瑞士NEST HiLo模塊建筑利用數字化技術建造弧形薄殼混凝土屋面
NEST(Next Evolutionin Sustainable Building Technologies,即可持續建筑技術的再升級)是全球第一個模塊化創新建筑。整個NEST項目融合了材料、能耗研究、數字化建造、自動化施工、機械和數據挖掘在建造和系統運營中的應用,是跨專業合作領域的最新成果。
HiLo是Nest大樓位于瑞士Duebendorf兩所研究機構(Empa和Eawag)的第八個模塊,是蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich & Block Research Group)的高迪式弧形殼屋頂實驗,旨在研究使用輕質柔性模板噴涂紡織增強薄混凝土的可行性。
Nest Hilo結合了中世紀建筑原則和未來主義的建造手法:兩層高的建筑模型形式受到了過去建造方式的啟發,并在其中使用了最先進的數字化設計和制造技術進行規劃和建造。
由建筑及結構學教授Philippe Block、建筑及建筑系統學教授Arno Schlueter與科研團隊在該模塊中共同探索了輕質結構、高效施工與智能化和自適應建筑系統的結合,并研究出如何以此減少建筑行業的碳排放問題。
在Next Hilo中的薄殼混凝土屋頂是一個由碳纖維加筋混凝土建成的三明治殼體結構,混凝土夾層由兩層薄薄的鋼筋混凝土打造,并由混凝土肋及鋼錨進行連接。為了大量減少模板材料,屋頂采用了柔性模板,模板由一個張緊的索網構成,覆蓋有一層薄膜,混凝土會被噴灑到薄膜上定型。
屋頂覆蓋太陽能光伏板,其中集成了暖通系統。這個屋面為反向曲率曲面,表面積大約160 平方米,覆蓋面積約120 平方米,5個支點分布在兩層樓不同位置。
在這個三明治結構中,上下表面混凝土薄殼夾心聚氨酯泡沫,這既阻斷了薄殼結構與立面相接處的熱橋,又給薄殼提供了一定的結構高度。這三明治殼結構的平均厚度8厘米,跨度6-9米。
織物模板系統是建造雙曲率薄殼屋面的核心創新點所在,該團隊在 20米 x 10米 x7米的邊界框內組成了張緊的索網和剪裁織物作為模板。這套模板系統僅需要少量的材料,非常容易運輸,并且大部分材料可回收利用。除此之外,固定于周邊支撐結構的索網作為混凝土的柔性模板,并不占用其下方的空間。
總體的建造思路是:通過張拉錨固于周邊梁的索網,承托起織物模板,再將混凝土噴于其上。由于織物模板也是柔性的,其表面會在混凝土自重下形成一個個的“枕頭”,這形成了一種獨特的屋頂內表面肌理。索網和織物模板可以自由構建各種反向曲面,并且剪裁容易,體量輕,這體現出很大的實用空間。
為了最大程度的發揮薄殼結構靈活性、高效性和美觀性,以下兩點在本項目中非常重要:第一,找到在工程限制條件(支點位置,凈高等)允許范圍內最優的殼體形狀;第二,施工過程中通過控制和調整柔性索網內的拉力來保證在混凝土澆筑后殼體能夠達到預先設計的形態。
HiLo的輕型纜索系統通過使用筋強化的索道殼代替平面板塊,因此相比于傳統的鋼筋混凝土樓板,這一架構節約了70%以上的材料。數字化的生產方式讓通風、冷卻和低溫加熱系統集成于地板結構之中,從而進一步減少了建筑所需的材料和體積。
以下三張圖片展示了室內局部屋頂的肌理造型和模板
此外,HiLo模塊還配備了自適應太陽能幕墻,這一架構由30個光伏模板組成。這些靈活的模板還可以用于控制進入房間內的自然光量。因此,建筑可以被動加熱,也能減少制冷需求。
HiLo代表著“高性能-低排放(High performance – Low emissions)”。而建筑模塊則允許研究人員測試如何在建筑物構造和運營設計方面節約能源和資源,并確保建筑空間和舒適度。一共有超過150家來自學術界,工業界,公共事業的機構和公司參與到了NEST項目中,不僅涵蓋了建筑、材料、和能源相關機構,還有眾多的科技公司。
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