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相比于其他建筑材料，塑料在建筑中的應(yīng)用時(shí)間極其短暫。從1868年首個(gè)塑料品種賽璐珞(Celluloid)誕生至今，不過(guò)150年的歷史。而其在建筑上的應(yīng)用是從20世紀(jì)60年代才開始有較大發(fā)展。在這短暫的歷史中，塑料衍生出繁多的品種，性能也隨技術(shù)的發(fā)展不斷得到提升，并在建筑中得到更加廣泛的應(yīng)用。
2016年4月，同濟(jì)大學(xué)出版社“光明城”出版了《塑料外衣——塑料建筑與外墻概覽》一書(圖1)。這本書是北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司胡越工作室對(duì)近年來(lái)塑料外墻項(xiàng)目研究的一個(gè)總結(jié)，整理論述了塑料的品類、性能、發(fā)展以及在建筑外墻中的應(yīng)用，并匯編了大量的建筑實(shí)例索引，具有工具書的特點(diǎn)，可供建筑師隨手翻閱。
圖1 《塑料外衣——塑料建筑與外墻概覽》封面
1新興建筑表皮——塑料
作為森佩爾(Gottfried Semper)的建筑四要素(火爐hearth、基座earthwork、屋架/屋面framework/roof、圍合性表皮enclosingmembrane)之一，建筑表皮始終是建筑師關(guān)注的重點(diǎn)，并隨著材料技術(shù)的發(fā)展不斷演進(jìn)。在漫長(zhǎng)的建筑史當(dāng)中，人們不斷尋求結(jié)構(gòu)上的突破，開放建筑外墻從而打破黑暗，引入陽(yáng)光。這其中有兩次較大的突破：一次是哥特建筑骨架券和飛扶壁的使用，減輕了外墻承重;另一次是19世紀(jì)鋼鐵和混凝土技術(shù)的發(fā)展，框架體系的應(yīng)用徹底解放了建筑外墻，使建筑表皮成為可自由發(fā)揮的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。其后，以1851年倫敦世界博覽會(huì)“水晶宮”為標(biāo)志，玻璃幕墻逐漸發(fā)展起來(lái)。直到20世紀(jì)60年代，一種新的建筑表皮悄然興起并快速發(fā)展，成為了玻璃幕墻替代品，那就是塑料表皮。
與玻璃相比，塑料具有重量輕、強(qiáng)度高、造價(jià)低、可塑性強(qiáng)的特點(diǎn)，且造型與顏色更具多樣性，這使其被廣泛應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中。塑料原意是“可以被成型加工的材料”，是合成樹脂在加工過(guò)程中加入(或不加入)增塑劑、填充劑、潤(rùn)滑劑（詞條“潤(rùn)滑劑”由行業(yè)大百科提供）、著色劑等添加劑，在一定強(qiáng)度和壓力下塑造成一定形狀，并在常溫下能保持既定形狀的有機(jī)高分子材料。1872年首個(gè)塑料品種賽璐珞(Celluloid)在美國(guó)建廠生產(chǎn)，1907年制成第一種合成塑料酚醛塑料(PF)，之后的半個(gè)世紀(jì)當(dāng)中，聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基（詞條“甲基”由行業(yè)大百科提供）丙烯酸甲酯(PMMA， 可制造出有機(jī)玻璃)、聚乙烯(PE)、尼龍（詞條“尼龍”由行業(yè)大百科提供）(Nylon，第一種合成纖維)、聚酯纖維(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)先后被發(fā)明出來(lái)。但直到20世紀(jì)60~70年代，塑料在建筑上才得到較大發(fā)展。
塑料在建筑外墻應(yīng)用最早的實(shí)例之一是一幢組裝的塑料項(xiàng)目“未來(lái)之屋”(圖2)，由美國(guó)的孟山都(Monsanto)公司開發(fā)和研制，并于1957年在迪斯尼樂園建成，使用白色纖維加強(qiáng)塑料(FRP)預(yù)制單元，反映出當(dāng)年對(duì)未來(lái)生活場(chǎng)景的一種設(shè)想。1968年，馬蒂·蘇洛寧(Matti Suuronen)設(shè)計(jì)的飛碟屋(FuturoHouse)度假別墅(圖3)，同樣由FRP塑料板預(yù)制單元組成，極具未來(lái)感。而第一座真正意義上的塑料建筑是1972年慕尼黑運(yùn)動(dòng)會(huì)體育場(chǎng)(圖4)，設(shè)計(jì)者是甘特·貝尼奇和弗雷·奧托(Gunther Behnisch & Frei Otto)。體育場(chǎng)使用聚碳酸酯板（詞條“聚碳酸酯板”由行業(yè)大百科提供）(PMMA)和拉索結(jié)構(gòu)作為屋面，是一個(gè)在技術(shù)和材料應(yīng)用上堪稱里程碑式的設(shè)計(jì)。
圖2 迪斯尼樂園的未來(lái)之屋
圖3 馬蒂 • 蘇洛寧設(shè)計(jì)的飛碟屋
圖4 1972 年慕尼黑運(yùn)動(dòng)會(huì)體育場(chǎng)
在之后的發(fā)展當(dāng)中，塑料更多的是以膜材或板材的形式作為建筑表皮發(fā)揮圍護(hù)作用， 這是由塑料的抗腐蝕（詞條“腐蝕”由行業(yè)大百科提供）、防水（詞條“防水”由行業(yè)大百科提供）、透光、質(zhì)輕、造價(jià)低、易塑造等特性決定的。建筑膜結(jié)構(gòu)可分為張拉膜和氣承表面兩類，其中90%使用的是PTFE、PVC、ETFE這三種材料。2010年上海世博會(huì)(EXPO)中軸線上的構(gòu)筑物“陽(yáng)光谷”采用了張拉膜結(jié)構(gòu)(圖5)，由白色PTFE復(fù)合膜（詞條“復(fù)合膜”由行業(yè)大百科提供）制成，是當(dāng)前世界上屋蓋跨度最大的膜結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物。而ETFE則主要用于充氣枕結(jié)構(gòu)當(dāng)中，如“水立方”國(guó)家游泳中心(圖6)，半透明ETFE充氣膜單元將自然光引入建筑，減少了能耗。
圖5 2010 年上海世博會(huì)陽(yáng)光谷
圖6 水立方國(guó)家游泳中心
塑料板材易于加工、價(jià)格便宜、樣式繁多，被大量應(yīng)用于建筑表皮。材料生產(chǎn)商以塑料為原材料生產(chǎn)出豐富的板材產(chǎn)品，如蜂窩板、夾心板（詞條“夾心板”由行業(yè)大百科提供）、復(fù)合板等，可供建筑師自由選擇。弗洛里安·納格勒(Florian Nagler)設(shè)計(jì)的德國(guó)博賓根(Bobingen)考夫曼霍茲公司貨物儲(chǔ)運(yùn)中心(圖7)，采用半透明聚碳酸酯（詞條“聚碳酸酯”由行業(yè)大百科提供）(PC)空心板外墻，立面完整統(tǒng)一，采光良好，與周圍環(huán)境緊密相連。其使用的聚碳酸酯空心板重量輕、結(jié)構(gòu)硬度強(qiáng)，創(chuàng)造出良好的視覺效果。
圖7 考夫曼霍茲公司貨物儲(chǔ)運(yùn)中心
2塑料性能與表皮應(yīng)用
塑料按照用途可分為通用塑料和工程塑料（詞條“工程塑料”由行業(yè)大百科提供）。在建筑中使用的塑料一般都屬于工程塑料。工程塑料早期被應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品中，是指有著較高的強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗衰老特性，能夠被用做工業(yè)零件或產(chǎn)品外殼材料的工業(yè)用塑料。當(dāng)塑料制品作為建筑外墻材料使用時(shí)，需要考慮重量、靜力學(xué)、隔熱、隔聲、耐候、光學(xué)特性、防火（詞條“防火”由行業(yè)大百科提供）、機(jī)械應(yīng)力、抗化學(xué)能力、溫度范圍等性能。這些參數(shù)對(duì)于一個(gè)功能技術(shù)合理、滿足基本圍護(hù)要求的建筑外墻來(lái)講十分重要。輕質(zhì)、耐候、抗腐蝕，具有一定的材料強(qiáng)度和正常使用溫度范圍，保證了塑料產(chǎn)品可以被安裝并長(zhǎng)久使用;隔熱、隔聲、良好的光學(xué)特性，保證了建筑室內(nèi)的舒適度;一定的防火等級(jí)和抗沖擊強(qiáng)度，保證了突發(fā)情況下的建筑安全。除了這些基本性能外，塑料有著其他材料難以比擬的可塑性、柔韌性和可控的透明性， 能夠塑造出獨(dú)特的造型和半透明的空間氛圍，從而成為一些建筑師鐘愛的材料。
2.1 可塑性與數(shù)字建構(gòu)
計(jì)算機(jī)和材料的發(fā)展帶動(dòng)了數(shù)字建構(gòu)(Digital Tectonic)的興起，近10年數(shù)字技術(shù)和設(shè)計(jì)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。雖然清華大學(xué)徐衛(wèi)國(guó)教授對(duì)“數(shù)字建構(gòu)”定義時(shí)，強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)邏輯和材料邏輯的重要性，可當(dāng)前的數(shù)字建構(gòu)探索更多地導(dǎo)向了表皮和新造型主義標(biāo)簽下的數(shù)字設(shè)計(jì)和建造元素。這種新的造型元素的實(shí)現(xiàn)則更多依賴于新材料的使用。塑料作為一種可塑性極強(qiáng)的新興材料，通過(guò)對(duì)成型工藝的控制，可塑造出各種表皮造型。塑料有壓模、注塑、擠出、吹塑等多種加工方式，精確的加工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的造型。在3D打印技術(shù)興起后，塑料和樹脂作為常用原材料，發(fā)揮了更為廣闊的作用，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字模型到實(shí)體產(chǎn)品的直接輸出。雖然目前3D打印建筑技術(shù)還不成熟，但以水泥、纖維、塑料、樹脂砂漿（詞條“砂漿”由行業(yè)大百科提供）等為原材料，靠龍門架和打印噴頭控制的3D打印建筑正在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。
當(dāng)今世界許多主流建筑事務(wù)所(如SOM、KPF、Aedas)都設(shè)有建筑數(shù)字技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)，扎哈·哈迪德(Zaha Hadid) 事務(wù)所的數(shù)字化研究團(tuán)隊(duì)CODE在公司內(nèi)具有十分重要的作用。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和結(jié)構(gòu)工程師的配合下，塑料幫助這些團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了各種三維造型和曲面圖案。扎哈·哈迪德為香奈兒設(shè)計(jì)的移動(dòng)藝術(shù)館(Mobile Art Pavilion for Chanel)(圖8，9)，采用流動(dòng)的幾何形體和有機(jī)的線條組成了一個(gè)流動(dòng)且充滿張力的空間。主體為鋼結(jié)構(gòu)（詞條“鋼結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供），外墻和屋頂使用三種不同的塑料材質(zhì)，創(chuàng)造出扭曲、 起伏的造型。
圖8 香奈兒移動(dòng)藝術(shù)館
圖9 香奈兒移動(dòng)藝術(shù)館平面圖
建筑外立面采用通過(guò)模具成型的增強(qiáng)纖維塑料(FRP)(圖10)，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，對(duì)大氣、水和一般化學(xué)溶劑有較好的抵抗能力。增強(qiáng)纖維塑料可根據(jù)需要設(shè)計(jì)出各種形狀的產(chǎn)品，可塑性好，成型工藝多樣，可在表面復(fù)合多種裝飾面。
圖10 香奈兒移動(dòng)藝術(shù)館 FRP 塑料表皮
移動(dòng)藝術(shù)館屋頂主要采用聚氯乙烯(PVC)復(fù)合膜材，采光天窗使用ETFE透明結(jié)構(gòu)膜材。PVC膜是三大復(fù)合膜材之一，白色不透明，用于屋頂遮擋陽(yáng)光。與PVC復(fù)合膜不同，ETFE是不含織物的單一聚酯薄膜，透光率（詞條“透光率”由行業(yè)大百科提供）可達(dá)95%，用于屋頂充氣枕結(jié)構(gòu)，采光良好。組成移動(dòng)藝術(shù)館表皮的塑料材質(zhì)依據(jù)網(wǎng)格劃分，通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算出最優(yōu)結(jié)果，經(jīng)高精度加工制造而成。建筑的實(shí)現(xiàn)有賴于數(shù)字技術(shù)的精確控制，也依賴于塑料材質(zhì)的超強(qiáng)可塑性。正是這些條件使一座造型優(yōu)美的曲線作品被呈現(xiàn)出來(lái)。
2.2 柔韌性與膜結(jié)構(gòu)
塑料板材雖然可塑性很強(qiáng)，但無(wú)論是熱塑性塑料，還是熱固性塑料，都應(yīng)保證在正常使用溫度下保持既定形狀。與此不同的是，塑料膜材則柔軟可變，可依主體結(jié)構(gòu)塑造各種形態(tài)。塑料膜材是一種高分子復(fù)合材料，由基層和面層組成。
基層主要采用聚酯纖維或玻璃纖維，面層常采用聚氯乙烯(PVC)或聚四氟乙烯(PTFE)。乙烯-四氟共聚物(ETFE)則不含基層，為單一聚酯薄膜。膜材一般具有良好的彈性和抗拉性能，PVC膜材料的拉伸能力達(dá)到鋼材強(qiáng)度的一半，PTFE膜材料的拉伸能力與鋼材相當(dāng)。塑料膜材的彈性、柔軟、抗拉等特性是其他建筑材料難以比擬和不可替代的，因此形成了獨(dú)特的膜結(jié)構(gòu)建筑，可塑造出復(fù)雜的曲面形態(tài)。塑料膜材常采用充氣的方式或鋼骨架對(duì)其進(jìn)行支撐、牽拉和固定，故按結(jié)構(gòu)可分為充氣膜和張拉膜兩大類。
充氣膜結(jié)構(gòu)常使用ETFE膜材料，將空氣充入氣囊形成基本構(gòu)件，再將基本構(gòu)件組合形成建筑表皮，氣囊中氣壓一般為室外氣壓的2～7倍。
如尼古拉斯·格雷姆肖(Nicholas Grimshaw)設(shè)計(jì)的伊甸園項(xiàng)目(Eden Project)(圖11)，赫爾佐格和德梅隆(Herzog & de Meuron)設(shè)計(jì)的慕尼黑安聯(lián)足球場(chǎng)(Allianz Arena)(圖12)，和“水立”國(guó)家游泳中心等。
圖11 伊甸園項(xiàng)目
圖12-1 慕尼黑安聯(lián)足球場(chǎng)
圖12-2 慕尼黑安聯(lián)足球場(chǎng)
張拉膜建筑又稱索膜結(jié)構(gòu)建筑，是通過(guò)鋼骨架支承或鋼索張拉使膜成型的建筑。理查德·羅杰斯(Richard Rogers)于2000年設(shè)計(jì)的千年穹頂(Millennium Dome)(圖13)采用了張拉膜結(jié)構(gòu)，由玻纖織物基層及白色PTFE涂層復(fù)合膜制成，具有良好的耐候性和保溫性。穹頂直徑365m，中心高度50m，由超過(guò)70km的鋼索(總用量)懸吊在12根100m高的鋼桅桿上(圖14)。
圖13 千年穹頂
圖14 千年穹頂剖面圖
PTFE復(fù)合膜被固定在鋼索之上(圖15)，覆蓋了巨大的內(nèi)部空間。獨(dú)特的張拉膜結(jié)構(gòu)顯示了建筑技術(shù)與塑料材質(zhì)的發(fā)展水平，其索膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用哈潑德事務(wù)所開發(fā)的Tensyl程序完成。由于張拉膜一般需施加預(yù)張應(yīng)力，因此在一定的初始條件(邊界條件和應(yīng)力條件)下，其應(yīng)力分布與變形等復(fù)雜問題需要計(jì)算機(jī)來(lái)確定，所以計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展為張拉膜建筑的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。
圖15 千年穹頂結(jié)構(gòu)與膜連接節(jié)點(diǎn)
2.3 透明性與空間氛圍
許多塑料都有很好的光學(xué)性能，透射率從10%～95%不等，所以常用于替代玻璃等透明材料。聚碳酸酯(PC)板透射率為90%，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)透射率可達(dá)93%，都比普通玻璃要高。有些塑料具有全波透射能力，而有些則具有選擇性透射能力。所以塑料既可以用于采光要求較高的建筑，又可以做不透明或半透明化處理，以減少陽(yáng)光的曝曬， 還可以在塑料板表面附加一層特殊效果的薄膜，使建筑外墻具有很好的視覺效果，并減少熱量輸入。
建筑現(xiàn)象學(xué)(Phenomenology)興起以后，人們更強(qiáng)調(diào)身體對(duì)建筑的感知，以敏銳的情感體驗(yàn)建筑，所以建筑師對(duì)光線和透明度的把握也愈發(fā)重要，這給塑料發(fā)揮其光學(xué)性能提供了很好的機(jī)會(huì)。梅洛·龐蒂(Merleau Ponty)提出的知覺論，認(rèn)為身體是感知、體驗(yàn)和知覺的機(jī)器。斯蒂文·霍爾(Steven Holl)受知覺論影響，認(rèn)為建筑與其他藝術(shù)相比更能全面地將人們的知覺引入時(shí)間、光影與透明度的變化當(dāng)中。在塑料中加入透明劑，可靈活改變塑料透光率，控制光線進(jìn)入量，同時(shí)還可以改變材料質(zhì)感，觸發(fā)感知變化。這就是塑料表皮對(duì)空間氛圍塑造所起的重要作用。
赫爾佐格和德梅隆設(shè)計(jì)的利口樂(Ricola)歐洲工廠和倉(cāng)庫(kù)(圖16)，采用半透明灰色聚碳酸酯(PC)空心板，使自然光經(jīng)過(guò)濾后進(jìn)入建筑內(nèi)部。聚碳酸酯板表面使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，將卡爾·波羅斯菲爾(Karl Blossfeldt)拍攝的植物葉子圖案印在表面(圖17)，達(dá)到干擾表面透明性的作用。這種處理為建筑塑造出柔和的光線氛圍，并把自然質(zhì)感引入建筑(圖18)，使建筑與外部環(huán)境產(chǎn)生了抽象的聯(lián)系。赫爾佐格與德梅隆說(shuō)： “我們希望建筑能打動(dòng)人，但并不表現(xiàn)這樣那樣的觀念， 而是要用質(zhì)感、肌理、空間、光線去塑造空間氛圍，讓進(jìn)入的人用身體去感知體驗(yàn)。”
圖16 利口樂歐洲工廠
圖17 利口樂歐洲工廠 PC 板半透明挑檐
圖18 利口樂歐洲工廠 PC 板半透明表皮
3塑料表皮的未來(lái)發(fā)展
塑料在建筑外墻上的應(yīng)用不過(guò)半個(gè)世紀(jì)，就已經(jīng)產(chǎn)生出如此多樣的構(gòu)造形式和立面效果，未來(lái)必將有更廣闊的發(fā)展空間。塑料工業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)多元：微型化、更加節(jié)能的加工工藝和技術(shù)、生物塑料、時(shí)尚材料、可降解、物理化學(xué)性能更優(yōu)化、更美觀、復(fù)合型材料等。塑料性能的改進(jìn)和變革將影響建筑外墻的建造和設(shè)計(jì)，可能引發(fā)建筑技術(shù)的再一次革新。
當(dāng)前，建筑外墻的發(fā)展正趨于智能化和自動(dòng)化。裝有控制裝置的多層建筑表皮將自動(dòng)調(diào)節(jié)光照與通風(fēng)，保證建筑室內(nèi)舒適度。貼有光學(xué)多層薄膜的塑料外墻已經(jīng)可以自動(dòng)減少光線進(jìn)入室內(nèi)。而時(shí)尚塑料的發(fā)明將使得建筑外墻更加智能化。所謂時(shí)尚材料是指根據(jù)環(huán)境變化，其剛度或其他性能可發(fā)生變化的材料， 時(shí)尚塑料將能自行控制光線、 應(yīng)對(duì)環(huán)境變化、 自行抵抗破壞。
隨著能源問題的突出，生態(tài)和節(jié)能成為建筑和材料發(fā)展的另一趨勢(shì)。塑料的原材料是資源有限的石油，使用可再生植物原料代替石油是未來(lái)重要的研究課題，并已經(jīng)取得一定進(jìn)展。塑料的循環(huán)利用和可降解將減少對(duì)環(huán)境的破壞作用，節(jié)約能源消耗。塑料的生產(chǎn)能耗分別是鋼材和鋁材的1/4和1/8，并且隨加工工藝的提高將繼續(xù)減小。使用塑料替代木材、鋼材等傳統(tǒng)材料，可節(jié)能節(jié)材、保護(hù)生態(tài)、改善居住環(huán)境、提高建筑質(zhì)量。美國(guó)加州BioLumber公司最新發(fā)明的“塑料木材”比傳統(tǒng)木材強(qiáng)度更高、更耐用，且質(zhì)量輕、成本低。
我國(guó)雖然在建筑外墻中運(yùn)用塑料起步較晚，但發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。以2010年上海世博會(huì)為契機(jī)，將建筑外墻應(yīng)用塑料的實(shí)踐提升到一個(gè)前所未有的高度。北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司胡越工作室一直對(duì)材料比較關(guān)注，又由于上海青浦項(xiàng)目的機(jī)緣，對(duì)塑料有了直觀的了解。《塑料外衣——塑料建筑與外墻概覽》作為胡越工作室塑料外墻項(xiàng)目研究的總結(jié)，為其他建筑師提供了參考，也將引發(fā)更多人對(duì)塑料在建筑中應(yīng)用的關(guān)注和研究
注：本文系原創(chuàng)，轉(zhuǎn)自《建筑幕墻》2017年7月總第6期雜志。
