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目前，针对装配式建筑技术的发展方向，更多企业开始向国际先进企业学习。通过借鉴海外成熟的技术与优秀项目案例，为提升自身技术指明可选方向。今天戆兮兮将从苹果的新总部 Apple Park 说起，为大家介绍装配式建筑的最新科技及运用模式。 砼 行 作为犀点一大特色，以深入了解客户需求、解决客户痛点为核心目标，整合海内外优秀资源，为中国企业提供项目考察、高效研修、技术与商务交流一体化服务。  今天我来给你讲故事~ 不要走丢咯   苹果的Apple Park (Apple Campus 2)，又名The Ring，外表酷似太空舱，坐落于加州库比蒂诺市，占地280万平方英尺，于2014年动工，作为新办公大楼在2017年4月开始对员工开放。这个环形建筑是一个完美的圆形，周长1英里（1.6公里），直径1512英尺（461米），标志性的圆形办公楼具有地上四层以及地下三层，将会有超过12000名员工入住，每层楼的白色内边缘和外边缘都是人行道，而建筑的内部则是一个占地30英亩（12公顷）的公园，池塘，果树和蜿蜒的小径具有加州果园特色。该设计隐藏了地下的道路和停车位，办公楼的墙壁和内部庭院以及面向建筑外部的景观视窗全部使用玻璃，大约83,000平方英尺（7,700平方米）的空间用于建筑物内的会议和休息空间。  Fig. 2 内部会议室及室外景观 Apple Park是乔布斯生前最后时光的全部心血，在与病魔斗争的晚期，他将精力全部投入到了建筑设计与建造中。这个伟大建筑的设计是由史蒂夫.乔布斯、苹果产品总设计师Jonathan Ive和诺曼.福斯特设计团队密切合作完成的。根据Steven Levy在ONE MORE THING中所透露的手稿来看，campus2最初的设计方案是一个螺旋桨一样的建筑，最后定稿为现在所呈现的环形。此外乔布斯还引入了“吊舱（The POD）”的概念来组成这样一个太空舱式的建筑，这些模块将包括各种配置：浴室，公用设施壁橱和办公室，全部配有地毯和窗户处理。这也给Apple Park定下了一个模块化的基调。 建筑师诺曼·福斯特说，乔布斯关于环形结构的中央绿地的想法来自斯坦福大学四边形校园设计：“低矮的学术建筑，围绕着大型绿树成荫的户外区域，并设有露天通道，人们走在建筑物的边缘，体会精神与灵魂的完美交融。这将是一个工作场所，人与自然互相包容，模块化的吊舱部分，更加速促进团队协作和沟通交流。”  Fig.3 Norman Foster’s sketch of the building’s evolution, from propeller shape to circle  Fig.4 The original concept of POD  身处环太平洋地震带的加州一向对建筑的抗震设计有着较高的要求，加州建筑规范California Building Code，Title 24中，对建筑物的抗震设防设立了明确规范。苹果新办公大楼在考虑地震作用对建筑整体的影响后仅在地上建了四层，并在建筑主体与地面之间加装了特殊避震装置——钢基隔离器。很难想象整艘“太空舱”实际上并没有依附在地面上，工程团队通过钢基隔离器将建筑主体与地面隔离，以减少地震对结构带来的水平和竖直加速度。苹果在起初并没有向外界展示其新办公大楼的地下结构细节，直到今年才有第一批被批准的参观者去到这些地下装置近距离参观，其中纽约时报的记者Thomas Fuller在参观报道中展示了一些设计上的细节。  Fig.5 A base isolator beneath Apple’s new headquarters 这些硕大的抗震装置被安装在地下二层，共692个，位于苹果iPhone和MacBook设计部门的下方。如下图所示，整个钢基隔离器基本上由滑动盘和滑杆连接，最大的滑动盘被固定在上部建筑的基础的底座上，较小的滑动盘和滑杆可以在发生地震活动时进行水平和竖直方向上的运动以抵消地震加速度带来的影响，据介绍每个滑块装置最多能往任何一个方向水平移动 1.2 米（4 英尺）。 这一技术的采用来自于日本地震工程学的启发，乔布斯决定采用这种装置来抵御可能发生的地震事件。在日本大约有9,000座建筑使用了基础隔离的变体装置。而在美国，Apple大楼是仅使用该技术的大约175座建筑物之一。Apple使用的钢基隔离系统是在距离旧金山湾另一边的一家名为Earthquake Protection Systems的公司设计和制造的。该公司生产的大部分产品出口到土耳其，秘鲁和厄瓜多尔等地震多发国家。很少有美国公司在其建筑物中使用任何减震技术，许多硅谷的建筑建于上世纪7、80年代，当下一次大地震来临的时候，他们几乎无法抵御。  Fig.6 A Sliding Mechanism Controls Building Motion  除了上述的项目亮点外，集高科技和美感为一身的Apple Park实际上是世界上最大的预制构件构成框架的建筑，也就是我们所说的装配式建筑，使用了超过10,000件结构预制构件。来自美国加州的Clark Pacific作为项目的预制构件分包商，提供了所有建筑和结构预制混凝土构件，构成了环形办公楼的大部分结构。总共有超过250万平方英尺的混凝土用于生产柱，梁，墙，封檐板，梁盖和空心板等预制构件。 如前文所述，在设计之初，整个建筑就定下了装配式的基调。成千上万的预制模块将在Clark Pacific的Yolo County工厂用模具制造并通过卡车运抵现场。这将使得整个项目具有更精确的施工和更少的现场施工时间。Apple最初就希望在两年内完成新总部的建设，而预制混凝土构件使这一切变为可能。  Fig.7 Apple Park construction site with precast concrete Fig.8 Precast concrete Slab and Beam 其实在Apple Park的概念设计中，种种因素和要求使得预制构件成为了这座伟大建筑的最优解决方案。 在概念设计中，乔布斯提出建筑物内所有墙壁与其他表面所结合的地方的缝隙不得超过1/32英寸，而在美国的建筑行业，这一缝隙普遍都达到1/8英尺。而现浇混凝土作业中，都会预留一个误差值以防止尺寸上的冲突，通常结果是这些缝隙相对来说都比较大，远远超过了乔布斯的要求。其次，乔布斯希望天花板采用抛光混凝土，这一选择也不太寻常，由于传统施工方法中模具和脚手架的存在通常会在表面留下痕迹，为了消除这种影响，只能通过在工厂预制混凝土楼板并运输到现场吊装的方式解决。 而Apple Park在除了普通的梁、板、柱等预制构件的使用外，创新使用了一种高度集成的预制空心板满足了建筑设计上的需要。从一开始，苹果大楼的关键的室内设计特征之一就是由乔布斯和诺曼福斯特团队定调的整个建筑内的超白色混凝土或石膏状天花板。在确定建筑物的最终形状为圆形后，设计挑战就是如何用白色的拱腹来形成楼板结构。设计团队一开始提出使用预制构件来作为解决方案，当时的想法是将预制板放置在柱的支撑上，锚固件从顶部伸出进入现浇结构中，拱腹将用作现场浇筑的模板。然而系统重量和厚度始终是一个问题，因此也考虑使用塑料球形空隙或泡沫棱柱空隙的现浇空隙解决方案。预制构件工程师还评估了拱腹连接到预应力双T形构件的杆底部的复合系统的制作。 建筑物的最终设计致使整个环形建筑的外半径为761英尺（232米），环宽度约为180英尺（54.9米）。该环被分成104个径向扇区，每个扇形的内角约为3.46度。这些径向扇区组合在建筑物的9个径向翼中，由7个入口和自助餐厅/餐厅翼本身隔开。由于柱和墙线放置在径向网格线上，所以需要一个外半径可以跨越45英尺，内半径可以跨越35英尺的楼板系统才能完成这样的结构。该建筑总共包括2个地下停车场和4层以上的办公空间。 Fig.9 Building Sector Configuration Fig.10 Building Sector Configuration Fig.11 Building Radial Cross-Section 促进使用预制空心板的重要因素，是室内设计中对于落地玻璃隔断的要求，即玻璃隔断的底部和顶部没有可见的金属饰件。在这种要求下，拱腹的尺寸必须与办公室尺寸相同，这就使得从栅格到栅格的连续板块变成一种不太可能的解决方案。图13展示了拱腹切割的主要样式，其中办公室为径向网格线的正方形（大约12英尺x12英尺），开放式办公空间和公共区域之间为楔形。 Fig.12 Floor to ceiling glass partitions Fig.13 Cut Through Ceiling Units 而另外一个驱动因素则来自潜在地震活动带来的影响。虽然这座巨大的建筑使用了钢基隔离器来进行抗震，且水平加速度较低，但性能要求所施加的垂直加速度是显著的。Apple Park的抗震设计要求是远高于加州建筑规范的，其具有在遭遇2,500年回归周期事件时达到最小损坏的性能水平。而这一设计要求导致楼板上所施加的垂直加速度达到1.2g，并且要求它们保持弹性且仅产生微不足道的非结构性损坏。综合考虑长达45英尺的跨度，拱腹的质量和24英寸的地板系统深度限制，混凝土拱腹成为项目的一项重大挑战。 然而预制双T板解决方案被证明是无效的，4英寸厚的混凝土天花板将会导致结构过度挠曲，且根本没有对结构性能做出贡献。现浇的解决方案也被证明是过重的，并且钢结构解决方案在分配的空间中过于灵活。 建筑天花板能在1.2g垂直加速度事件中保持无裂缝和构件本身保持弹性的期望，加上可接受偏转的窄包络，导致了具有连续底部翼缘的预应力大跨度单元的发展，也就是本项目中最终提出的空心板解决方案。在该设计中，法兰的总厚度应为4英寸，但在玻璃轨道处的缺口应小于1.5英寸，以允许2.5英寸的凹口用于捕获隔断玻璃。 在ARUP和Clark Pacific工程团队的共同努力下，许多早期设计和原型被创造出来。 Fig.14 Early Generation Void Slab Fig.15 Final Void Slab Shape Fig.16 Profile View of 20-inch Void Slab Fig.17 Reinforcing Details 图14描述了一个“双I”结构，呈现了预制支撑金属面板的顶部法兰和桥面横隔梁上的混凝土填充物。这个结构是可行的，但在预制构件工厂很难成型和剥离。最终形状如图15所示。图16显示了该单元的轮廓（玻璃轨道缺口约为1/4跨度）。图17显示了钢筋/预应力横截面。 总预制横截面允许天花板表面与支撑上述地板的结构杆单元一起用作结构法兰。这为强度和挠曲性能创造了一个更有效的横截面。在该段中使用预应力可防止板在使用荷载下开裂，并使其在1.2g垂直加速度事件下发生有限偏转。最终的设计制造出的楼板单元在43英尺跨度上的+1/4“到-1/4”蠕变后具有偏转轮廓。同一跨的活载挠度小于3/16英寸，1.2g的地震偏转在中跨时小于3/4英寸。装运的板坯单元包括预先安装在阀杆之间的金属底板，以及连接两个单元的窄甲板件也随之运输和吊装。在完成铺面后，会将传统的加固的4英寸厚的轻质混凝土隔膜浇筑在顶部。 法兰中的2.5英寸深的凹口也带来了挑战。法兰采用14-5英寸直径的钢绞线在完工表面上方2.75英寸的高度施加预应力，这意味着它们接触到了槽口的顶部。由于覆盖层减少，它们的强度组合在火灾中被认为是不起作用的，地震组合和偏转考虑是有效的。结构的防火设计依赖于额外的钢绞线和杆上较高的低碳钢，并有足够的覆盖层。这些凹口在预应力期间也产生剪力滞后效应，这需要额外的弯曲以在缺口上获得翼缘预应力而不会引起主轴开裂。图18和图19显示了由于预应力引起的截面应力的有限元分析。 Fig.18 FE Model of ¼ Span Element Fig.19 Shear Lag Stresses at Glazing Track due to Prestressing 该部分的有限元分析准确地预测了由于预应力导致的板坯部分的早期原型中观察到的热点和局部沙漏形开裂。结构形状通过对接金字塔得到改善，使得压缩应力在没有这些应力上升的情况下越过玻璃轨道（图20和21）。 Fig.20 Improved Shape with Buttressing Fig.21 Buttressed Shape Reduced Stresses Supporting Girders 在确定空心板横截面和结构构件设计的情况下，空心板的端部支撑件仍然是待解决的问题。空心板位于预制后张梁的壁架上（或位于剪力墙线的连续壁架上）。所选的支撑连接件是一根桁架式挂杆——一根矩形钢筋（2¼英寸x 7英寸）——带有焊接的倾斜钢筋（2 -＃10's），将反作用力转移到装置的杆上。梁和壁架设计用于集中反应（对于1.2g地震组合，每个吊架的极限值高达60 kips）。梁下的拱腹空间被一个建筑梁盖或隔墙框架覆盖。拱腹倾斜的开口为回流到通风室的空气提供了空间以及安装照明设备的地方。 大梁布置有2个25’和39’的内跨和一个15’-6”的悬臂，用于支撑内部和外部环形走廊的空心板，大梁上的重负荷需要35英寸的深度。这是在42英寸的地板系统中实现的，通过允许梁的杆向上伸出进入活动地板区域。梁用低碳钢加固，并在预制工厂采用19 x 0.6”直径的钢筋束的褶皱轮廓进行后张拉。隔板放置在空心板的顶部，通过2型螺纹钢筋接头使其连续穿过。穿过大梁的横截面见图22。 Fig.22 Inverted Tee Girder Section 这些大梁在每个内部径向网格线上重复出现，在每一个网格上，它们与一个i形的核心剪力墙对齐。在这些位置，大梁还必须作为收集器，向剪力墙传递超过400 kips的力。这是通过将4-＃14杆压入梁中并使它们伸入剪力墙的杆中（然后在现场铸造）来实现的。图23描绘了连接图。图中的关联部分是I-Wall的预制“干”。对于剩余的荷载路径进行详细设计的构件变得更加传统 - 单个提升预制柱通过梁碾压并通过2型拼接套管连接器连接到上部柱。单提升预制剪力墙采用相同的2型连接器。图中的关联部分是I-Wall的预制“干”。 Fig.23 Collector Beam to Shear Wall Connection Fig.24 Inverted Tee Girder Profile 荷载路径其余部分的构件细部设计变得更加传统。采用了单吊预制柱，用销钉穿过大梁，并用2型接头套管连接到上部柱上。以及带有相同类型2连接器的单提升预制剪力墙。 Fig.25 Collector Beam Lines 当有限的楼板系统厚度在这个工程中困扰着结构结构工程师的同时，机械工程师在本项目中也遭遇到了相对应的难题。由于机械、电气、管道和网络系统均需安装在18英寸的活动地板空间内，而天花板被认为过于坚硬无法进入，因此安装这些服务管线的空间变得非常狭窄。 解决“机械问题”的第一步是通过利用混凝土的热质量和在天花板上提供辐射冷却系统来减少强制风管的要求。这是通过将连续循环的冷冻水PEX管放入拱腹（图26和27）并将其放在可从上述地板进入的歧管中进行采光来实现的。管道安装在与不同气候控制区协调的电路中，因此不必穿过2.5英寸的玻璃轨道缺口。由于要使用4英寸的截面，管道很容易与拱腹加固和预应力配合。冷辐射天花板大大降低了暖通空调的需求，尽管空间仍然有限。 Fig.26 PEX Tubing being Tied to Soffit Cage Fig.27 PEX Tubing in Precast Form 接下来，机械工程团队在设计过程中向结构工程师询问将天花板上的空隙空间用作回风室是否可行，本质上是重新捕获该空间以供机械使用。要做到这一点，空心板需要具有穿孔杆，这样空气可以通过拱腹空间径向移动，以返回空气调节器。空心板单元更新为跨中段的杆贯穿件。参见图28中的建筑楼层剖面图。 Fig.28 Floor Section Rendering 除机械协调外，周边空隙板也与其他专业高度协调。该建筑的标志性外观特征是10英尺悬臂式不透明玻璃和铝制顶棚刀片系统。这些叶片连接到36英寸深的周边空隙板，中心位于约4'-6英寸处。为了便于施工和促进预制，不仅在现场安装了支架的嵌入物，而且还安装了支架本身。雾喷淋系统的管道也预装在这些装置中（图31）。最后，周边金属边缘甲板形式和临时扶手也预先安装在现场。在场外进行构件的预制大大减少了现场人工和设备的需求。 Fig.29 Mist Sprinkler Plumbing Pre-Installed Fig.30 Erected Void Slabs Fig.31 List of Integrated Systems in Void Slabs 这些高度复杂的空心板中有大约4,300个被构造成这座标志性建筑的标志性内部特征，一些板坯重达60,000磅（27吨），另外10,000件结构预制构件构成了建筑物的框架。这个具有纪念意义的建筑项目重新定义了设计和施工的多个阶段如何进行协调。通过跨学科设计和非现场制造复杂元素和系统的方式，实现了建筑元素中建筑、结构和机械服务的完全集成。 使用BIM工具对复杂系统进行建模和协调，并直接从模型中进行制造级详细设计，以生成用于制造的真实参数图，度量，数据和CNC输入。成千上万的施工工时被移出工地并进入工厂，提高了安全性能并减少了工地拥堵。Apple Park在设计和施工中的巨大和独特的变化使得它是一座具有纪念意义的独特建筑。 那么厉害的哦~ 艺术艺术... 在Apple Park的建设中发挥重要作用的预制构件分包商Clark Pacific是西海岸一家独特的预制混凝土构件公司，与传统PC构件厂商不同的是，Clark Pacific不仅仅生产构件，而是从设计-制造-施工全过程参与项目的Single-Source of responsibility（即单点责任源，业主或总包只需与其签约合同，减少了分包商和供应商的合同数量，更加便于管理）。 通过多学科协同设计，先进的制造工艺和高效的施工交付，Clark Pacific的装配式建筑理念帮助业主降低了项目的成本，增加了进度计划的确定性，提供了更好的供应链控制，以上优势在很大程度上降低了项目的整体风险。 Clark Pacific在行业中积累了五十多年的丰富经验后，其预制构件产品在北美已具有行业领先地位。同时Clark Pacific的Prefabricated Building System（装配式建筑系统）和Building Envelope System（建筑外围护系统）填补了制造与施工之间的差距，为传统建筑带来了新的解决方案，以一种更加智能化的方式交付建筑。 CP Facade System立面系统 CP Parking停车场 Complete Building System完整建筑体系 Structural Components结构构件 Finishes饰面 << 滑动查看下一张图片 >> Infinite Panel™是完整建筑外围护的单一来源解决方案，采用符合或超过加州建筑规范Title 24的水，蒸气，声音和防火规范要求的标准框架和连接系统。其标准化面板是客户的画布，可以通过Clark Pacific提供的多种饰面材料来定制外观，让设计团队能够最大程度地关注建筑美学。 Infinite Panel实际上是一种全预制的立面系统，当高度集成的面板在工厂制作完成后就可运输至工地进行吊装，大大减少了工期。 Infinite Panel在结构上主要由四部分组成。最内层是根据建筑结构框架的尺寸来制作的标准框架，也就是我们所说的龙骨；在龙骨的外侧铺设有保温隔热层，上边是防火贴条用来阻隔火势的蔓延。外饰面所采用的材料将会在工厂与混凝土板预制在一起，而不是贴上去，其使用寿命和坚固程度得到很大提升；混凝土面板上会预留好窗洞并在出厂时安装独特的高性能窗框架，Clark Pacific将其称之为Thermally broke window frame，通过特殊热桥处理，减少了室内热量的损失。系统结构示意图与窗结构示意图如下： Infinite Panel可以为业主和建筑师带来很多便利，同时也具有独特的优势： - 完整外围护的单一集成系统 - 工厂安装玻璃 - 工厂安装保温隔热层 - 坚韧 - 场外制造 - 美观灵活的系统 - 工期减少的进度计划 - 单点的维修联系方式 Infinite Panel的决策和设计流程十分清晰，参与项目的各方可以提出自己的建议并最终进行整合提交至Clark Pacific。然后Clark Pacific会根据项目的要求来进行快速设计以满足各种需求，最后在工厂进行外立面系统的预制并运输至现场进行吊装。 Clark Pacific提供了三种类别的方案供客户选择，前两种类别的方案对设计复杂程度和面板尺寸的限制较大，而第三类别给予了客户高度定制的自由。 根据项目的目标和预算，可以选择最适合的项目的解决方案。Infinite Panel™的分类方案，简化了项目设计到预算的流程，允许快速迭代，加快了设计时间，确保了预算和进度的确定。 同时在此方案中，Clark Pacific提供了各种标准颜色、形式和纹理的饰面选择，极大程度上丰富了客户选择和建筑美学性。 对于任何客户来说，创建立面的步骤有以下6个： 1 根据TVD类别确定预算 2 基于外立面设计策略来确定外观和性能 3 选择窗墙比策略 4 确定结构可以承载的立面的重量限制 5 确定建筑设计美学 6 基于上述设计标准，Clark Pacific将构建一个满足项目目标的选项板供客户进行最终选择 你怎么看嘞？ Clark Pacific以其从设计到施工的完整装配式建筑解决方案在美国西海岸取得了巨大的成功。在50多年的发展中，Clark Pacific积累了大量的工程经验，抓住了装配式建筑行业的发展趋势和用户痛点，逐渐完善了产品体系，赢得了业主、建筑师和总包商的青睐。 我们从服务、运营、创新这三个方面进一步梳理，也希望Clark Pacific的“砼行”之道能为国内的同行带来一些发展趋势的思考。 1. 服务模式： 仔细观察Clark Pacific的产品和运营模式，我们不难看出单点责任源模式大大减少了预制构件在设计与制造、制造与施工之间的隔阂与误差，使得其施工安装更加精确，节省了大量的时间与成本。 2. 运营能力： A. 在设计端，Clark Pacific不仅具有很强的图纸深化能力，还能按照建筑师的要求独立设计完整的装配式建筑结构，从而使用预制构件构成建筑的框架结构，达到建筑设计、工期或成本上的要求。同时减少了在项目中与业主和建筑师的交流沟通，使整个设计流程得到优化。 B. 在制造段，追求精益制造，最大程度上减少施工中可能存在的误差。得益于Clark Pacific设计制造的一体化，其构件尺寸精度较高，还进一步通过BIM相关软件（Revit中建立构件产品的族库）对构件参数进行严格控制。针对高度集成MEP系统和结构复杂的构件，将通过使用BIM中的相关参数进行CNC数据输出制造构件原型，进行复杂工作的模拟和结构碰撞冲突的优化。 C. 在施工端，对预制构件的供应链和安装进行管理，通过Clark Pacific设计团队所提供的信息或是BIM中的构件参数对项目中的物料清单和施工进度进行精确管控。在完成设计和制造后，对施工团队提供安装手册，明确构件的安装流程，降低了施工的难度，使构件安装精度进一步提升并大幅减少施工时间。 3. 创新： Clark Pacific的部分产品开发出了自己独有的辅助设计软件，例如用于停车场结构的PARC配置器以及用于宿舍酒店等建筑的快速迭代界面设计工具，业主或建筑师只需按自己的要求和设计方案输入相对应的参数，就能得到可供选择的装配式建筑解决方案，进而得到最优解。 反观目前国内目前我们接触的些许PC构件工厂投入产出不成比例的现象，最主要的是缺少一个完整的运营体系，大部分还只停留在单纯制造构件的阶段，其盈利手段也只是卖出更多的预制构件，与普通混凝土厂商卖方量没有本质上的区别，创造不出更多的附加值，失去了装配式建筑市场的利基空间。对此，国内的PC构件工厂可从以下方面做出改进和提升： 1. 提高图纸深化或独立设计装配式建筑结构的能力，尽可能消除设计与制造见的误差，减少返工； 2. 普及BIM与预制构件的结合，通过Inventor和Revit等软件建立产品信息库，提高构件的标准化程度； 3. 与推行装配式建筑体系的开发商或总包商进进行合作科研，开发出具有附加值的混凝土构件产品； 4. 在装配式建筑领域尝试设计-制造-施工一体化的小EPC模式，优化设计、制造、施工流程，减少参与项目各方之间的信息差； 5. 完善预制构件的供应链，为构件添加RFID标签或二维码，增加监控和管理，优化施工场地堆场； 6. 在施工前提供精确的安装手册，提供一定的施工前培训，减少施工中出现的问题，杜绝为了完成施工而切割构件或钢筋等情况的出现，减少施工时间，提高工厂质量。 国内的装配式建筑作为一个”标准“的蓝海市场，PC构件工厂的出现可谓是连接传统建筑业和制造业的具象体现。抓住用户的痛点，从整个流程中开发优化出具有价值的产品体系，已逐渐成为各家企业可持续发展的关键要素。 我终于读完了... |
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