李世賢,王學(xué)勇*,胡琳琳,李曉帆,王琳,張永超

清水混凝土建筑全生命周期解決對(duì)策

李世賢1,王學(xué)勇1*,胡琳琳1,李曉帆1,王琳2,張永超3

1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院, 山東 泰安 271018 2. 山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250357 3. 北京交通大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院, 北京 100044

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(mǎn)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。

清水混凝土; 建筑端需求; 應(yīng)用現(xiàn)狀; 發(fā)展策略

在生態(tài)文明建設(shè)如火如荼的當(dāng)下，清水混凝土因其特有的一次成型、節(jié)省附加裝飾等特性而被譽(yù)為“綠色混凝土”。同時(shí)，其質(zhì)樸天成的表觀效果也迎合了部分業(yè)主和建筑師的審美趣味，逐漸廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁等大型工程。本文探討的清水混凝土建筑是直接以混凝土作為建筑外圍護(hù)材料而進(jìn)行外墻建造施工的建筑類(lèi)型。清水混凝土建筑在我國(guó)普及應(yīng)用的同時(shí)，也在建筑全生命周期中暴露出許多問(wèn)題。建筑師追求建筑美觀性和耐久性的過(guò)程中，對(duì)建筑材料提出了更高要求，這將促進(jìn)清水混凝土生產(chǎn)端優(yōu)化供給，提高產(chǎn)品性能，改變產(chǎn)品同質(zhì)化和施工粗放化等現(xiàn)狀，拓寬清水混凝土未來(lái)的發(fā)展應(yīng)用前景。

1 清水混凝土建筑發(fā)展歷程

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（Building Life cycle Management），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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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（圖1）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55904 m2，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)45.21 m，垂直高20.35 m，洞口面積670.83 m2，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(mǎn)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]。

圖1 上海保利大劇院及立面“洞口”

表1 清水混凝土配合比試驗(yàn)結(jié)果

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(mǎn)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。

《清水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ 169-2009)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(mǎn)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?；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(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(mǎn)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(lài)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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Countermeasures to Resolve the Whole Life Cycle of Fair-faced Concrete Buildings

LI Shi-xian1, WANG Xue-yong1*, HU Lin-lin1, LI Xiao-fan1, WANG Lin2, ZHANG Yong-chao3

1.271018,2.250357,3.100044,

This article outlines the development course of fair-faced concrete building in our country for nearly half a century, studies its exposed problems in the whole life cycle of building, expounds the viewpoint of building end demand leading clear water concrete performance improvement, and analyzes on several directions of concrete performance development with concrete case. The paper puts forward the countermeasures to solve the existing problems in the concrete building, in order to guide the clear concrete to give full play to the performance advantages, to meet the ecological, aesthetic and technical requirements of the building, and to be widely used in the practice of construction engineering.

fair-faced concrete; building end requirements; application status; development strategy

[TU528.36]

A

1000-2324(2019)04-0597-04

2018-03-21

2018-04-28

山東省高等學(xué)校科研發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(J17RA215);山東省藝術(shù)科學(xué)重點(diǎn)課題(1607299)

李世賢(1997-),男,本科生,主要研究方向?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)及其理論. E-mail:mtarchxian@163.com

Author for correspondence. E-mail:wxy199@163.com