蒲，外圍護結構內部使用玻璃，而外部則使用菌絲體復合板材。這種新型建筑材料用作建筑外圍護表皮，不僅可提供良好的保溫隔熱性能，而且能帶給人們獨特的視覺和觸覺體驗，充分體現了裝配式外圍護的生物親和性（圖 21）。

圖21 菌絲板材成長館

3.2.3 裝配式外圍護的自適應技術

外圍護的自適應技術即對室外環境變化做出動態響應，這種技術能有效降低建筑能耗并提升室內環境舒適度。例如，在“能量正向回遷教室（Energy Positive Relocatable Classroom）”項目中，建筑師馬克·安德森（Mark Anderson）采用雙層通風外圍護體系，大大提升室內的自然通風品質，進而降低建筑的能耗需求（圖 22）。基爾蘭等人在“火炬松住宅（Loblolly House）”項目中，采用可折疊的裝配陽光板雙層外圍護體系，動態調節室內外熱、光、風環境的交互作用，進而提升建筑室內的物理環境，改善居住使用的舒適度。佐爾坦（Zoltan）等人在瑞士聯邦理工大學 HIL 大樓的外立面改造項目中，自主研發了高度集成化、模塊化的自適應裝配太陽能立面（Adaptive Solar Facade），可自主通過具有高時空分辨率的單獨可尋址模塊來控制立面太陽能吸收情況以及視覺效果。

圖22 能量正向回遷教室建筑

3.2.4 裝配式外圍護的生態響應

近年來，由環境惡化引起的生態問題在世界范圍內成為關注焦點，建筑領域也不斷探索環境友好型發展道路，建筑外圍護的生態內涵、綠色屬性已成為建筑師們亟需認真對待的命題，可持續議題下的裝配式外圍護體系技術革新也被納入生態視野。

米蘭世博會的意大利館，其外部的裝配表皮層采用了 TX Active 生物水泥支撐的活性混凝土板，該材料在陽光的照射下，能捕捉空氣中的污染物并將其轉換為惰性鹽，從而降低空氣中的顆粒物含量（圖 23-24）。巴塞羅那 TIC 媒體中心的裝配外圍護體系采用了金屬絲網和充氣膜加以覆蓋，這種形式對能源利用的優化和抗污性能十分具有意義。這種膜狀材料學名為聚四氟化乙烯（ETFE），對光線的過濾性強，能夠有效減少 55% 的二氧化碳排放（圖 25）。生態集成方面，CH2 墨爾本市政綠色辦公樓針對立面方向的不同，采用不同形式的外圍護體系，已分別實現建筑采光、自然通風、循環冷卻的目的，這種裝配立面形態的異質化并未影響建筑整體協調，反而應用了多種對自然資源的循環交互技術，體現了集成式的生態響應特征（圖 26）。

返回列表