清水混凝土建筑生命周期解決對策
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摘要:文章概述了清水混凝土建筑在我國近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程，研究其在建筑全生命周期中所暴露的問題，闡述建筑端需求主導(dǎo)清水混凝土性能改良的觀點(diǎn)，并結(jié)合案例具體分析清水混凝土性能發(fā)展的幾個(gè)方向。文章提出了解決清水混凝土建筑現(xiàn)存問題的對策，以期引導(dǎo)清水混凝土充分發(fā)揮性能優(yōu)勢，滿足建筑端生態(tài)、美學(xué)、技術(shù)等需求，在建筑工程實(shí)踐中得到更廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:清水混凝土;建筑端需求;應(yīng)用現(xiàn)狀;發(fā)展策略
1清水混凝土建筑發(fā)展歷
最早的清水混凝土建筑發(fā)端于20世紀(jì)20年代，現(xiàn)代主義建筑先驅(qū)勒•柯布西耶以馬賽公寓和朗香教堂等一系列清水混凝土建筑，促成了清水混凝土在生產(chǎn)、施工技術(shù)和大眾審美上的突破，擺脫了大眾對于混凝土呆板、沉重、低端的固有印象。自此，清水混凝土作為建筑美學(xué)表現(xiàn)中“最純粹的建筑語匯”，開始受到業(yè)主和建筑師的鐘愛。我國的清水混凝土技術(shù)起步較晚，20世紀(jì)70年代清水混凝土施工技術(shù)首次傳入我國，由于技術(shù)落后和對材料性能認(rèn)識(shí)不足，并未在建筑上得到大規(guī)模的應(yīng)用[1]。清水混凝土在我國的普及應(yīng)用肇始于1997年，北京市設(shè)立“結(jié)構(gòu)長城杯工程”獎(jiǎng)，推動(dòng)了清水混凝土施工技術(shù)發(fā)展。從此，清水混凝土建筑在我國涌現(xiàn)出海南三亞機(jī)場、北京首都機(jī)場3號(hào)航站樓等一系列極具代表性的公共建筑物。隨著技術(shù)相對成熟和綠色環(huán)保建設(shè)理念的深入，清水混凝土也漸漸在我國工業(yè)建筑和民用建筑中發(fā)揮舉足輕重的作用。建筑師對清水混凝土提出了生態(tài)性、美學(xué)性、技術(shù)性等更高的要求，清水混凝土相關(guān)產(chǎn)業(yè)的重心正在由產(chǎn)量到質(zhì)量轉(zhuǎn)移。從《混凝土與水泥制品行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中可看出，清水混凝土產(chǎn)品的發(fā)展需要依附于建筑端的需求[2]。清水混凝土建筑開始進(jìn)入建筑端需求主導(dǎo)的性能改良提升階段。
2清水混凝土建筑全生命周期中的問題思考
建筑全生命周期管理BLM（BuildingLifecycleManagement），包括建筑的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工建造、運(yùn)營維護(hù)等過程。清水混凝土建筑在建筑全生命周期中的使用問題較多，不容忽視。
2.1規(guī)劃階段的綜合考量
在規(guī)劃階段，清水混凝土建筑需要考慮經(jīng)濟(jì)性和美學(xué)兩方面內(nèi)容。一方面，清水混凝土建筑對施工的嚴(yán)苛要求，造成業(yè)主對其經(jīng)濟(jì)性認(rèn)識(shí)存在片面性，從而導(dǎo)致了我國清水混凝土建筑大量集中于政府主導(dǎo)的大型公共建筑中。私人業(yè)主考慮眼前利益，節(jié)約成本，多數(shù)放棄清水混凝土建筑方案。另一方面，大部分業(yè)主對清水混凝土建筑外觀持有呆板沉重的固有思想，不能接受清水混凝土作為主體墻材的建筑設(shè)計(jì)方案。也有少部分業(yè)主為了追求建筑標(biāo)新立異，簡單模仿清水混凝土建筑做法，先澆筑出普通的混凝土飾面，然后通過后期修補(bǔ)工藝做出仿清水混凝土的效果，或者是直接采用仿清水混凝土板材飾面。這些做法不僅不能真實(shí)表現(xiàn)清水混凝土材料的本質(zhì)之美，反而徒增人力及物力的浪費(fèi)，得不償失。因此，在建筑規(guī)劃階段就要綜合考量清水混凝土的應(yīng)用價(jià)值，既要實(shí)現(xiàn)建筑方案設(shè)計(jì)的美學(xué)效果，又能滿足建筑的經(jīng)濟(jì)性和適用性，充分發(fā)揮其最大潛能。
2.2設(shè)計(jì)階段的特殊要求
2.2.1建筑方案創(chuàng)新要求
建筑方案設(shè)計(jì)的創(chuàng)新度匱乏是該階段的主要問題。清水混凝土的應(yīng)用范圍、力度和效果受設(shè)計(jì)方案的制約[3]。一些建筑師對于清水混凝土材料特性尚不明確，造成了設(shè)計(jì)方案謹(jǐn)小慎微，對成功案例亦步亦趨，這些缺乏創(chuàng)新的設(shè)計(jì)限制了清水混凝土研制技術(shù)的發(fā)展。清水混凝土傳達(dá)出的天然質(zhì)樸感與厚實(shí)感是其他人工建筑材料無法模仿的,而且隨著四季的變化呈現(xiàn)不同的視覺效果,成為具有東方文化色彩的建筑材料。像一些藝術(shù)館、博物館建筑使用清水混凝土則會(huì)形成更富有雕塑感的形體。
2.2.2特殊表觀性能需求
建筑特殊表觀性能需求的不斷更新，是對清水混凝土設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。不同的建筑設(shè)計(jì)方案需要與之對應(yīng)的清水混凝土特性。清水混凝土在滿足混凝土基本的工作性能、力學(xué)性能、耐久性能、經(jīng)濟(jì)性等基礎(chǔ)上，還需要滿足其高質(zhì)量的表觀要求[4]。一些缺少專業(yè)技術(shù)研制團(tuán)隊(duì)的混凝土生產(chǎn)商所供應(yīng)的混凝土產(chǎn)品通常千篇一律，無法適應(yīng)建筑方案特殊性需要，不僅影響建筑的最終表現(xiàn)效果，甚至可能造成嚴(yán)重的工程事故。
2.2.3建筑模板設(shè)計(jì)要求
模板是限制清水混凝土表觀效果的主要因素，清水混凝土建筑大師路易斯•康曾提出了“（模板）接觸面便是裝飾的開始”的論點(diǎn)。傳統(tǒng)的模板材料和制作手段，已無法滿足建筑端日益?zhèn)€性化的需求，尤其是異形建筑的模板支承工作具有很大的難度。模板設(shè)計(jì)亟需引進(jìn)新的技術(shù)手段，開發(fā)新的模板材料，適應(yīng)建筑市場和大眾審的需求。
2.3施工階段的精細(xì)化
2.3.1施工組織精細(xì)化安排
對施工活動(dòng)全過程進(jìn)行科學(xué)合理的管理是保證清水混凝土建筑一次成型，安全牢靠的重要保證。一座成功的清水混凝土建筑，需要通過富有預(yù)見性的施工組織，合理安排建筑施工周期中的各個(gè)環(huán)節(jié)，保證施工過程精確流暢，同時(shí)，做好施工失誤情況下的應(yīng)急方案。而這些是國內(nèi)大部分施工方所不具有的素養(yǎng)，從而制約了清水混凝土建筑的表現(xiàn)力。
2.3.2施工工藝精細(xì)化要求
清水混凝土建筑的精細(xì)化施工，考驗(yàn)施工團(tuán)隊(duì)的嚴(yán)謹(jǐn)與精確度。我國建筑施工團(tuán)隊(duì)普遍施工質(zhì)量偏低，缺乏相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，無法適應(yīng)清水混凝土建筑的高難度、高精度作業(yè)，是我國部分已建成清水混凝土建筑飾面效果差強(qiáng)人意的主要原因。清水混凝土不可逆的特性需要建筑師匠心獨(dú)運(yùn)，更需要施工者發(fā)揚(yáng)工匠精神，精雕細(xì)琢，精益求精。
2.4運(yùn)營階段的定期維護(hù)
混凝土是一種非勻質(zhì)性建筑材料，由于自身的化學(xué)組成和物理結(jié)構(gòu)，容易受到碳化作用、氯化物作用以及水作用的危害[5]。清水混凝土建筑表面在竣工后早期主要是雨水因素，隨著時(shí)間的推移，發(fā)生源越來越復(fù)雜，污垢形狀也趨于復(fù)雜化[6]。我國早期建設(shè)的清水混凝土建筑，很少采取后期的修補(bǔ)和涂裝保護(hù)工藝，其外表皮隨著時(shí)間推移和氣候影響，表面會(huì)出現(xiàn)污垢甚至是裂縫，嚴(yán)重影響視覺效果，也帶來安全隱患。
3清水混凝土的技術(shù)性能需求
3.1基本性能需求
國內(nèi)的清水混凝土產(chǎn)品較之普通混凝土、高性能混凝土，在骨料、配合比等方面并沒有特殊的要求，基本性能仍然是工作性能、力學(xué)性能、耐久性能等方面。不同的建筑設(shè)計(jì)方案對清水混凝土性能的不同要求需要根據(jù)試驗(yàn)確定最佳配合比。被譽(yù)為“清水混凝土詩人”的日本建筑大師安藤忠雄在我國上海保利大劇院的建筑實(shí)踐，促進(jìn)了清水混凝土材料基本性能的改進(jìn)。上海保利大劇院，總建筑面積55904m2，是安藤忠雄設(shè)計(jì)的文化建筑中清水混凝土體量最大的一個(gè)，其設(shè)計(jì)理念來源于“萬花筒”，各種角度的斜筒設(shè)計(jì)洞穿劇院的各個(gè)方向，形成了大跨度弧形結(jié)構(gòu)。其中洞口跨度最大可達(dá)45.21m，垂直高20.35m，洞口面積670.83m2，不僅給施工帶來了巨大難度，也對清水混凝土材料的性能提出更高的要求。上海保利大劇院的清水混凝土強(qiáng)度等級(jí)包括C30和C50，在一般使用的混凝土配合比基礎(chǔ)上，還需要滿足和易性和流動(dòng)性的要求。材料供應(yīng)方對混凝土的原材料進(jìn)行優(yōu)選與質(zhì)控，對用水量、水膠比、水泥摻量及砂率等做了一定的調(diào)整試驗(yàn)，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1[7]。
3.2生態(tài)性能需求
清水混凝土建筑不需要裝飾，減少了涂料、飾面等化工產(chǎn)品的使用，節(jié)約了大批人力和設(shè)備費(fèi)用，社會(huì)效益顯著提高；清水混凝土結(jié)構(gòu)一次成型，取消了抹灰和濕作業(yè)，減少了大量建筑垃圾，有利于保護(hù)環(huán)境。安藤忠雄的華都中心項(xiàng)目美術(shù)館外圍護(hù)墻體為雙面清水墻，采用國內(nèi)首創(chuàng)的雙墻內(nèi)夾保溫板的構(gòu)造做法，其中內(nèi)墻及扶壁柱為主體承重結(jié)構(gòu)，外墻附屬清水墻僅滿足建筑飾面要求，保障外圍護(hù)墻體保溫性能的同時(shí)，完美呈現(xiàn)了高品質(zhì)的清水混凝土墻面[8]。
3.3表觀性能需求
清水混凝土返璞歸真、純凈自然的表觀效果迎合了中國人“道法自然”的樸素審美觀，其所表現(xiàn)出的高級(jí)灰色調(diào)與中國寫意畫“墨分五彩”表現(xiàn)理念，以及江南水鄉(xiāng)灰墻黛瓦的傳統(tǒng)民居特色都具有異曲同工之處?！肚逅炷翍?yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ169-2009)規(guī)定了清水混凝土色澤及氣泡的相關(guān)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，是對清水混凝土表觀性能最基本的要求，卻已不足以滿足建筑創(chuàng)作中的高級(jí)審美需求。有學(xué)者通過試驗(yàn)研究不同引氣和消泡比例的聚羧酸高效減水劑對清水混凝土表觀形貌的影響，最終得出引氣劑摻量0.02%，消泡劑摻量0.01%時(shí)，清水混凝土表觀形貌最佳的配合比[9]。另有學(xué)者通過研發(fā)設(shè)計(jì)自密實(shí)混凝土自填充效果檢測裝置，能量化表達(dá)清水混凝土拌合物密實(shí)性，直觀觀察清水混凝土澆筑后的表觀情況[10]。
3.4技術(shù)性能需求
隨著建筑方案的設(shè)計(jì)水平和創(chuàng)新程度越來越高，對于清水混凝土建筑表觀效果的更高追求，必將導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)的革新?；炷粱竟ぷ餍阅苁潜ＷC建筑安全的基礎(chǔ)，而模板技術(shù)和施工技術(shù)是完美表現(xiàn)清水混凝土建筑材料特性的要素。模板是建筑物肌理語言的發(fā)聲器。建筑師們經(jīng)過長期的實(shí)踐探索，利用肌理語言表達(dá)自身的設(shè)計(jì)訴求，促使模板材料和樣式的快速更新，制作水平與日俱增；清水混凝土施工技術(shù)作為清水混凝土工程研究的重點(diǎn)，應(yīng)迅速適應(yīng)高要求的建筑設(shè)計(jì)方案，加強(qiáng)施工技術(shù)研究，創(chuàng)新施工方法和流程，提高技藝水平。
4清水混凝土建筑現(xiàn)存問題的解決對策
4.1基于綠色生態(tài)理念的混凝土研發(fā)
建筑的立體綠化擁有保溫隔熱的效用，清水混凝土通過改變骨料種類和改良配合比，與植被混凝土等相關(guān)技術(shù)結(jié)合，改善保溫隔熱效果，應(yīng)用于建筑隔熱墻面，將帶來良好的生態(tài)效能。另外，清水混凝土廣泛應(yīng)用的同時(shí)，如果能夠通過技術(shù)手段，積極推進(jìn)消納固廢，將會(huì)減少對自然資源的開發(fā)和利用，保護(hù)環(huán)境，使清水混凝土建筑產(chǎn)業(yè)成為“資源的再生器”。
4.2基于數(shù)字模型技術(shù)的模板設(shè)計(jì)
以3D打印技術(shù)為主的數(shù)字模型與快速成型技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)支模過程中難以解決的特異形體和結(jié)構(gòu)的問題。3D打印技術(shù)具有制作精度高、周期短、個(gè)性化、材料多樣和節(jié)約環(huán)保等多種優(yōu)勢。清水混凝土生產(chǎn)與施工單位應(yīng)該積極主動(dòng)地將建筑模板制作和3D打印結(jié)合，促進(jìn)3D打印技術(shù)在大尺度、新材料的建筑工程中的發(fā)展和應(yīng)用。
4.3基于BIM技術(shù)的施工流程管控
BIM技術(shù)可以通過建筑信息模型對施工信息進(jìn)行模擬，可以將大量工程信息予以直觀表現(xiàn)，為施工設(shè)計(jì)、管理人員提供便利。將BIM技術(shù)應(yīng)用于清水混凝土建筑施工，可以合理規(guī)劃進(jìn)度安排，做出更高效率的決策，實(shí)時(shí)監(jiān)控工程項(xiàng)目進(jìn)展，降低工程項(xiàng)目建設(shè)成本，縮短進(jìn)度。同時(shí)，BIM技術(shù)通過對工程項(xiàng)目的一體化管理，提高施工的標(biāo)準(zhǔn)化與機(jī)械化水平，減少資源的浪費(fèi)，避免不必要的返工和二次剔鑿，更好的滿足清水混凝土建筑一次成型的要求。
5結(jié)語
清水混凝土建筑的廣泛普及和更好發(fā)展，不僅需要新型高性能混凝土的研發(fā)和生產(chǎn)，也有賴于通過規(guī)范化、精細(xì)化的施工、嚴(yán)格的質(zhì)量驗(yàn)收評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提升清水混凝土建筑工程的質(zhì)量水平。在清水混凝土建筑生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，做好明確而嚴(yán)格的把控，減少清水混凝土建筑憑經(jīng)驗(yàn)施工的盲目性，鼓勵(lì)以實(shí)驗(yàn)量化的手段對竣工工程進(jìn)行現(xiàn)場勘驗(yàn)和驗(yàn)收，保證清水混凝土在建筑全生命周期內(nèi)更好地發(fā)揮性能優(yōu)勢。
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作者：李世賢王學(xué)勇 胡琳琳 李曉帆 王琳 張永超 單位：山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 山東交通學(xué)院 北京交通大學(xué)