新兴建筑表皮r——塑料于建筑表皮的应用与发展

新兴建筑表皮r——塑料于建筑表皮的应用与发展翟玉琨【摘要】以《塑料外衣——塑料建筑与外墙概览》一书为主要参考,探讨了塑料作为一种新兴材料,以其独特的性能在建筑表皮应用中的多种可能性.塑料有着良好的可塑性、柔韧性、透明性,为建筑表皮的数字建构、创新结构体系以及光线控制等提供了可行性.在未来的建筑表皮实践中,塑料将会有更加广阔的发展空间.【期刊名称】《建筑技艺》【年(卷),期】2017(000)004【总页数】3页(P120-122)【关键词】塑料;建筑表皮;可塑性;膜结构【作者】翟玉琨【作者单位】北京建筑大学建筑与城市规划学院【正文语种】中文相比于其他建筑材料，塑料在建筑中的应用时间极其短暂。

从1868年首个塑料品种赛璐珞（Celluloid）诞生至今，不过150年的历史。

而其在建筑上的应用是从20世纪60年代才开始有较大发展。

在这短暂的历史中，塑料衍生出繁多的品种，性能也随技术的发展不断得到提升，并在建筑中得到更加广泛的应用。

2016年4月，同济大学出版社“光明城”出版了《塑料外衣——塑料建筑与外墙概览》一书（图1）。

这本书是北京市建筑设计研究院有限公司胡越工作室对近年来塑料外墙项目研究的一个总结，整理论述了塑料的品类、性能、发展以及在建筑外墙中的应用，并汇编了大量的建筑实例索引，具有工具书的特点，可供建筑师随手翻阅。

作为森佩尔（Gottfried Semper）的建筑四要素（火炉hearth、基座earthwork、屋架/屋面framework/roof、围合性表皮enclosing membrane）之一，建筑表皮始终是建筑师关注的重点，并随着材料技术的发展不断演进。

在漫长的建筑史当中，人们不断寻求结构上的突破，开放建筑外墙从而打破黑暗，引入阳光。

这其中有两次较大的突破：一次是哥特建筑骨架券和飞扶壁的使用，减轻了外墙承重；另一次是19世纪钢铁和混凝土技术的发展，框架体系的应用彻底解放了建筑外墙，使建筑表皮成为可自由发挥的围护结构。

其后，以1851年伦敦世界博览会“水晶宫”为标志，玻璃幕墙逐渐发展起来。

直到20世纪60年代，一种新的建筑表皮悄然兴起并快速发展，成为了玻璃幕墙替代品，那就是塑料表皮。

与玻璃相比，塑料具有重量轻、强度高、造价低、可塑性强的特点，且造型与颜色更具多样性，这使其被广泛应用到建筑设计当中。

塑料原意是“可以被成型加工的材料”，是合成树脂在加工过程中加入（或不加入）增塑剂、填充剂、润滑剂、着色剂等添加剂，在一定强度和压力下塑造成一定形状，并在常温下能保持既定形状的有机高分子材料。

1872年首个塑料品种赛璐珞（Celluloid）在美国建厂生产，1907年制成第一种合成塑料酚醛塑料（PF），之后的半个世纪当中，聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，可制造出有机玻璃）、聚乙烯（PE）、尼龙（Nylon，第一种合成纤维）、聚酯纤维（PET）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚丙烯（PP）先后被发明出来。

但直到20世纪60～70年代，塑料在建筑上才得到较大发展。

塑料在建筑外墙应用最早的实例之一是一幢组装的塑料项目“未来之屋”（图2），由美国的孟山都（Monsanto）公司开发和研制，并于1957年在迪斯尼乐园建成，使用白色纤维加强塑料（FRP）预制单元，反映出当年对未来生活场景的一种设想。

1968年，马蒂·苏洛宁（Matti Suuronen）设计的飞碟屋（Futuro House）度假别墅（图3），同样由FRP塑料板预制单元组成，极具未来感。

而第一座真正意义上的塑料建筑是1972年慕尼黑运动会体育场（图4），设计者是甘特·贝尼奇和弗雷·奥托（Gunther Behnisch & Frei Otto）。

体育场使用聚碳酸酯板（PMMA）和拉索结构作为屋面，是一个在技术和材料应用上堪称里程碑式的设计。

在之后的发展当中，塑料更多的是以膜材或板材的形式作为建筑表皮发挥围护作用，这是由塑料的抗腐蚀、防水、透光、质轻、造价低、易塑造等特性决定的。

建筑膜结构可分为张拉膜和气承表面两类，其中90%使用的是PTFE、PVC、ETFE这三种材料。

2010年上海世博会（EXPO）中轴线上的构筑物“阳光谷”采用了张拉膜结构（图5），由白色PTFE复合膜制成，是当前世界上屋盖跨度最大的膜结构构筑物。

而ETFE则主要用于充气枕结构当中，如“水立方”国家游泳中心（图6），半透明ETFE充气膜单元将自然光引入建筑，减少了能耗。

1 《塑料外衣——塑料建筑与外墙概览》封面2 迪斯尼乐园的未来之屋3 马蒂·苏洛宁设计的飞碟屋4 1972年慕尼黑运动会体育场5 2010年上海世博会阳光谷6 水立方国家游泳中心7 考夫曼霍兹公司货物储运中心塑料板材易于加工、价格便宜、样式繁多，被大量应用于建筑表皮。

材料生产商以塑料为原材料生产出丰富的板材产品，如蜂窝板、夹心板、复合板等，可供建筑师自由选择。

弗洛里安·纳格勒（Florian Nagler）设计的德国博宾根（Bobingen）考夫曼霍兹公司货物储运中心（图7），采用半透明聚碳酸酯（PC）空心板外墙，立面完整统一，采光良好，与周围环境紧密相连。

其使用的聚碳酸酯空心板重量轻、结构硬度强，创造出良好的视觉效果。

8 香奈儿移动艺术馆9 香奈儿移动艺术馆平面图10 香奈儿移动艺术馆FRP塑料表皮11 伊甸园项目12 慕尼黑安联足球场13 千年穹顶14 千年穹顶剖面图15 千年穹顶结构与膜连接节点塑料按照用途可分为通用塑料和工程塑料。

在建筑中使用的塑料一般都属于工程塑料。

工程塑料早期被应用于工业产品中，是指有着较高的强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗衰老特性，能够被用做工业零件或产品外壳材料的工业用塑料。

当塑料制品作为建筑外墙材料使用时，需要考虑重量、静力学、隔热、隔声、耐候、光学特性、防火、机械应力、抗化学能力、温度范围等性能。

这些参数对于一个功能技术合理、满足基本围护要求的建筑外墙来讲十分重要。

轻质、耐候、抗腐蚀，具有一定的材料强度和正常使用温度范围，保证了塑料产品可以被安装并长久使用；隔热、隔声、良好的光学特性，保证了建筑室内的舒适度；一定的防火等级和抗冲击强度，保证了突发情况下的建筑安全。

除了这些基本性能外，塑料有着其他材料难以比拟的可塑性、柔韧性和可控的透明性，能够塑造出独特的造型和半透明的空间氛围，从而成为一些建筑师钟爱的材料。

2.1 可塑性与数字建构计算机和材料的发展带动了数字建构（Digital Tectonic）的兴起，近10年数字技术和设计得到突飞猛进的发展。

虽然清华大学徐卫国教授对“数字建构”定义时，强调了结构逻辑和材料逻辑的重要性，可当前的数字建构探索更多地导向了表皮和新造型主义标签下的数字设计和建造元素。

这种新的造型元素的实现则更多依赖于新材料的使用。

塑料作为一种可塑性极强的新兴材料，通过对成型工艺的控制，可塑造出各种表皮造型。

塑料有压模、注塑、挤出、吹塑等多种加工方式，精确的加工技术可以实现复杂的造型。

在3D打印技术兴起后，塑料和树脂作为其常用原材料，发挥了更为广阔的作用，实现了从数字模型到实体产品的直接输出。

虽然目前3D打印建筑技术还不成熟，但以水泥、纤维、塑料、树脂砂浆等为原材料，靠龙门架和打印喷头控制的3D打印建筑正在实验当中。

当今世界许多主流建筑事务所（如SOM、KPF、Aedas）都设有建筑数字技术研究团队，扎哈·哈迪德（Zaha Hadid）事务所的数字化研究团队CODE在公司内具有十分重要的作用。

在计算机技术和结构工程师的配合下，塑料帮助这些团队实现了各种三维造型和曲面图案。

扎哈·哈迪德为香奈儿设计的移动艺术馆（Mobile Art Pavilion for Chanel）（图8，9），采用流动的几何形体和有机的线条组成了一个流动且充满张力的空间。

主体为钢结构，外墙和屋顶使用三种不同的塑料材质，创造出扭曲、起伏的造型。

建筑外立面采用通过模具成型的增强纤维塑料（FRP）（图10），质量轻、强度高，对大气、水和一般化学溶剂有较好的抵抗能力。

增强纤维塑料可根据需要设计出各种形状的产品，可塑性好，成型工艺多样，可在表面复合多种装饰面。

移动艺术馆屋顶主要采用聚氯乙烯（PVC）复合膜材，采光天窗使用ETFE透明结构膜材。

PVC膜是三大复合膜材之一，白色不透明，用于屋顶遮挡阳光。

与PVC复合膜不同，ETFE是不含织物的单一聚酯薄膜，透光率可达95%，用于屋顶充气枕结构，采光良好。

组成移动艺术馆表皮的塑料材质依据网格划分，通过计算机计算出最优结果，经高精度加工制造而成。

建筑的实现有赖于数字技术的精确控制，也依赖于塑料材质的超强可塑性。

正是这些条件使一座造型优美的曲线作品被呈现出来。

2.2 柔韧性与膜结构塑料板材虽然可塑性很强，但无论是热塑性塑料，还是热固性塑料，都应保证在正常使用温度下保持既定形状。

与此不同的是，塑料膜材则柔软可变，可依主体结构塑造各种形态。

塑料膜材是一种高分子复合材料，由基层和面层组成。

基层主要采用聚酯纤维或玻璃纤维，面层常采用聚氯乙烯（PVC）或聚四氟乙烯（PTFE）。

乙烯-四氟共聚物（ETFE）则不含基层，为单一聚酯薄膜。

膜材一般具有良好的弹性和抗拉性能，PVC膜材料的拉伸能力达到钢材强度的一半，PTFE膜材料的拉伸能力与钢材相当。

塑料膜材的弹性、柔软、抗拉等特性是其他建筑材料难以比拟和不可替代的，因此形成了独特的膜结构建筑，可塑造出复杂的曲面形态。

塑料膜材常采用充气的方式或钢骨架对其进行支撑、牵拉和固定，故按结构可分为充气膜和张拉膜两大类。

充气膜结构常使用ETFE膜材料，将空气充入气囊形成基本构件，再将基本构件组合形成建筑表皮，气囊中气压一般为室外气压的2～7倍。

如尼古拉斯·格雷姆肖（Nicholas Grimshaw）设计的伊甸园项目（Eden Project）（图11），赫尔佐格和德梅隆（Herzog & de Meuron）设计的慕尼黑安联足球场（Allianz Arena）（图12），和“水立方”国家游泳中心等。

张拉膜建筑又称索膜结构建筑，是通过钢骨架支承或钢索张拉使膜成型的建筑。

理查德·罗杰斯（Richard Rogers）于2000年设计的千年穹顶（Millennium Dome）（图13）采用了张拉膜结构，由玻纤织物基层及白色PTFE涂层复合膜制成，具有良好的耐候性和保温性。

穹顶直径365m，中心高度50m，由超过70km的钢索（总用量）悬吊在12根100m高的钢桅杆上（图14）。

PTFE复合膜被固定在钢索之上（图15），覆盖了巨大的内部空间。