建筑工程弯曲表面与新材料加工工艺初探
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【摘 要】本文介绍各种弯曲表面工程的技术特点和针对不同的建筑外表面材料进行双曲面加工的可行性及方法。
【关键词】弯曲表面工程；工程外帷幕设计；表皮分析；拟合设计；双曲板材加工
一方面，新潮的建筑设计理念和思想不断的挑战工程技术实现性的底线；另一方面，也正是设计师们在建筑艺术领域的“奇思妙想”推动着现代工程领域新技术风起云现。
弯曲表面是建筑工程各种复杂表面中最具艺术表现力一种表面形态类别。我们可以把弯曲表面按普通几何学概念可以分为：单向曲率表面和双向曲率表面。我们也可以把弯曲表面按其数学属性分为：可以进行函数表达的数学性曲面（简称数学曲面）和不能用函数表达的非数学性曲面（简称非数学曲面）两种。
传统的建筑工程弯曲表面的实现是依靠混泥土现场浇铸成形。其技术实质是弯曲模板设计及弯曲模板安装技术。现代建筑工程已经过渡到以龙骨“找形对位”加上板材拼接这种幕墙构造技术。这是由各种新构造方式和各种新型材料整合而成的建筑幕墙（含屋面）工程技术，包括各种装饰幕墙、功能幕墙加上装饰屋面采光窗等等。这些涉及建筑外表皮的工程技术现在统称为建筑帷幕工程技术。基于弯曲表面建构的建筑帷幕体系，当然是帷幕工程技术体系中难度极大的那一部分。
实际工程中，大多数建筑帷幕工程的大部分作业面上，主要是以平面板材来拟合弯曲表面完成的。还有一些使用单曲表面板材拟合双曲表面的工程实例。基于双曲面表面工程技术实现性本身以及经济条件和时间要求等因素，工程实施过程是一种对设计师完美的设计构思的逐渐妥协的过程。
弯曲表面建筑工程帷幕技术的支撑是各种建筑外表面材料的加工技术，以及和各种板材相适应的构造连接系统。带有曲面特性的建筑外帷幕设计和施工技术实施过程中，利用计算机三维技术进行表皮分析、选定板材材料、板材分割方式和拟合方式是重要步骤和因素。
首先应用计算机软件对建筑模型信息进行分析。目前工程外帷幕设计领域较为常用的计算机三维设计和分析软件有：Auto CAD、SolidWorks、PRO/E、Rhinoceros等，其中Rhinoceros以其功能强大，分析能力强而快速且广泛的流行。确定建筑表皮曲面的类型、分布、界面因素、基本材料要求、曲率变化范围等等。在对建筑整体表面简单分析后，简单的估算是否需用曲面板及所需曲面板材的位置和面积，单曲还是双曲。
所有类型的板材加工难度和开材率不同体现出不同的就经济性。从经济性考虑，优先选择的次序为：矩形板、梯形板、三角板、单曲板、双曲板。这个选择决定建筑表面板材的划分和拼接方式。
建筑外帷幕设计中，任何双曲面的工程外表面，我们都可以理解为是“理论”表面。也是基于对经济性考虑，我们要优先选择平板和单曲板。将平板或单曲板模拟出“理论”表面那种双曲效果的过程就是拟合设计概念。拟合设计中，需要关注的问题比如有：
1、有矩形板和梯形板共面问题，这取决于理论表面曲率大小。
2、单曲板排板方向问题，这取决于理论表面不同方向不同曲率情况。
3、板块间拼缝还是搭缝，缝隙大小，通缝还是错缝。这些取决于建筑效果和防水构造要求。
4、如何收边收口，收边收口范围多或少。这些取决于建筑效果和防水构造要求。
以某工程任意双曲面异形柱为例，该工程表面选定铝板为表面材料。首先将建筑设计原始资料Rhinoceros进行分析和微调整，然后将数据导入CAD中归纳成工程图，所有控制点在CAD中精确定位，坐标列表。选定曲率变化最复杂的地方，深化构造系统设计，同时提供三维数据给厂家、曲板加工。等比例模型制作，确定最终方案。（图1、图2）
选择建筑帷幕面板主材的过程也是综合考虑上述诸多条件和因素过程，这是一道非常复杂的多选题，几乎不会有所谓的最佳答案。设计者要考量不同材料的加工方式、包含了加工工序的材料价格，也要了解每种材料相配套的成熟的构造方案。设计者也要保证材料表现出来的效果吻合或接近建筑艺术要求，甚至还要熟悉不同材料的技术参数等等。
现代建筑材料加工技术已经发展到一个相当的水平，大多数板材就平面和单曲面来说，加工并不难。但不管哪种材料，双曲板材的加工还是一个非常值得探讨的技术难题。目前常用的双曲面板材的加工方式主要有冷加工、热熔、常温浇注挂板、薄膜等四大类。涉及目前外装饰工程所有面板材料种类。
1、冷加工，也就是常温机械方式加工。双曲面材料的冷加工主要有冷弯和机加工两种。
1.1 冷弯：冷弯是指平面金属板材在外机械力的作用下局部伸展导致整幅板材变形的过程。冷弯材料表面必然受拉，材料的延展性能要求高。所以主要应用于金属板材，如铝板、不锈钢板、钛板等。限于金属材质一定范围内的弹性模量以及板块尺寸和厚度差异。加工时施加外力的方式有四种： 捶打、辊压、冲压、拉弯
传统的手工方式还在普遍应用中，就像我们看的的大多数室外不锈钢雕塑外皮的制作一样。由工匠用木槌，捶打沙子上的板材逐渐成型。捶打成形方式是目前最经济的双曲板加工方式，特别是对于那些任意曲率的板材来说。辊压普遍应用于单曲面板材加工，也可以用于圆环面、旋转面这类数学属性双曲面板材加工。冲压方式对机床和模具的强度要求很高，一般用在标准化程度很高的汽车、设备、电器等工业上，极少用于建筑工程领域。
机械拉弯方法制作工程用双曲金属板是目前最为可靠的方法。首先要用钢材制作胎架或模架，然后用夹具夹持两侧板边实施拉力，通过持续的拉力使板材依附模具变形弯曲。板材腹部拉伸产生类球面曲面，板材边部拉伸产生马鞍形曲面。板材成形后切边打磨，焊接或栓接背筋定型再表面处理。板材成型的控制精度取决于胎模的制作，板材加工成本高低也关系到胎膜的规格数量，因此，胎模的制作技术是双曲金属板材加工的关键。目前已经出现较为先进的点矩阵式万用模具床，可以模拟任何曲率的曲面形态，大大节省了普通胎模加工的工序和成本，尤其是每板异形的差异性板材工程。只是目前这种模具床还是半机械控制，相信以后会逐步实现电控和数控。
金属板材因其良好的耐久性的稳定的外观效果在任意曲率表面和自由曲面工程中愈来愈多的出现。其中双曲面铝板的案例略多，如：深圳机场T3 屋面天窗周边的应用。双曲面不锈钢板因钢板强度大难加工，原板价钱贵等因素，目前国内仅有工程实例是新落成的深圳华侨城欢乐海岸创展中心。该项目应用2MM的316不锈钢板，双向曲率，密拼缝做法，制作精良，堪称世界范围内现代外帷幕技术最高水平的代表。
1.2 机加工
将材料上车床加工，用机械手段将原材料“打磨”加工成所需的曲面效果。这种方法单件精度高，适用于石材等天然材料且在少量范围内使用的工程。但是在大面的工程使用中受限制大，时效性非常差，加工费巨大。2010年落成的广州歌剧院的外装饰石板中锥面板和双曲面板就是用这种方法加工成的。该项目曲面板加工量近万平米，且每块异形，无法备片。
2、热熔
2.1 金属浇铸
铸钢、铸铝。对于成千上万个幕墙板材或构建单元，为追求良好的外观精度，或者对于极难处理的某件或者某几件单元，在有限条件下可采用这种方法。单纯的表面板材且大量使用的还没有工程实例。
2.2 玻璃热弯
将玻璃高温处理放置在矩阵式弯曲胎模上，利用重力自然下落依附胎模成形达到设计要求的曲面效果。目前这种数控热弯炉的应用已经很成熟。但目前双曲玻璃板应用于工程实例的最大问题是：基于工程规范要求，工程玻璃板块往往采用和片的方式将两块玻璃片胶合在一起。两片弯曲玻璃曲率上的微差，和加工精度不够的因素导致合片失败，或合片不久后开胶脱离。采用单片玻璃的成功几率远大于两片玻璃合片，但应用于工程领域的范围就很有限。
透明玻璃加上自由双曲面这两个设计概念的叠加足以让建筑设计师们为之痴迷。国内比较成功的工程实例是北京首都天文博物馆出入口，但这么多年来尽管需求很大，鲜见其他成功的实例，最主要原因是：受限于玻璃固有特性、加工结果的随机性比较大、规范制约等等。
2.3 人造复合材料
可丽耐，又称人造石。可丽耐成形容易，效果好，目前的进口材料已经能经受大气和紫外线等影响，可长期使用。国内尚无该材料双曲板的工程实例。
玻璃钢，以前主要是游艇制造方面普遍使用。其材料质感、表面色泽和光洁度给人华丽的印象，但防火性能不佳，工程领域使用范围受限。
上述两种材料弯曲板材加工都是依靠木质底模，人造石是加热软化后利用风压压附在底模上成形。玻璃钢是在底模上用玻璃纤维和胶多层多次反复粘接涂刷，最后硬化后脱模成型。
3、常温浇注挂板
以GRC 及GRFC 为例，用木模放样成所需曲率曲面，浇注凝固后即可获得所需的曲面板。这种方法最容易实现双曲面，往往大面积用于外墙内饰，造价相对经济。但从目前国内厂商的实践成果来看完成的品质相对较差，表面质感相对粗糙。GRC工程技术近几年在国内外发展很快，已经出现双曲面板材应用的实例，如新加坡怡丰城
4、膜
张拉膜或者充气薄膜可以比较自然的达到自由曲面效果，大量应用于体育建筑、会展建筑、城市小品和临时构筑物。膜结构所形成的曲面有其独特的形式特点，它属于材料自应力成形，所能达到的造型受力学原理约束。一般张拉膜是马鞍形曲面类型，充气薄膜是类球面造型。
就其独特的艺术表现力和难以估量的经济代价来说，双曲表面建筑工程对项目操作者来说就像是一把“双刃剑”。双曲表面建筑外帷幕工程完美的达到设计效果和使用功能往往是工程技术上的的重大挑战。它依赖于管理者前期充分的调研考察、设计人员丰富而又综合的专业素养以及专业施工、专业加工厂家的倾力配合，种种因素缺一不可。