浅谈装配式外围护的发展史：原因、线索、趋势

1 装配式外围护——建筑的老问题与新挑战

无论理论如何深奥，技术如何复杂，建造房屋的最终目的是在隔离人和自然的基础上，实现 建筑与环境的对话 , 也就是在提供舒适、安全的物理环境的同时，考虑人与自然环境、文化环境的关系，把建筑建成一座尽可能耐久、舒适、经济的人类活动外壳。而外围护正是建筑的关键组成部分。作为建筑与外界环境接触交流的主要界面，外围护起着“双向过滤器”的作用，控制光线、空气和热量内外交流以及减少水分、尘土、噪音和虫害等干扰，是实现建筑功能的重要元素。外围护技术如何更好地表达建筑理念，实现营造目标，一直是建筑工业化重点关注的问题。

相较其他行业的技术发展，建筑行业的“装配”技术并不先进，但是建筑的“装配”行为却可以一直追溯到古代建造过程中。外围护装配早在“冬则营窟，夏则居巢”的远古时代就已经出现，一直持续发展到今天。手工业时代已经出现了诸多标准化的单元预制构件，如我国传统建筑的瓦、门扇等。两千年前游牧民族使用的帐篷也可看作简单的装配式外围护，帐篷部件需要满足运输方便，能够短时间内搭建和拆除的要求。哥伦比亚大学艺术史与考古系教授贝利·伯格道尔（Barry Bergdoll）认为“预制可以追溯到古代，有关建筑行业经济的悠久历史”。建筑的产品属性催生外围护装配技术，建筑产品质量随着制造技术的发展而进步。汽车、飞机、船舶等制造业在短短的几十年或者几百年间从手工制造发展成为机械化、数字化的定制生产，其产品在功能、形式、生产工艺、造价控制等方面都已经达到了令建筑师望尘莫及的水平。建筑师不得不思考如何在制造业的发展轨迹中寻找经验，充分利用当前的工业技术，开启“智造建筑”的时代。

2 外围护为何装配——建筑工业化视角

现代意义的装配是将产品部件按规定要求组装、调试、检验，使之成为合格产品的过程。建筑行业的装配虽然达不到如制造业普及的程度，但还是随着与制造业的融合而得到了快速发展。工厂预制是建筑业与制造业联系的枢纽，现场装配把制造业的高效率、高质量以及经济优势转移到建筑业，驱动建筑业的工业化进程，加强外围护与装配式的紧密联系。

行业经济的需求孵化了预制装配，16 世纪之后的诸多历史事件则为其提供了营养充足的发育温床。从西方的殖民主义运动到两次世界大战，从北美的淘金运动到战后的城市复兴，现代城市发展对大量房屋建造的需求，结合工业化发展产生的新型材料：钢筋混凝土、钢材、玻璃等，促使装配式外围护在 19 世纪之后取得了爆发式的进展。

材料是建筑外围护的物质基础，直到 19 世纪中叶，绝大部分建筑材料的选择，还局限于自然界中既有的物质：石材、木材、麦草、砖石、混凝土以及常见金属。19 世纪后半叶，建造技术发展迅速，与以往任何时候相比，新材料的数量与类型都有了巨大的甚至是指数级的增长，研发步伐持续地加速。新的材料被开发出来：有机合成材料如凯夫拉（Kevlar）、高泰克斯（Goretex）、聚四氟乙烯（ETFE）等；泡沫材料包括聚氨酯、金属和许多新的胶粘剂；其他的门类也有了新发展，如陶瓷、铝和钛等。通过对原来各种分开的材料进行有目的的组合从而开发出合成材料，一个新的、巨大的天地浮现在我们面前：硬塑料、玻璃纤维聚合物、芳香尼龙聚合物或碳聚合物以及适于纺织的薄膜等。它们呈现出良好的发展前景：在缩短制造时间和降低制造成本的同时，使外围护拥有更好的适宜装配的质量和性能。

安全、舒适、经济、美观是外围护设计的目标。20 世纪初建筑外围护完成了从古典立面到现代表皮的重要转换，摆脱了重力主导的形式法则。1923 年，柯布西耶在里程碑著作《走向新建筑》中，提出了建筑的表皮（Surface）要素，将表皮定义为“体量的外包（Envelope）并能减小或扩大我们对体量的感觉”。外围护的表皮化不仅实现了多样的建筑形式，还提高了建筑表皮的性能。从“单一式”到多层（多片）是现代建筑外围护体构造发展的显著趋势。传统单一材料很难满足现代建筑外围护的复杂性能需求，不同材料复合层、片具有独立功能，通过灵活组合这些层、片，可以使 外围护满足各种需求。当这些层、片具备了可变性，外围护结构还可以通过调节层、片的组合模式来适应外部变化。外围护目标的扩展离不开制造业技术的支持，没有装配式技术，外围护就无法带来新的空间认知与形式表现，也无法使建筑原有概念得到重新反思。

19 世纪下半叶工业革命带来了材料爆炸式的发展和建筑理念的更新，制造业物质和思想的双重进步推动了装配式外围护的普及。亚利桑那大学建筑学瑞恩·史密斯（Ryan E. Smith）教授在其开创性的著作《预制建筑：模块化设计和施工指南》中简练地概括了外围护对预制装配技术的渴望：“如果工业制造过程可以生产其他社会所需的产品和商品 , 那么为什么相同的过程不能被利用来生产更高质量和更便宜的建筑？”

3 装配式外围护发展的两条线索——社会需求与技术发展的双重推动

自 工业革命以来，众多建筑师、工程师对装配式外围护的发展给予了高度关注，尽管属于不同的时空背景，装配式外围护的发展可被归结成两条相互交织的基本线索——社会需求变化与自我技术革新，即社会需求的持续推动与外围护装配技术的自我演进。在两条线索的交互影响下，装配式外围护在各个时期的发展亦表现出不同的地域和时代特征。

3.1 社会需求

着眼世界范围，现代意义上的外围护预制装配化发展大体经历了三个历史阶段，可归结为工业革命阶段（19 世纪初至二战）、战后重建阶段（二战后至 20 世纪 80 年代）以及后现代化阶段（20 世纪 80 年代至今）。在不同历史阶段，社会需求都从根源上激发和界定了装配式外围护的发展特征。

3.1.1 工业革命阶段—快速建造需求

19 世纪初预制农场建筑和平房就已经问世。工业革命加速了西方世界对外扩张的进程。在这个过程中，装配式技术很好地适应了各国军队在据点完成快速建设的需求，即可以提前预制好房屋各个部件，由轮船运向世界各地。其中，战地医院板房为这一时期的装配建筑代表，木结构框架与石棉围合板材的预制装配完全取代了以往使用的军用帐篷（图 1a）；随后，波纹铁板的发明，使得简易房屋的搭建更为快速便捷，该板材通过自定义切割进行层叠运输，并可由一个人轻松安装（图 1b）。这种外围护板材搭配木结构框架，在 19 世纪中叶淘金热潮中被广泛使用，并对二战时期 Nissen 和 Quonset 装配住房的发明产生了深远影响（图 1c,1d）。时至今日，这种波纹外围护板材经由改良依然作为较为普遍的工业化建筑材料被业内广泛使用。

图1  军用战地预制装配营房与波纹铁板外围护住宅体系

工业革命的到来，也使得西方资本主义国家的城市建设发生了种种变化。大型城市工程的开展和其他制造行业发展带来的冲击，也对建筑的装配效率提出了全新要求。受到汽车行业高效生产模式的影响，装配生产线的理念也延伸到了建筑行业。主营生产组建房屋的美国 Sears 等公司在这一浪潮下蓬勃发展，其生产的外围护部品多采用木质板材或砖瓦覆盖，装配式这种简易快速的搭建方式很快在建筑业普及开来，并成为了当时美国 DIY 文化的重要组成部分（图 2）。

图2 强调板材拼装便捷牢固的美国 Sears 装配式住宅宣传广告

3.1.2 战后重建阶段——批量生产需求

二战后，人口数量的快速上升致使众多国家提出了大规模的社会住房计划，这种爆发式的住宅需求为建筑的预制装配化提供了极佳的平台与契机。“大规模”与“批量化”生产的需求也直接影响了装配式外围护的革新路径与方向，诸多建造技术与板材产品亦如雨后春笋般应运而生。由瓦克斯曼（Konrad Wachsmann）与格罗皮乌斯（Walter Gropius）合作发明的“通用板式系统（General Panel System）”，其外围护体系均采用标准化尺寸的轻质木骨架复合预制板材，可在三位模数网格下进行自由组合，并且经过构造优化后的构造节点让其组装更加便利，更好地满足了工厂规模化生产的需求（图 3）。住宅批量化建造方面，在“案例住宅计划实验（Case Study Houses Project）”中，埃姆斯夫妇（Charles & Ray Eames）设计的埃姆斯住宅（Eames House）（图 4），从开放系统层面探索了装配式建造方式，他们采用市场中现成的压型钢板、金属面板、不同透光度的玻璃等外围护板材，搭配轻型框架结构，大大提升了装配式建材的易获得程度，从而确保了住宅批量化生产的可行性，这对外围护装配化发展具有重要意义。

图3 通用板材体系

图4 埃姆斯住宅

除此之外，预制混凝土的推广与建造体系的改进极大程度地缩短了建筑的建造周期，在施工环节满足了住宅建筑大规模、批量化的生产需求。

混凝土材料在现代意义上的普及始于 19 世纪末，当时托马斯·爱迪生（Thomas Alva Edison）采用整体浇筑技术，开发了一种由钢筋混凝土板构成的实验房屋（图 5）。进入 20 世纪，预制混凝土的使用在装配建造领域逐渐普及开来。1926 年的弗里德里希斯费尔德（Friedrichsfelde）住宅区使用了与楼层同高的混凝土板，该板材在现场制造，然后用龙门起重机进行搭建。值得一提的是，这种外墙板由三层组成：外侧为骨料混凝土板，内侧为矿渣混凝土板，中空填充矿渣，已然形成了集成化墙板的早期雏形。1927 年维森霍夫住宅展中，17 号建筑也采用了混凝土复合板材，其外围护板材由外层纤维水泥板、填充层软木板、内层石膏饰面板共同组成，更加直观地展示了预制混凝土板材在灵活拆卸与性能提升方面的潜力（图 6）。

图5 托马斯·爱迪生和他的钢筋混凝土板实验房屋项目

图6 维森霍夫住宅展 17 号住宅项目

在装配式外围护体系的建造发展过程中，重型预制系统具有举足轻重的地位。重型装配系统因材料组成、生产过程、尺寸构造特征等方面的差异，可划分为不同体系，但都具有一个共同特点，即一个系统通常会由一套固定的面板组成，用于建筑的内外墙或楼地板。法国作为这一技术体系的先驱，在该领域开发了诸多成功的重型预制系统。这其中，由法国工程师雷蒙德 · 加缪（Raymond Camus）开发的加缪（Camus）系统最具影响，该系统机械化程度高，并且可基于不同功能，预先进行板材加强、设洞、连接等处理（图 7-8）。重型预制系统的出现缓解了二战后建筑材料与劳动力短缺的问题，后续人口的稳定增长、生产环境及设备的改善也促进了该系统的成功应用与推广。

图7-8 法国重型混凝土板预制装配体系建筑外围护板材吊装阶段

但随着建设规模的不断扩大与工程复杂程度的不断提升，外围护系统的轻质化发展已然成为了主流发展趋势，这也使得轻型预制装配系统的研究进程逐渐加快。相对于重型预制装配系统，装配式外围护体系的轻质化发展更加强调空间的适应性。在这其中，建筑师弗里茨 · 哈勒（Fritz Haller）于 20 世纪 60 年代设计的“USM 通用系统”是极具代表性的。该系统由 MAXI、MIDI、MINI 三套系统与一套 USM 模数化家具系统组成，可分别应对大跨厂房和中小型建筑的内部空间变化。采用轻质墙板作为内外围护，可以灵活进行拆卸组装以满足不同的室内功能需求（图 9-10）。除了中大型建设工程，在小型住宅项目方面，LivingHomes 公司推出的“可卸板材（Dump Panel）”，通过将量产的轻质外围护板材自由拼接成不同功能的模块空间，实现了自由应对住宅空间不同功能需求的目标。

图9 基于轻型预制装配体系的 USM 系统框架与板材的拼装

图10 USM 通用系统成品建筑实景

3.1.3 后现代化阶段至今——多样定制需求

随着后现代主义思潮的到来，大规模建造已不是社会矛盾的焦点所在，随之而来的是种种差异性追求。在这一阶段，基于效率、规模等方面考虑的传统装配式建筑开始逐渐无法应对社会情况的变化，人们对装配式外围护产品的需求也开始由标准生产转向多样性定制。如今，多样化、个性化定制对装配式外围护的要求已不单单限于视觉形象的个性化塑造，外围护体系开始逐渐成为建筑室内外环境交互的重要调节器，装配式外围护技术在多样化需求语境下得以快速迭代发展。

3.2 技术迭代

装配式外围护体系的技术推演是建筑表皮体化过程的缩影。这一过程的起点是现代主义时期，随着建筑框架结构和部件工厂化生产的推广，外围护体系不仅摆脱了附加装饰和承重功能，也被赋予了由生产逻辑主导的产品属性。如勒斯巴热（David Leatherbarrow）和莫斯塔法（Mohsen Mostafavi）在《表皮建筑学》中认为的那样，框架结构在美学和功能方面的变革与重新定义，为装配式外围护体系的技术发展打下了物质基础。以英国万博会水晶宫（图 11a）与巴黎民众之家（Maison du Peuple）（图 11b）为开端，外围护体系由传统意义上的承重作用变为了填充作用，这种功能的变革不仅使外围护体系从建筑的附属走向了独立，而且表皮提供的“奇观现象”，推动了建筑审美观念的转变。在包豪斯大楼（Bauhaus Building）（图11c）中 , 外围护体系则彻底从建筑建造中解放出来，外围护技术层面的解放与工业化的影响紧密关联。

图11 外围护的装饰与功能逐渐消失

到了后现代主义时期，伴随着以“自治”为主题的表皮体化进程，装配式外围护体系逐渐从标准化生产工厂慢慢渗透进社会空间，成为了消费文化的一部分，并随之引发了新的社会思考与批判。这一时期的技术发展使外围护体系在形象表达的基础上，具备 了自身的空间和功能。

让 · 普 鲁 维（Jean Prouve） 设 计 的 热 带 住 宅（Maison Tropicale）通过对预制铝板进行一系列适应性改造，降低了建筑的主动耗能，并提升了室内舒适性（图 12）。20 世纪 80 年代末，建筑师史蒂芬·基尔兰（Steve Kieran）和詹姆斯·汀波莱克（James Timberlake）将“个性化需求”纳入装配式外围护体系的研究范畴，他们开发设计的 KT 系列住宅可以根据用户需求替换外围护板块的内外完成面，实现颜色、材料等可感知层面的定制设计（图 13）。另外在“玻璃纸屋”项目中，他们将表皮系统制成轻质高强的 PET 材料，可以根据需求附加其他功能“涂层”，实现轻质装配建筑表皮性能与外观的定制化目标（图 14）。

图12 Maison Tropicale 热带住宅项目

图13 KT 住宅的自适应体系

图14 玻璃纸屋建筑项目

时至今日，装配式外围护体系早已具备完整灵活的自身结构以应对复杂变化。这种结构性的技术推演主要体现在数字设计建构、材料更迭创新、自适应技术发展以及气候生态响应四个方面上。这四者相互支撑，并贯穿于装配式建筑 “设计 - 建造 - 使用 - 回收”的完整生命周期，赋予了当今装配式外围护体系技术“一体化发展”的全新内涵。

3.2.1 装配式外围护的数字设计

装配式外围护数字化设计技术的发展，得益于当代体化建筑表皮的审美转变。这种全新的建筑形式语言表象蕴含着对基本元素平衡机制的解构与秩序重建，而外围护的数字化设计技术也极大提升了外围护形态塑造的可操作性。由米歇尔（Michel Rojkind）设计的墨西哥利物浦百货商店，对建筑的外围护体系进行了层叠式一体化表达，以达到内部空间缓冲、周边环境融合的设计效果；UN 工作室设计的上海 189 商业中心，通过对外围护结构进行模块化区分与重新排列，充分展现了建筑表现面中整体有序与局部无序的复杂构成逻辑。由上海创盟建筑设计有限公司设计的乌镇“互联网之光”博览中心，在外围护方面采用了动态模数系统和全预制装配的逻辑，将其结构分解成数学逻辑对应的构件来搭建，屋顶近 70 万块瓦片则采用半预制化的方式，将传统瓦的湿作业优化为预制化的安装单元，每个单元只需要 5 分钟即可安装完毕，大大优化了铺设效率（图 15-17）。另由其设计的南京欢乐谷广场东侧大门建筑，通过参数化设计与建造，采用 3D 打印的改性塑料作为建筑外表皮，仅用时 59 天便实现了设计创作表达与大规模定制化建造的有效融合（图 18-20），这种纷繁复杂的立面构成经由数字化设计操作，转化为明晰的分层逻辑关系，进而得以为建造环节提供清晰的指导。

图15-17 乌镇“互联网之光”博览中心装配式外围护的数字化设计

图18-20 南京欢乐谷东侧大门装配外围护体系的数字化设计

3.2.2 装配式外围护的材料更迭

建筑产业化的不断发展，让装配式外围护体系的材料选择愈发产品化，设计过程也日趋类型化、模式化。与此同时，人居健康的要求逐渐被重视，要求外围护体系在保证建造效率与空间适应的前提下，通过材料的新路径寻求舒适、效率、表现三者的平衡。

近年来，相变材料（Phase Change Material，PCM）由于高效蓄热的物理性能，开始被用于装配式外围护体系中，马可（Marco）等人将形状记忆合金材料（SMA）用于建筑外围护系统，通过其在不同温度条件下相变作用产生的能量控制墙体中部空腔的开启与闭合，不仅控制了腔内的自然通风，代替传统的能量传感器与执行器，而且实现了在没有能源供应的情况下，自行应对热量变化的目的。帕斯卡（Pascal Leboucq）与艾瑞克（Erik Klarenbeek）在荷兰设计周中展出了成长馆，其立面框架采用木材和压缩香蒲，外围护结构内部使用玻璃，而外部则使用菌丝体复合板材。这种新型建筑材料用作建筑外围护表皮，不仅可提供良好的保温隔热性能，而且能带给人们独特的视觉和触觉体验，充分体现了装配式外围护的生物亲和性（图 21）。

图21 菌丝板材成长馆

3.2.3 装配式外围护的自适应技术

外围护的自适应技术即对室外环境变化做出动态响应，这种技术能有效降低建筑能耗并提升室内环境舒适度。例如，在“能量正向回迁教室（Energy Positive Relocatable Classroom）”项目中，建筑师马克·安德森（Mark Anderson）采用双层通风外围护体系，大大提升室内的自然通风品质，进而降低建筑的能耗需求（图 22）。基尔兰等人在“火炬松住宅（Loblolly House）”项目中，采用可折叠的装配阳光板双层外围护体系，动态调节室内外热、光、风环境的交互作用，进而提升建筑室内的物理环境，改善居住使用的舒适度。佐尔坦（Zoltan）等人在瑞士联邦理工大学 HIL 大楼的外立面改造项目中，自主研发了高度集成化、模块化的自适应装配太阳能立面（Adaptive Solar Facade），可自主通过具有高时空分辨率的单独可寻址模块来控制立面太阳能吸收情况以及视觉效果。

图22 能量正向回迁教室建筑

3.2.4 装配式外围护的生态响应

近年来，由环境恶化引起的生态问题在世界范围内成为关注焦点，建筑领域也不断探索环境友好型发展道路，建筑外围护的生态内 涵、绿色属性已成为建筑师们亟需认真对待的命题，可持续议题下的装配式外围护体系技术革新也被纳入生态视野。

米兰世博会的意大利馆，其外部的装配表皮层采用了 TX Active 生物水泥支撑的活性混凝土板，该材料在阳光的照射下，能捕捉空气中的污染物并将其转换为惰性盐，从而降低空气中的颗粒物含量（图 23-24）。巴塞罗那 TIC 媒体中心的装配外围护体系采用了金属丝网和充气膜加以覆盖，这种形式对能源利用的优化和抗污性能十分具有意义。这种膜状材料学名为聚四氟化乙烯（ETFE），对光线的过滤性强，能够有效减少 55% 的二氧化碳排放（图 25）。生态集成方面，CH2 墨尔本市政绿色办公楼针对立面方向的不同，采用不同形式的外围护体系，已分别实现建筑采光、自然通风、循环冷却的目的，这种装配立面形态的异质化并未影响建筑整体协调，反而应用了多种对自然资源的循环交互技术，体现了集成式的生态响应特征（图 26）。

图23-24 世博会意大利馆的活性混凝土墙板

图25 巴塞罗那TIC媒体中心充气膜结构表皮

图26 CH2墨尔本市政绿色办公楼不同方向外围护结构的生态化响应

4 建筑学的新边界——装配式外围护的未来

现代装配式外围护与人们早期的认知已经产生了很大的差别。实际上，现代建筑的外围护已经成为一个复杂的系统。制造业沿着工业化方向不断推动建筑技术进步，从工匠建造到工厂制造，从机械化批量生产再到艺术与传统文化的复兴，在技术不断发展的同时，建筑也一直在寻求技术与艺术的高度融合。每一个创新构件的背后都是建筑师和工程师的伟大创作和精心设计，装配式外围护未来发展不仅是对建筑形式的表白，也是对用户体验的提升，对技术的挑战。

未来外围护技术将继续通过集成思维，将各种具有不同功能属性与环境条件属性的功能构件组合，使其具有单功能叠合所不具备的新功能特征。例如由于光伏、光热等设备构件的复合，外围护结构将从被动节能向主动产能发展，从被动的抵御气候条件转为主动调节气候环境。随着外围护体系集成维度的不断革新，未来将衍生出更多与新型工业化发展相适应的创新型外围护部品和部件。当前装配技术已经成为保障外围护产品质量的关键环节之一。随着外围护产品向复杂化、轻量化和光机电一体化等集成方向发展，智能制造作为新一轮工业革命的核心技术，正在引发装配式外围护在设计理念、制造模式等方面的深刻变革，正在重塑建筑技术体系，并为建筑产业带来勃勃生机。