由于受到当代互联网思想和数字时代新思潮的影响, 如今的建筑结构设计和施工过程中数字技术得到越来越广泛应用。传统的功能化建造这种割裂式的单一、以人为主导的建造思想,已经无法解决日益复杂的人居环境问题,从而造成在建造过程中人、建筑与环境、形式和功能的矛盾也越发尖锐。平等和联系的思想一次又一次被提出。Aibar Eduard指出Bruno Latour提出的行动者网络理论(Actor-Network Theory,即ANT)是正确的,事物不应被独立地看待 ^[1]。后Hensel认为,建筑、环境与使用者都在以一种“活跃的机能”的相互关联方式来展现“性能表达”的过程……建筑可以是“空白”的,但同时也“指向”一种“新的社会形态与制度形式”的可能 ^[2]。因此性能化建造这一概念应运而生,性能化建造区别于传统的功能性建造,它不是一种简单的设计方法或者施工工艺,它更像是一种理念或一种思想渗透到从立意到后处理整个建筑的建造流程中。性能化建筑设计理念的提出和发展,在近十年来的参数化建筑设计领域产生了重要的推动作用,并引起了国际上建筑领域的广泛关注。Rivka Oxman认为随着性能化建造的发展与成熟,它有望从根本上改变人们对建造的看法和理解 ^[3]。

　　 虽然性能化建造这一概念在国际上已经提出,但在我国这一概念还未被广泛接受,于2019年,袁烽才系统地总结了性能化建造的概念,并回答了性能化建造何为这一关键问题 ^[4]。

　　 综上所述,我国在性能化建造方面的研究还较为浅显,本文基于河北省第一届园林博览会主展馆的建筑实例及其整个建造过程,对性能化建造的具体内容和过程进行阐述,展现出性能化建造的优秀成果。

　　 物质自身具有属性与能力,其形式的出现是一种由规则迭代的生成过程,在受到特定外界因素影响时,物质会为了达到最优的性能表现而不断自我演变,以趋近于某种特定的形式结果 ^[5]。物质也有能动性,这是性能化建造这一概念的基础,这也造成了性能化建造与功能化建造最大的不同。在性能化建造的概念中环境与建筑不再是人的附庸,而是脱离了被动式背景,与人类主体同等重要的存在,即三者均为主体且三者平等,平等是性能化建造的核心思想之一。联系是性能化建造的另一个核心思想,性能化建筑的联系又不仅简单局限于建筑、人、环境等主体的联系,也包括“形式”与“功能”的联系。随着社会分工的进一步深化和新工业思潮的广泛传播,“形式”与“功能”矛盾日益激化,但是两者并不是天然对立的关系,功能中有科学性的工程性能,形式中亦有艺术性美学的表现,故如何找得到形式和功能最平衡的点,从而建造出完美建筑,是所有建筑设计师和结构工程师都迫切关心的问题,因此性能化建造为这个问题提供了可行的解决方案。

　　 总的来说性能化建造就是基于算法的大数据分析时代,将多因素整合在一起共同作用,能自我完善形成非线性建造的建造过程。性能化建造将建筑、环境、人等主体平等、不孤立地看待,激发出除人外的其他主体的能动性,不同于功能性研究的线性建造过程,性能化建造各个流程相互影响,从而将整个建造过程形成一个螺旋上升向完美建筑不断逼近的闭环,如图1所示。

　　 河北省第一届园林博览会(简称园博会)于2012年5月至10月在石家庄举办。园博会建设选址位于石家庄市正定新区的主轴线上,行政中心南侧,是整个区域最为集中、面积最大的一块公共绿地,主展馆(图2)位于园区的东北角,主入口的北面,位置显要,它是园区中唯一的永久性展览建筑。主展馆地基采用CFG桩处理,处理后复合地基承载力特征值不小360kPa。主展馆占地面积10 686m²,总建筑面积21 565m²,地上3层,结构主体东西方向长146m,南北方向长131m,建筑物总高度39m。采用双表皮建筑,建筑外表皮与建筑主体之间脱开。该展馆于2010年初开始规划设计,2011年5月1日正式开工建造,2012年5月1日开园使用。

　　 在该项目中,数字工具得到了充分使用。在园博会主展馆性能化建造过程中,为了尽量激发人、物体与环境性能,在Sketch-up,Vary,MIDAS/Gen等数字化工具的协助下完成了生形、模拟、迭代、优化、施工一系列建造流程。这些建造流程并不是孤立的而是互有联系、互相影响,形成了一个闭环,如图3所示。该展馆充分展现了性能化建造的过程,本节将结合整个性能化建造流程,对性能化建造的优势和成果进行分析。

　　 为了贴合园博会低碳、环保、智慧的主题并与整个园博会会场的环境相和谐,同时减小设计和施工难度,又考虑到展示空间的参与性与趣味性、使用的灵活性以及展后的合理利用,本展馆设计为双层表皮特殊结构,如图4所示,两层表皮之间的夹层空间为交通疏散以及部分管道空间,内部空间更完整,并形成一个可以“呼吸”的缓冲空间,使空间使用更加灵活多变 ^[6]。

　　 园博会主展馆的设计紧扣园博会的主题,将生物细胞这一理念植入到展馆主结构的设计思想中,象征着生命的机体和活力,并不断地在进化与生长,这也与性能化建造的思想内核不谋而合。结构平面柱网为12m×12m的方正柱网,如图5(a)所示,设备管线按柱网模数有序布置,既经济合理又使用灵活,且方便布展。细胞形结构如图5(b)所示,大小不一的细胞将展馆分成了不同的展区,细胞与细胞之间的细胞液作为公共空间,结合圆形共享中庭形成许多空间; 有的细胞穿出墙外,结合小细胞的疏散楼梯,形成个性化的室外空间。

　　 玻璃幕墙的设计借鉴了六边形的结构(图6),从远处看玻璃幕墙像是钻石,璀璨夺目、珍贵稀有,也象征建筑本身的恒久坚固,从远处眺望整个展馆更像是祈祷之手,象征天人合一,人与自然和谐相处,与博览会主题相扣。主展馆的设计不仅与博览会主题相扣,也与外部环境相得益彰,不仅醒目、突出,且与整体环境相协调。

　　 通过Sketch-up,Vary等数字化工具的应用,设计师们解放了思想,开扩了思维模式,形成了类似钻石的主展馆外形。园博会主展馆的立意、定形充分考虑了建筑、环境、功能和形式的联系,体现了性能化建造平等联系的核心思想。

　　 出于环境条件的不可预判性和环境在性能化建造中的重要地位,模拟成为了性能化建造过程中对环境最为重要的反馈机制。长久以来,建筑的设计范式都依赖于“预判”两字,建筑永远都在为预期的空间使用方式做准备,随着规范的提出、模拟软件的出现、探测技术的提高,这种预判越来越接近现实。

　　 依据相应规范和实际情况,模拟基本参数包括:该地区50年一遇基本风压为0.35kN/m²,基本雪压0.30kN/m²,地面粗糙度为B类; 温差取±25℃; 抗震设防烈度为7度,设计地震加速度0.10g,场地类别为Ⅲ类,设计地震分组为第二组,抗震等级二级。

　　 结构计算采用有限元分析软件MIDAS/Gen(Verson 7.30),对倾斜钢管桁架结构与主体混凝土结构进行整体建模分析 ^[7,8,9]。整体结构X向水平位移云图如图7(a)所示,最大位移和最小位移分别出现在东立面顶点(即钢桁架顶面最高点)和西立面顶点(即钢桁架顶面最低点),最大、最小位移值分别为40.36mm和21.37mm; 弹性水平位移最大值与平均值的比值为1.31。整体结构Y向水平位移云图如图7(b)所示,最大位移和最小位移点分别出现在西立面顶点(即钢桁架顶面最低点)和东立面顶点(即钢桁架顶面最高点),最大、最小位移值分别为15.26mm和6.00mm; 弹性水平位移最大值与平均值的比值为1.43。平面扭转不规则,但尚在规范允许值1.5之内。X向弹性层间位移角最大值1/811(出现在钢桁架顶面最低点),Y向弹性层间位移角最大值1/651(出现在北立面西部位置),远小于规范限值1/250。由于结构复杂且不规则,采用弹塑性时程分析进行罕遇地震下的变形验算,弹塑性层间位移角为1/163,满足规范限值1/50的要求。

　　 另外,还采用MIDAS/FEA对钢桁架应力进行校核,验算结果如图8所示。在模拟基本参数下得到了钢结构最大应力35.56MPa,远小于强度设计值。

　　 模拟阶段产生的性能化结构形式,更好地激发了材料性能,数字化模拟成为连接建筑概念和建筑实体最直接的桥梁。经时间检验,模拟结果与现实情况拟合良好,主展馆已建成8年多,经历了大风和冰雹等极端天气,并未发生任何结构性破坏,说明主展馆这种特殊的双表皮结构形式兼顾了形式和功能的要求。并且主展馆独特的玻璃外墙管桁架结构,虽然结束施工后由于施工误差和施工工艺内力较大,但随着时间的流逝,管桁架内力集中现象减少,位移几乎没有发生变化,发挥了建筑的能动性。

　　 钢管桁架节点均采用管式相贯节点,对关键部位支管相贯复杂的节点进行了有限元分析 ^[10,11]。计算结果显示,未经过优化的相贯节点最大应力为339MPa,如图9(a)所示,节点虽未进入塑性阶段,但已超过设计强度305MPa,不满足设计要求。考虑到该部位为关键节点,应进行加强改善其受力情况。因此,采用加钢套管的方式进行加强 ^[12]。分析结果表明,钢套管可以有效减少管管相贯产生的应力集中的现象,优化后的相贯节点最大应力值为143MPa,如图9(b)所示,已经满足设计要求。图10为施工完成后8年实拍节点图,可看到,除了节点表面发生极小部分锈蚀外,节点并未发生任何破坏,说明了节点的可靠性。

　　 对玻璃幕墙来说最大的问题就是玻璃的脱落,玻璃脱落最大原因来自以下三个方面:1)钢结构本身形变过大导致玻璃脱落; 2)玻璃与钢结构连接不牢固,导致玻璃脱落; 3)玻璃本身的崩坏。本建筑成功地解决了上述三个问题,具体如下:通过对钢结构的变形进行模拟,成功地将其控制在可接受范围内; 设计了新的幕墙节点形式(图11),此节点借鉴了“转轴”的概念,节点处选用了圆形托盘和圆形盖帽收头的形式消除了应力集中,进一步降低了玻璃崩坏的几率,且节点处采用搭扣连接保证了连接质量和连接时效; 选用杂质少质量好的玻璃,从玻璃本身上降低了玻璃崩坏的几率; 六边形幕墙是统一的一个模数,每个三角形大小一致,便于加工和控制造价,其后的管桁架与六边形幕墙的几何角度相呼应,减少了加工杆件的品种。六边形幕墙模数是经过几何图形优化迭代而形成的。新的节点形式做到了结构受力与视觉享受的完美结合,该展馆项目竣工至今已8年多,目前幕墙节点照片如图12所示,未有幕墙脱落现象出现,证明该幕墙节点设计安全可靠。

　　 玻璃幕墙不同标高处做了镂空处理,最下层设置了动物通道(图13(a)),主体建筑外墙部分采用了绿植外墙(图13(b)),这使在城市中栖息的动物可以在主体建筑上筑巢停留,这些细节的改良充分地激发了建筑本身的能动性。绿色外墙和动物通道的存在,使得主展馆会随着外部环境的改变而改变,与环境进一步契合,与性能化建造联系平等的核心思想相统一,体现了园博会的主题和人、建筑、环境平等相互联系的理念,并且充分考虑了形式和功能的相互作用。因此,数字工具的应用和迭代、优化的程序确保了性能化建造设计的可行性和优越性,极大加强了建筑形状和功能的联系,以及建筑与环境的和谐发展,使材料性能和建筑的衔接更加顺畅,从而得到最优的建造方案。

　　 性能化建造在施工过程中的具体表现为绿色施工,绿色施工不是独立于传统施工技术的全新技术, 而是用“可持续”的眼光对传统施工技术的重新审视, 是符合可持续发展战略的施工技术,这与性能化建造的思想一脉相承。

　　 本工程采用绿色施工,完全遵循四节一环保原则(节能、节地、节水、节材和环境保护),如图14所示。施工方组织合理,在短短5个月内顺利完成了整个园博会主展馆的建造工作,在施工过程中施行洒水等措施降低扬尘; 夜间室外照明灯加设灯罩,透光方向集中在施工范围,降低光污染; 在施工过程中对噪声进行监控以保证噪声排放符合国家规范; 对废水废料进行分类处理,针对不同种类设置不同的处理方式; 总的来说,对各类污染方式都进行了严格的控制,使其远远低于规范要求,对环境进行了最大程度的保护,符合性能化建造平等的思想。并且在外墙体采用AAC(蒸压轻质砂加气混凝土)自保温节能砌块,如图15所示。展馆外墙采用节能型可呼吸涂料,保证节省材料,在保护环境的同时又满足了人的使用要求。主展馆建成以来建筑能动性不断被激发,管桁架每个杆件和主体结构单元均未发生可见损伤,促进了人、建筑和环境的和谐发展,符合性能化建造的预期。

　　 由于本建筑采用独特的钻石状玻璃幕墙形式,管桁架结构放线困难,现场较多散件需要安装,高空焊接较多,导致场馆玻璃幕墙尖角处难以闭合,故采用数字生形与GIS技术相结合,成功解决了上述问题。首先依据数字平台建立管桁架结构立体控制网,以施工控制点为基础; 然后分别对建筑物的主轴线和细部进行测设,建立3D放线模型,如图16所示。通过放线模型对放线过程误差进行调控,整个过程遵循“由整体到局部”的原则,避免了误差累积,顺利地解决了尖角难闭合这一技术难题。施工过程中数字化工具的引入使得材料性能得以激发,提高了施工效率,简化了施工过程,符合性能化建造的要求。

　　 性能化建造是一种区别于传统功能性建造的新兴建造概念,是实现性能化建造的一种指导思想。本文结合河北省第一届园林博览会主展馆从生形到施工的整个建造过程,对性能化建造的具体内容和过程进行阐述,得到如下结论:

　　 (1)在立意生形过程中遵守了性能化建造平等联系原则,采用的双层表皮形式既与外部环境相和谐又满足了使用要求,玻璃幕墙的钻石形状和主体结构的细胞形式,既满足了形式要求又满足了功能要求。

　　 (2)模拟过程将人、环境和建筑平等看待,充分考虑了环境的能动性,并与立意生形过程相联系、相呼应。

　　 (3)在优化迭代过程,根据模拟结果和对外部环境的进一步了解以及人的要求,对建筑结构和一些设计细节进行了改良,不但优化了建筑设计又进一步使建筑与环境相适应,体现了性能化建造的联系平等的核心思想。

　　 (4)施工过程中完全遵循四节一环保的绿色施工原则,同时采用合理的施工组织,在合理的工期下完成本工程的建造,数字化工具的引入充分激发了各材料本身的性能和建筑的能动性。