工程实践丨苏州博物馆西馆石材幕墙创新设计探索
图1 效果图
苏州博物馆西馆石材幕墙创新设计探索
苏州博物馆西馆是苏州博物馆设立的分馆，位于苏州高新区狮山广场，占地 3.76 万 ㎡，建筑面积 4.3万 ㎡。外幕墙面积 3.89 万 ㎡，西馆的建筑理念来源于苏州古典民居及富有烟火气息的街巷里弄。整个西馆由 10 个边长约 25m 的立方体构成的建筑群，这样的建筑体量和传统小体量的东吴民居相呼应，契合了以历史为内涵的博物馆特质，各个立方体间距约 5.8m，由玻璃连廊衔接连通，这样的连廊唤起人们对于传统苏州民居之间的窄巷小道的回忆。图 1 是建筑方案效果图，图 2 是完工后的实景照片。对于建筑外立面选用何种材料来体现传统苏式建筑的风貌，gmp 方案主创建筑师有他独特的想法。
中衡幕墙设计中心的设计师团队参与了整个项目幕墙从方案到施工图到过程管控的全过程设计服务工作，从中也收获了技术的成长和积累。
图2 完工实景图
方案研究
gmp 方案建筑师的设计原意是想要用苏州传统民居的建造工法-砌筑来实现外观效果，而砌筑材料则选用了灰色石灰石，砌筑效果要求石材厚度是等厚的但进深有 2 种不同规格的这种砌筑工法在欧洲的应用比较普遍，他们给出的参考建筑如下图 3 的巴塞尔美术馆，工艺要求如图 4。针对方案建筑师的要求结合业主前期对造价的控制要求中衡幕墙设计中心的设计师团队在方案设计前期做了不同材质的材料施工工法的研究和分析，并做了 3 种实样样板做对比。
图3 巴塞尔美术馆
图4 安装工艺示意图
石材砌筑叠拼
● 竖向穿筋石材砌筑
竖向设置钢立柱，间隔一定距离设置横向角钢承托石材自重，石材开孔穿竖向锚筋（图 5），满足石材的抗风性能，石材板块之间空缝不设粘结材料，此方案传力路径直接可靠，但施工比较费时，费人工，安装时效低。
图5 竖向穿筋石材砌筑安装工艺图
● 横向穿筋石材砌筑
竖向设置钢立柱，间隔一定距离设置横向角钢承托石材自重，石材不开孔，石材板块间用砂浆粘结，中间配置横向拉结筋抗风，此方案施工比较容易省人工效率高，但传力路径模糊，有安全风险（图6）。
图6 横向穿筋石材砌筑安装工艺图
对比了上述两种工艺：竖向穿筋的安全可靠性高一些，但是加工复杂性增加，横向穿筋类似于传统砖砌工艺，逻辑上拉结筋并不能起到真正的拉结作用,其优点是方便施工，但其抗风压性能有待验证。
石材小单元干挂
将厚度截面不等的小石材条模拟自然错缝背衬拼接成小单元再干挂至龙骨系统上，其特点是石材小单元工厂制作，质量可控，缺点是龙骨和背栓用量密集，成本高（图 7-9）。
图7 单块石材小单元干挂安装示意图
图8 石材小单元组合干挂安装示意图
图 9 石材小单元干挂安装节点纵剖（左留缝右密拼）
预制混凝土砌筑构件方案
将厚度截面不等的预制混凝土条模拟自然错缝用砌筑工艺去实施（图10-14）。
图10 预制砌石构件干挂安装纵剖节点
图11 预制砌石构件干挂安装横剖节点
图12 预制砌石构件干挂安装正视图
图13 预制砌石构件干挂安装俯视图
图14 预制砌石构件可模拟的石材肌理
（1）预制混凝土砌筑构件横向上设计为一块到几块砖进行组合形成不同模数，竖向仅为一块砖，实现石块任意混搭的外观效果。
（2）预制混凝土砌筑构件竖向拼接设置为凸凹造型，安装时进行咬合拼接。竖缝通过启口内的砂浆做到防水密拼。
（3）预制混凝土砌石构件内部做空处理，减轻构件自重，降低建筑附加荷载，减少钢架用量。
（4）预制混凝土砌石构件内部做空部分穿拉结钢筋后回填砂浆，回填的砂浆会与横向拼缝的砂浆形成砂浆拉结网，使立面砌砖拉接更为牢固。
（5）预制砌筑构件的表面效果：采用德国混凝土饰面露骨料仿石技术，预制砌石构件表面可实现仿天然砂岩、天然石灰岩、天然花岗岩肌理。
（6）预制砌石构件采用德国进口饰面保护剂，可耐污染、耐候、防水。
此方案特点：工厂化制作品质可控，外表质感可塑性强以易于维护，但非真石材。
样板实践
根据上述三种设计方案中衡幕墙设计研究中心设计师团队想法设法，组织策划现场做了三块视觉样板，如图15，16所示。
图15 现场三个样板展示
图16 从左至右：石材 1 干挂-石材 2 砌筑-预制砼砌筑
经过现场实际对比上述三种材料和安装工艺实样效果gmp主创建筑师还是坚持要用天然石材的砌筑工艺来实现外立面的效果。
实验验证
博物馆十个建筑单体子最高的石材标高达29m，外观效果要求中间不能设砼过梁来承载石材的重量，为确保博物馆建筑可百年传承的安全性目标，针对前述石材砌筑的2个工艺方案中衡幕墙设计师团队提前做了检测板块送苏州工业园区检测中心做了抗风压、气密性、水密性、层间变位能力检测，检测前gmp主创建筑师亲自检查检测板块是否符合设计原意（图17）。
图17; 建筑师检查板块安装效果是否满足要求
测试结果：横向筋拉结和竖向筋拉结均能满足本项目的抗风压等级和层间变位设计要求，因石材缝隙是用特调的砂浆粘结填缝，水密性达不到要求，石材背面缝隙间有水渗透的迹象，但粘结材料没有被拉裂，每个石材小板块形态保持完好，没有拉脱离的现象。由此可见2个砌筑工艺均能满足本工程实际工况的抗风要求（图18，19）。
所有的技术研究和验证工作都已完备，幕墙施工图可以开始设计了，然而我们遇到了成本的瓶颈：做石材砌筑造价大大超出预算，一切打回原形。
图18 园区检测中心安装完成的试验板块
图19 园区检测中心测试报告结论页
方案更新
怎样才是既能满足gmp要求的效果，又能满足业主经济性数据要求的方案呢？中衡幕墙设计师团队对比了一个类似建筑外立面石材项目：德国萨克森州立大学图书馆的石材干挂实例（参考照片如图20-23），先做成本测算，在成本允许的范围内提出了新的厚板开槽石材干挂方案方案。
图20 洞石大板开槽干挂外立面、图21 外立面窗台局部
图22 洞石开槽正面细节、 图23 洞石开槽侧面细节
石材选择
为达到意想中苏州传统建筑的外观效果，gmp最终选择的石材是葡萄牙灰，葡萄牙灰是一种石灰石 ，按国家规范标准要求结合石材强度检测值，最小厚度需要采用35mm厚的，方案要求的开槽效果深度达25mm，根据石材样板的强度报告检测数据结合GB/T21086《建筑幕墙》7.2.1.5的要求(表1），最终确定的石灰石总厚度是60mm的，为避免常规石灰石45度切割斜角后易出现的崩角现象，转角采用整板切割成型以保证阳角的完整性。
石材面板的弯强度、吸水率、最小厚度和单块面积要求 表1
分格研究
为了模拟自然石材错乱的效果，gmp对结合建筑轴网层高的等相关数据对立面石材做细致的排版分析，最终用40种类型的排列组合做出了不同立面看似无序的石材自然排版立面，石材大面尺寸均是1630×333，转角为（385+385）×333 整石有孔洞的立面也是基于40种里的基本排版要素，在需要开洞的位置作对应切割（图24-28）。
图24 40种开槽类型的石材加工图
图25 石材开槽实样
图26 石材开槽细部
图27 完整无孔洞的立面排版
图28 完整有孔洞的立面排版
干挂工艺研究
gmp最终确认的石材板块直板的分格标准尺寸是1630×333，相对窄长，板块间的缝隙要求用砂浆填缝，前面做砌筑试验时已经验证了砂浆填缝的防水效果不是很理想，石材后面的腔体里还是可能有潮气聚集，苏州的梅雨季节更是空气中长期弥漫时湿气，石材的龙骨系统需要有优良的耐腐蚀性能，为此石材用常规的镀锌钢龙骨系统就不适合了，综合对比成本、耐久性以后维护的成本最终选用了铝质的龙骨。确定了龙骨材质针对窄长的石材我们特别设计石材的干挂构造，常规思维一块石材四个挂点四个挂座，本项目的石材60厚重量超出常规，要一下子把4个点都装准有很大难度，而且自重重的因素使石材挂上去如果还有不平的问题很难去纠正到位，针对这些实际问题和困难我们打破传统，将上下2个挂点组合成一个带2个背栓的挂件，上下2个挂座横梁和并为带2个挂槽的一根横梁，用安装玻璃幕墙的精度要求来安装石材，所有龙骨均预配孔螺栓连接，立柱和横梁一次安装精度到位，以挠度控制为要点，石材控制开孔挂件的安装精度，石材安装一次落槽到位，最终实践验证安装精度和质量达到了设计的预期。关于石材背面的防水：没有用传统的防水板，结合本项目多数单体墙体大面连续的特点，外墙保温外侧的粉刷层上做防水涂料，有玻璃幕墙和点窗的四周单独做好防水构造和搭接，石材立柱与主体埋件位置也单独做防水构造，每一处防水在石材安装前均可视可检验是否可靠有效，从而避免所谓防水板穿越上万个螺钉孔后不可控的渗漏隐患。
透光孔位置有些是内外贯通的透光窗，有些是纯装饰的假窗，窗的外侧根据建筑师的要求还有一圈金属窗套，窗套下口还需预留泛光灯具的安装空间，节点需要重点关注石材和窗洞四周的防水，为此我们设计的窗套为定制截面铝型材，四角组框后要求焊接成整框，角部防水密封措施到位。
转角位置石材尺寸是（385+385）×333尺寸相对小，传统常用的方式是用45度拼角胶粘的方式虽然可以省成本但是效果不尽理想，磕碰崩角的问题比较多，博物馆10个单体有40个阳角，成本和效果权衡再三最终业主同意采用整石切割的工艺来体现角部的完美效果（图29-35）。
图29 标准横剖节点（附埋件安装完连接件的防水措施）
图30 标准纵剖节点
图31 女儿墙压顶节点
图32 与玻璃幕墙交接节点
图33 透光孔位置节点
图34 阳角节点
图35 阳角石材实样
施工过程验证
施工过程验证及完工后实景如图36-48所示。
图36 立柱横梁龙骨安装
图37 龙骨安装（预埋转接件的防水措施）
图38 石材板块安装
图39 石材细部-开槽
图40 石材细部-转角
图41 石材有透光孔位置安装过程
图42 石材立面大面安装完成效果
图43 整体鸟瞰
图44 主入口立面呈现
图45 单体组合呈现
图46 带下沉庭院的整体呈现
图47 局部次入口立面细部
图48 透光孔立面细部
干挂石材幕墙要点
（1）方案阶段就做成本对比：成本不仅仅是材料，还有时间效率成本，返工维护成本，年久难修的成本，龙骨或挂件锈蚀石材脱落的成本；
（2）石材的选取须先复核石材强度的检测报告，花岗岩、石灰石、大理石材质要明确，表面的肌理要明确；
（3）石材的厚度兼顾不同肌理材质严格按规范取，板厚不做负公差；
（4）开放石材龙骨系统推荐铝龙骨+墙面防水；
（5）龙骨预打孔，螺栓配孔连接，安装精准质量好；
（6）现场巡视每个环节可见可查可测，质量可控；
（7）横梁与立柱连接强度和抗扭控制、挂点位置的挠度控制在设计阶段精准计算 ；
（8）防水控制点提前做，完成后做淋水验证；
（9）石材孔位等厚加工控制措施；
（10）背栓需要选择适配的构造形式，施工前须做拉拔力检测；
（11）幕墙下口设置排水暗沟-提前和建筑、结构、景观专业明确构造。
结语
开放石材幕墙系统本人最早从2004年就开始设计实践，传统的钢龙骨加镀锌钢板防水板的方式一直存在着钢龙骨安装不平整无法调校，防水板搭接构造工人安装无法做到严谨密合，防水板外侧成千上万个挂件的安装连接孔的防水如何保障一个不漏？特别是镀锌钢板防水板到最下口与地面交界处如何做到完善的封闭，如何避免地面潮气对切割边孔洞得锈蚀侵害，一直在探索改进，近十年经过多个项目实践，论证下来还是铝合金素材龙骨系统加背栓来做外观质量、安全性、经济性能得到综合性的把控，苏州博物馆西馆石材外墙采用特色设计的铝系统背栓干挂系统，通过前期充分的研发、论证、精准的设计将施工技术的落地做到完善可控，看似无痕的技术我们可以从外观的精致表现中可以窥见一斑。目前此项技术已在申请专利中。也希望给同行设计师给予一点启发，也欢迎大家一起来交流讨论。
关于成本控制也有些感悟：项目在初始方案阶段就要去测算成本，一个不差钱的项目业主可能都没有算过要花多少钱，往往到到施工图阶段了发现理想和现实差距还是有点大，于是反复折腾修改方案，而设计师的人力成本时间成本仿佛是业主眼前刮过的一阵风。成本不能只顾眼前建造阶段的材料成本，每种用材都需要综合考量需要经受时间的考验而历久弥新，曾经参观过德国包豪斯校舍，一百年前的门窗因设计选材的恰当开启五金原理简约适配维护简单至今能开关自如，百年建筑需要依靠每个工艺工法每个材料每个环节的精心打造，而设计师的核心价值是潜心研究工艺工法把关每个阶段每个环节选用的可靠性。幕墙设计好比是建筑的裁缝如何量体裁衣如何选材如何比例搭配，虽然过程繁琐，问题频频，但当最终建成建筑效果完满体现的那一刻成就感还是倍感骄傲的，这也是支撑我在设计这条路上一路走下去的力量源泉。愿我们共同努力，一起携手打造更多经久美观的建筑作品。
项目幕墙设计团队主要成员：沈筠、张成宝、许峰、陆体操、王进春、张北海、吕桂林；
图片来源：项目完工照片由中衡视觉中心秦伟老师提供，过程照片和参考项目照片为作者提供。