清水混凝土建筑生命周期解決對(duì)策
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摘要:文章概述了清水混凝土建筑在我國(guó)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(wèn)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(wèn)題的對(duì)策，以期引導(dǎo)清水混凝土充分發(fā)揮性能優(yōu)勢(shì)，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(duì)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(yǔ)匯”，開(kāi)始受到業(yè)主和建筑師的鐘愛(ài)。我國(guó)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(guó)，由于技術(shù)落后和對(duì)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(guó)的普及應(yīng)用肇始于1997年，北京市設(shè)立“結(jié)構(gòu)長(zhǎng)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(guó)涌現(xiàn)出海南三亞機(jī)場(chǎng)、北京首都機(jī)場(chǎng)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(duì)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(guó)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(duì)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(kāi)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(wèn)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(yíng)維護(hù)等過(guò)程。清水混凝土建筑在建筑全生命周期中的使用問(wèn)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(duì)施工的嚴(yán)苛要求，造成業(yè)主對(duì)其經(jīng)濟(jì)性認(rèn)識(shí)存在片面性，從而導(dǎo)致了我國(guó)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(duì)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(jiǎn)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(guò)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(wèn)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(duì)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(duì)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(wú)法模仿的,而且隨著四季的變化呈現(xiàn)不同的視覺(jué)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(duì)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(duì)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(zhuān)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(wú)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(kāi)始”的論點(diǎn)。傳統(tǒng)的模板材料和制作手段，已無(wú)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(kāi)發(fā)新的模板材料，適應(yīng)建筑市場(chǎng)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(duì)施工活動(dòng)全過(guò)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(guò)富有預(yù)見(jiàn)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(guò)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(guó)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(guó)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(wú)法適應(yīng)清水混凝土建筑的高難度、高精度作業(yè)，是我國(guó)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(yíng)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(lái)越復(fù)雜，污垢形狀也趨于復(fù)雜化[6]。我國(guó)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(jué)效果，也帶來(lái)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(guó)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(méi)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(duì)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(shī)人”的日本建筑大師安藤忠雄在我國(guó)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(lái)源于“萬(wàn)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(lái)了巨大難度，也對(duì)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(duì)混凝土的原材料進(jìn)行優(yōu)選與質(zhì)控，對(duì)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(jiàn)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(guó)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(guó)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(guó)寫(xiě)意畫(huà)“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(duì)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(guò)試驗(yàn)研究不同引氣和消泡比例的聚羧酸高效減水劑對(duì)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(guò)研發(fā)設(shè)計(jì)自密實(shí)混凝土自填充效果檢測(cè)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(lái)越高，對(duì)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。混凝土基本工作性能是保證建筑安全的基礎(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(yǔ)言的發(fā)聲器。建筑師們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐探索，利用肌理語(yǔ)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(wèn)題的解決對(duì)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(guò)改變骨料種類(lèi)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(lái)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(guò)技術(shù)手段，積極推進(jìn)消納固廢，將會(huì)減少對(duì)自然資源的開(kāi)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(guò)程中難以解決的特異形體和結(jié)構(gòu)的問(wèn)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(shì)。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(guò)建筑信息模型對(duì)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(guò)對(duì)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(yǔ)
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(guò)規(guī)范化、精細(xì)化的施工、嚴(yán)格的質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)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(duì)竣工工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(shì)。
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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)