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相比于其他建筑材料，塑料在建筑中的應用時間極其短暫。從1868年首個塑料品種賽璐珞(Celluloid)誕生至今，不過150年的歷史。而其在建筑上的應用是從20世紀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，性能也隨技術的發(fā)展不斷得到提升，并在建筑中得到更加廣泛的應用。
2016年4月，同濟大學出版社“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計研究院有限公司胡越工作室對近年來塑料外墻項目研究的一個總結，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用，并匯編了大量的建筑實例索引，具有工具書的特點，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注的重點，并隨著材料技術的發(fā)展不斷演進。在漫長的建筑史當中，人們不斷尋求結構上的突破，開放建筑外墻從而打破黑暗，引入陽光。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世紀鋼鐵和混凝土技術的發(fā)展，框架體系的應用徹底解放了建筑外墻，使建筑表皮成為可自由發(fā)揮的圍護結構。其后，以1851年倫敦世界博覽會“水晶宮”為標志，玻璃幕墻逐漸發(fā)展起來。直到20世紀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、強度高、造價低、可塑性強的特點，且造型與顏色更具多樣性，這使其被廣泛應用到建筑設計當中。塑料原意是“可以被成型加工的材料”，是合成樹脂在加工過程中加入(或不加入)增塑劑、填充劑、潤滑劑（詞條“潤滑劑”由行業(yè)大百科提供）、著色劑等添加劑，在一定強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高分子材料。1872年首個塑料品種賽璐珞(Celluloid)在美國建廠生產，1907年制成第一種合成塑料酚醛塑料(PF)，之后的半個世紀當中，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。但直到20世紀60~70年代，塑料在建筑上才得到較大發(fā)展。
塑料在建筑外墻應用最早的實例之一是一幢組裝的塑料項目“未來之屋”(圖2)，由美國的孟山都(Monsanto)公司開發(fā)和研制，并于1957年在迪斯尼樂園建成，使用白色纖維加強塑料(FRP)預制單元，反映出當年對未來生活場景的一種設想。1968年，馬蒂·蘇洛寧(Matti Suuronen)設計的飛碟屋(FuturoHouse)度假別墅(圖3)，同樣由FRP塑料板預制單元組成，極具未來感。而第一座真正意義上的塑料建筑是1972年慕尼黑運動會體育場(圖4)，設計者是甘特·貝尼奇和弗雷·奧托(Gunther Behnisch & Frei Otto)。體育場使用聚碳酸酯板（詞條“聚碳酸酯板”由行業(yè)大百科提供）(PMMA)和拉索結構作為屋面，是一個在技術和材料應用上堪稱里程碑式的設計。
圖2 迪斯尼樂園的未來之屋
圖3 馬蒂 • 蘇洛寧設計的飛碟屋
圖4 1972 年慕尼黑運動會體育場
在之后的發(fā)展當中，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、質輕、造價低、易塑造等特性決定的。建筑膜結構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(EXPO)中軸線上的構筑物“陽光谷”采用了張拉膜結構(圖5)，由白色PTFE復合膜（詞條“復合膜”由行業(yè)大百科提供）制成，是當前世界上屋蓋跨度最大的膜結構構筑物。而ETFE則主要用于充氣枕結構當中，如“水立方”國家游泳中心(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 年上海世博會陽光谷
圖6 水立方國家游泳中心
塑料板材易于加工、價格便宜、樣式繁多，被大量應用于建筑表皮。材料生產商以塑料為原材料生產出豐富的板材產品，如蜂窩板、夾心板（詞條“夾心板”由行業(yè)大百科提供）、復合板等，可供建筑師自由選擇。弗洛里安·納格勒(Florian Nagler)設計的德國博賓根(Bobingen)考夫曼霍茲公司貨物儲運中心(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、結構硬度強，創(chuàng)造出良好的視覺效果。
圖7 考夫曼霍茲公司貨物儲運中心
2塑料性能與表皮應用
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。工程塑料早期被應用于工業(yè)產品中，是指有著較高的強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗衰老特性，能夠被用做工業(yè)零件或產品外殼材料的工業(yè)用塑料。當塑料制品作為建筑外墻材料使用時，需要考慮重量、靜力學、隔熱、隔聲、耐候、光學特性、防火（詞條“防火”由行業(yè)大百科提供）、機械應力、抗化學能力、溫度范圍等性能。這些參數(shù)對于一個功能技術合理、滿足基本圍護要求的建筑外墻來講十分重要。輕質、耐候、抗腐蝕，具有一定的材料強度和正常使用溫度范圍，保證了塑料產品可以被安裝并長久使用;隔熱、隔聲、良好的光學特性，保證了建筑室內的舒適度;一定的防火等級和抗沖擊強度，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
計算機和材料的發(fā)展帶動了數(shù)字建構(Digital Tectonic)的興起，近10年數(shù)字技術和設計得到突飛猛進的發(fā)展。雖然清華大學徐衛(wèi)國教授對“數(shù)字建構”定義時，強調了結構邏輯和材料邏輯的重要性，可當前的數(shù)字建構探索更多地導向了表皮和新造型主義標簽下的數(shù)字設計和建造元素。這種新的造型元素的實現(xiàn)則更多依賴于新材料的使用。塑料作為一種可塑性極強的新興材料，通過對成型工藝的控制，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，精確的加工技術可以實現(xiàn)復雜的造型。在3D打印技術興起后，塑料和樹脂作為常用原材料，發(fā)揮了更為廣闊的作用，實現(xiàn)了從數(shù)字模型到實體產品的直接輸出。雖然目前3D打印建筑技術還不成熟，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打印建筑正在實驗當中。
當今世界許多主流建筑事務所(如SOM、KPF、Aedas)都設有建筑數(shù)字技術研究團隊，扎哈·哈迪德(Zaha Hadid) 事務所的數(shù)字化研究團隊CODE在公司內具有十分重要的作用。在計算機技術和結構工程師的配合下，塑料幫助這些團隊實現(xiàn)了各種三維造型和曲面圖案。扎哈·哈迪德為香奈兒設計的移動藝術館(Mobile Art Pavilion for Chanel)(圖8，9)，采用流動的幾何形體和有機的線條組成了一個流動且充滿張力的空間。主體為鋼結構（詞條“鋼結構”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，創(chuàng)造出扭曲、 起伏的造型。
圖8 香奈兒移動藝術館
圖9 香奈兒移動藝術館平面圖
建筑外立面采用通過模具成型的增強纖維塑料(FRP)(圖10)，質量輕、強度高，對大氣、水和一般化學溶劑有較好的抵抗能力。增強纖維塑料可根據(jù)需要設計出各種形狀的產品，可塑性好，成型工藝多樣，可在表面復合多種裝飾面。
圖10 香奈兒移動藝術館 FRP 塑料表皮
移動藝術館屋頂主要采用聚氯乙烯(PVC)復合膜材，采光天窗使用ETFE透明結構膜材。PVC膜是三大復合膜材之一，白色不透明，用于屋頂遮擋陽光。與PVC復合膜不同，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95%，用于屋頂充氣枕結構，采光良好。組成移動藝術館表皮的塑料材質依據(jù)網格劃分，通過計算機計算出最優(yōu)結果，經高精度加工制造而成。建筑的實現(xiàn)有賴于數(shù)字技術的精確控制，也依賴于塑料材質的超強可塑性。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。
2.2 柔韌性與膜結構
塑料板材雖然可塑性很強，但無論是熱塑性塑料，還是熱固性塑料，都應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，可依主體結構塑造各種形態(tài)。塑料膜材是一種高分子復合材料，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到鋼材強度的一半，PTFE膜材料的拉伸能力與鋼材相當。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，因此形成了獨特的膜結構建筑，可塑造出復雜的曲面形態(tài)。塑料膜材常采用充氣的方式或鋼骨架對其進行支撐、牽拉和固定，故按結構可分為充氣膜和張拉膜兩大類。
充氣膜結構常使用ETFE膜材料，將空氣充入氣囊形成基本構件，再將基本構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)設計的伊甸園項目(Eden Project)(圖11)，赫爾佐格和德梅隆(Herzog & de Meuron)設計的慕尼黑安聯(lián)足球場(Allianz Arena)(圖12)，和“水立”國家游泳中心等。
圖11 伊甸園項目
圖12-1 慕尼黑安聯(lián)足球場
圖12-2 慕尼黑安聯(lián)足球場
張拉膜建筑又稱索膜結構建筑，是通過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年設計的千年穹頂(Millennium Dome)(圖13)采用了張拉膜結構，由玻纖織物基層及白色PTFE涂層復合膜制成，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復合膜被固定在鋼索之上(圖15)，覆蓋了巨大的內部空間。獨特的張拉膜結構顯示了建筑技術與塑料材質的發(fā)展水平，其索膜結構設計采用哈潑德事務所開發(fā)的Tensyl程序完成。由于張拉膜一般需施加預張應力，因此在一定的初始條件(邊界條件和應力條件)下，其應力分布與變形等復雜問題需要計算機來確定，所以計算機技術的快速發(fā)展為張拉膜建筑的應用開辟了廣闊的前景。
圖15 千年穹頂結構與膜連接節(jié)點
2.3 透明性與空間氛圍
許多塑料都有很好的光學性能，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(Phenomenology)興起以后，人們更強調身體對建筑的感知，以敏銳的情感體驗建筑，所以建筑師對光線和透明度的把握也愈發(fā)重要，這給塑料發(fā)揮其光學性能提供了很好的機會。梅洛·龐蒂(Merleau Ponty)提出的知覺論，認為身體是感知、體驗和知覺的機器。斯蒂文·霍爾(Steven Holl)受知覺論影響，認為建筑與其他藝術相比更能全面地將人們的知覺引入時間、光影與透明度的變化當中。在塑料中加入透明劑，可靈活改變塑料透光率，控制光線進入量，同時還可以改變材料質感，觸發(fā)感知變化。這就是塑料表皮對空間氛圍塑造所起的重要作用。
赫爾佐格和德梅隆設計的利口樂(Ricola)歐洲工廠和倉庫(圖16)，采用半透明灰色聚碳酸酯(PC)空心板，使自然光經過濾后進入建筑內部。聚碳酸酯板表面使用絲網印刷技術，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，并把自然質感引入建筑(圖18)，使建筑與外部環(huán)境產生了抽象的聯(lián)系。赫爾佐格與德梅隆說： “我們希望建筑能打動人，但并不表現(xiàn)這樣那樣的觀念， 而是要用質感、肌理、空間、光線去塑造空間氛圍，讓進入的人用身體去感知體驗。”
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塑料表皮的未來發(fā)展
塑料在建筑外墻上的應用不過半個世紀，就已經產生出如此多樣的構造形式和立面效果，未來必將有更廣闊的發(fā)展空間。塑料工業(yè)未來的發(fā)展趨勢多元：微型化、更加節(jié)能的加工工藝和技術、生物塑料、時尚材料、可降解、物理化學性能更優(yōu)化、更美觀、復合型材料等。塑料性能的改進和變革將影響建筑外墻的建造和設計，可能引發(fā)建筑技術的再一次革新。
當前，建筑外墻的發(fā)展正趨于智能化和自動化。裝有控制裝置的多層建筑表皮將自動調節(jié)光照與通風，保證建筑室內舒適度。貼有光學多層薄膜的塑料外墻已經可以自動減少光線進入室內。而時尚塑料的發(fā)明將使得建筑外墻更加智能化。所謂時尚材料是指根據(jù)環(huán)境變化，其剛度或其他性能可發(fā)生變化的材料， 時尚塑料將能自行控制光線、 應對環(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。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重要的研究課題，并已經取得一定進展。塑料的循環(huán)利用和可降解將減少對環(huán)境的破壞作用，節(jié)約能源消耗。塑料的生產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、保護生態(tài)、改善居住環(huán)境、提高建筑質量。美國加州BioLumber公司最新發(fā)明的“塑料木材”比傳統(tǒng)木材強度更高、更耐用，且質量輕、成本低。
我國雖然在建筑外墻中運用塑料起步較晚，但發(fā)展勢頭強勁。以2010年上海世博會為契機，將建筑外墻應用塑料的實踐提升到一個前所未有的高度。北京市建筑設計研究院有限公司胡越工作室一直對材料比較關注，又由于上海青浦項目的機緣，對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目研究的總結，為其他建筑師提供了參考，也將引發(fā)更多人對塑料在建筑中應用的關注和研究
注：本文系原創(chuàng)，轉自《建筑幕墻》2017年7月總第6期雜志。
