非线性建筑的设计建造与质量控制

摘要：针对目前国内非线性建筑普遍建造质量差的现状，结合亲身实践，分析了在非线性建筑的设计建造过程中产生质量问题的原因，并探讨解决办法，以期为今后更好地控制施工质量提供借鉴。

关键词：非线性建筑 参数化设计 建造 质量控制

1.设计背景及项目简介

非线性建筑是一种连续流动状的形体，这种形体作为结果来自于对建筑性能及周边环境因素的分析，作为建筑的最终形体，由于影响的因素是复杂的，建筑的形体也必然是不规则的。随着经济技术条件的进步，越来越多的非线性建筑因其独特的造型和美感，作为各大城市的地标被建立起来。然而由于工期紧张、设计考虑不周、施工经验欠缺等多方面因素，造成在中国本土建造的非线性建筑很多都存在质量问题。如2009年由扎哈・哈迪德设计的广州歌剧院耗时五年才建设完成，在投入使用第一年就出现了如屋顶漏水、幕墙玻璃脱落、外墙石材拼贴粗糙等种种质量问题（图1）。

2.主门卫的设计

2.1整体设计

整个设计概念希望从南侧的厂区看建筑的效果是像一片云一样漂浮在绿茵丛中，西侧门卫室南侧落地的部分只有私密性要求较高的监控室，东侧门卫室南侧落地部分是更衣室，其余南侧都为竖向的玻璃幕墙。因为建筑是不规则的三维曲面造型，我们采用适合建造复杂曲面模型的rhino软件，配合与其链接的grasshopper插件进行建模。从方案推敲到后期绘制施工图，包括结构计算用的模型都是基于rhino中的三维模型，使得设计有统一的参照，准确度和效率都比较高。

2.2外壳设计

FRP屋面板是有厚度的表皮，在概念设计中我们采用rhino中便于做自由曲面的插件TSpline做出多个方案进行比较，挑选出形态最佳的方案，再提取曲面的结构控制线并进行优化。优化的过程主要是将曲线的控制点减少，并让曲线变得平滑，之后再用rhino中的放样功能将曲线重建成曲面。

在两块屋面板之间我们预留了2cm的缝，之后用泡沫等弹性材料填实，给误差和变形留出富余量。考虑到做成整体光滑的屋面难度较大，难免会出现接缝处凹凸不平的现象，设计时在每个屋面板单元四边预留了宽10cm、深1cm的凹槽，在增加屋面细节的同时，因为凹槽的设置，出现的不平整情况会在视觉上被弱化。这些留缝、开槽等工作都借助于grasshopper插件进行批量处理，相比手工一个个修剪模型，更加准确快捷（图3）。

2.3钢结构设计

其他异形部件包括室内隔墙、南侧玻璃幕墙、北侧曲面玻璃。室内隔墙和南侧玻璃幕墙都是平面异形构件，加工比较成熟，只需在软件中把每一块隔墙和玻璃的形状尺寸标注清楚就可以了。为了降低北侧曲面玻璃的造价，我们将其设计成固定窗，均不可开启，而且是无框玻璃，直接通过结构胶将其与FRP屋面板粘接。因为曲面玻璃的形状也是随着FRP屋面板的形状变化，所以每一块玻璃也是不一样的，尺寸划分为1.5m长、0.4m宽，玻璃和玻璃间的接缝刚好通过横向的支管挡住。对于每一块曲面玻璃的展开面形状尺寸和三维形状尺寸也都通过grasshopper批量完成后提供给制造商。

3.主门卫的建造

3.1基础施工

基础采用钢筋混凝土条形基础，每一根钢结构主管接地的部分会伸出一个柱墩，柱墩中心对应钢结构的管径中心，所以柱墩中心的定位尤为关键，关系到整个结构的定位是否准确。定位时采用全站仪精确控制中心点的三维坐标，水平方向的误差基本控制在±2mm以内，竖直方向通过柱脚的预埋钢构件调整高度，使其各个主管的落地点保持在同一水平高度上。

3.2钢结构加工及建造

钢结构的建造是整个建筑建造的关键，因为其他建筑构件都是与钢结构直接或间接连接的。为了能够让建造质量尽量高，我们在满足加工、运输条件的前提下，尽可能地将加工工作放在工厂内进行，只留少部分放在现场拼装。

在工厂内，第一步是将直的无缝钢管进行煨弯，煨弯采用冷弯对材料的损伤较小。煨弯的形状是根据计算机图纸在水平面的钢板上画出1：1的大样，煨弯一次便与地样进行对比，误差较大的地方再进行校正，最后保证弯管的形状与地样误差在±5mm以内。这个环节因为有参考的地样，所以质量控制较好。

第二步是将各个部件在钢结构厂内进行切割、组装。由于运输的限制，我们在工厂内将相邻的两个主管及其之间的支管组合成为一个单元，单元与单元之间的支管连接是之后在现场完成的。这一步是用乙炔焰将支管上相贯的焊口按图纸切割成相应的形状，通过焊接将主管和支管连接起来（图5）。

第三部是将工厂加工完的每个单元运送至现场安装。因为本项目的钢结构施工方缺乏建造异形钢结构的经验，专业的定位及检测设备也没有，所以现场安装的质量不高。比如钢结构的空间定位只采用水准仪控制主管端点的高程，而没有用更精准的全站仪控制主管的三维坐标，这就出现个别部分定位不准。如图6所示，A、B两条曲线形状完全一样，端点的高程一致，但位置却不相同，实际安装过程中也出现了类似的问题，并且在整体钢结构安装完才发现，很难再去修改，给接下来很多其他构件的安装造成了麻烦。

钢结构全部安装完，由于误差原因，试装前几块FRP屋面板时发现很难安装上。为了了解钢结构具体误差是多少，我们请三维扫描的公司对钢结构进行整体扫描。三维扫描仪的扫描结果为钢结构的三维坐标数据，我们将这些数据导入rhino中形成密布的点云，再在rhino中将点云模型与原先的三维模型进行比较。从结果可以看出，西侧门卫室西侧向东收缩了4cm，东侧向西收缩了3cm，也就是整体钢结构向中间收缩了7cm，主要是由热胀冷缩变形造成的。在高度方向上会有最大4cm方向向下的误差，主要是由自重沉降和热胀冷缩变形造成的。前面提到的由于施工定位缺陷造成东侧门卫室西南角出现了8cm的误差，这一区域的几根主管虽然端点的高程是按设计要求，但方向出现了整体逆时针偏转，直接导致这部分FRP屋面板与钢结构留有非常大的缝隙（图7）。

3.3FRP加工及建造

之后屋面板被分批运至现场，在钢结构上每隔0.75m预先焊了竖向的螺杆，螺杆与垫片将FRP面板与钢结构连接，再每隔0.75m用横向的螺杆将相邻两个FRP屋面板连接起来，使所有屋面板形成一个整体。所有的缝隙和空洞都用泡沫填实，保证保温效果。然后在设计中在屋面板边缘留的槽的部位铺设FRP保证接缝处的防水要求。最后再整体喷一遍氟碳漆，屋面就完成了（图8）。

但由于钢结构存在误差。FRP屋面板与钢结构无法像原先设计的那样自然无缝地贴合钢结构。FRP屋面板有一定的变形能力，我们用螺栓拉紧屋面板可以使部分误差不大的地方紧密贴合，但这种方式让FRP变形后，导致在FRP上的曲面玻璃因为形状不一致出现安装不上的情况。有些地方比如东侧门卫室的西南角超出了FRP的变形范围，屋面板和钢结构间有很大缝隙，这个缝隙后期只能靠浅色的软性材料去填补，但仔细看还是能够看出瑕疵（图9）。

3.4其他异形部件的加工及建造

4.1设计层面

本方案因为最初是以FRP屋面板作为主结构，可以采用数控加工成任意形状，在设计造型时不需要考虑模数化、标准化等要求。之后由于造价原因导致外形不变，但主体结构采用钢结构。钢结构的设计逻辑就不是基于标准化设计的方式，而是尽量去拟合屋面板的复杂曲面形状，这就导致钢结构每一个构件都是不同的，从经济性和构件加工安装简便的方面考虑都不是很合理。

本设计中采用三维建模软件rhino搭建了精细的模型，建筑专业的各个图纸都是基于三维模型，建筑的平面布置都是基于三维形体来考虑的。结构计算也是基于同一个三维模型，使得计算比较能反映真实的情况。给排水、电力、照明、空调等的设计还是采用传统的方法根据建筑平面图进行二维设计，建筑师再根据各专业的二维图纸在rhino中把设备管线的三维模型建立起来。因为建筑面积比较小，设备比较简单，建筑师还能够把握。但如果建筑面积很大，设备复杂，设备工程师无法掌握三维设计软件，在实际施工中就有可能出现管线、结构之间发生碰撞的情况。所以各专业需加强交流和协作，学习使用三维设计软件，且各个软件之间有很好的接口，消除不同软件带来的专业壁垒。

本次设计过程中做得比较好的地方，就是在实际建造前跟制造方讨论得非常充分，对每一个节点的设计、安装、误差范围以及出现误差时如何调整都做了深入的研究，使得最终的建成结果基本保持和设计一致。此外，根据经济性及精确要求，合理选择传统加工和数控加工方式，也保证了施工的顺利进行。

4.2施工层面

本项目在建造时，由于工期非常紧，许多本该分步进行的建造工序都是同时进行的。比如钢结构是本项目的核心，其他建筑构件都是与钢结构直接或间接连接的。科学的顺序是等钢结构全部完成，采用三维扫描技术将钢结构实际的三维模型与原先的设计模型进行对比，根据实际的钢结构模型在电脑中重新构建其他部件再进行加工。所以，科学合理的工序和必要的建设时间是十分重要的。从工程经验来讲，异形钢结构的施工确实受到很多条件影响导致精度不是很高，想要解决这个问题，一种就是前述等钢结构都完成再开始加工其他部件，另一种是设置可调的构造节点用以消除误差。

其次选择有建造异形建筑经验的施工队，并配以专业的器材对整个非线性建筑建造质量影响非常大。本项目挑选的钢结构施工队虽然综合能力很出众，但缺乏异形建筑建造的经验，钢结构设计制图是由建筑师协助完成了大部分工作，施工时也缺少定位检测用的仪器，给施工带来了不小的困难。

在非线性建筑建造时，有时候传统施工技术已经满足不了加工的要求，需要采用数控加工技术。数控加工的构件精度非常高，但要特别注意数控加工构件和手工加工构件间的连接，因为二者的精度不一样，甚至误差的数量级也不一样，一个是毫米级的误差，一个是厘米级的误差。在二者的连接点需要设计合理的构造节点，消除因为加工精度不同造成的误差。

综上所述，目前在国内，非线性建筑在设计和施工方面存在很多问题，需要不断总结经验教训，不断改进和提高，以及各方的共同努力和探索。