实验，是科学研究的基本方法之一。根据科学研究的目的，尽可能地排除外界的影响，突出主要因素并利用一些专门的仪器设备，而人为地变革、控制或模拟研究对象，使某一些事物（或过程）发生或再现，从而去认识自然现象、自然性质、自然规律。在科学研究手段落后的古代，实际的经验就是“实验”的。虽然无法通过仪器准确获取材料的各项性能参数，工匠通过长期的实践积累中形成了众多实用的构造技术。例如，不论是东方还是西方，都发展了在空心墙内填充草、土等来增加墙体的隔热保温性能构造技术。19世纪后，随着实验科学的发展，人们对材料的属性有了更科学的认知，热工学、声学、力学、光学等实验手段的丰富为建筑师创新构造工艺提供了必要的科学依据。借助实验室中的各种先进的仪器，建筑师与工程师可以预先测试建筑构造的各项性能，如结构体的抗震性、耐久性，围护体的热工性、密封性、隔声性、环保性等，以获得更优秀的性能设计（图4－82）。

通过先进的设备仪器，建筑师对材料与工艺的选择更加直观、准确，大大减少了建造的风险，提高了建造的品质。此外，多样的科学实验技术还为更多的工艺组合提供了快速的样本测试，提高了工艺改良与创新的效率。建筑是一种需要长期面对复杂环境的长效性产品，因此在诸多围护体构造技术实验中，对自然环境的模拟是重要的环节。通常单项实验设备只能用于单一模拟环境下的有限产品类型的测试，为了扩展试验模拟环境和产品适用的多样性，在单项实验的检测设备基础上，一种可以模拟各种气候条件的设备集合体——环境舱被发明出来用以检测不同构造工艺在真实环境下的性能表现（图4－83）。

图4－82　现代丰富多样的建造实验技术

资料来源：自摄

图4－83　环境舱的工作原理以及设备构成

资料来源：陈蕾.大型建筑环境舱动态实验平台的数据采集及自动控制软件开发［D］.南京：东南大学，2009

东南大学建筑技术系于2012年完成的“十一五”国家科技支撑计划课题——安徽传统民居住宅保温隔热墙体材料技术开发中，就利用环境舱作为工艺改良实验的重要技术手段，实现了对安徽传统民居墙体的节能构造技术创新应用研究。研究选取了安徽黟县宏村、西递等具有代表性的皖南民居作为对象，在对传统民居墙体的材料、构造工艺及热工性能分析的基础上，结合当地地域特征，进行了传统砌体工艺的改良创新。

传统皖南民居墙体主要采用青砖、石灰、黄泥和石材，运用实砌或空斗砌筑（灌注黄泥）的构造方式。大部分的新建住宅也沿用了传统的空斗砌法，只是将青砖换成了水泥砖、空心砖、空心砌块等砌体材料。测试的结果证明传统的青砖空斗砌法配合黄泥灌注的方式，既能节省材料，也具有一定的隔热性能，但在较冷的冬季，保温效果并不佳。根据徽州新建农民住宅的构造特点，课题组提出了改良的施工工艺——采用传统的空斗砌法结合泡沫混凝土填充的新的构造技术。泡沫混凝土是一种轻质多孔材料，通过机械搅拌方法或用压缩空气方法将泡沫剂、水混合溶液制成均匀封闭的泡沫，然后将泡沫注入由水泥、细集料、废渣、水及各种外加剂等制成的浆料中，再经混合搅拌而成（图4－84），相比较黄泥，具有轻质高强、抗震性强、整体性好、耐久性高、防水效果好的优势。

图4－84　传统砌筑方法与新材料结合的可能

资料来源：自摄、自绘

通过在环境舱中进行不同构造方式的分组测试，课题组不仅验证了该工艺对传统墙体热工性能的提升效果（表4－4），还确定了改良工艺的施工流程。为保证测试的真实性，在墙体砌筑方式上采用了当地普遍的有眠空斗墙的砌法，用黄泥作为胶结材料，墙顶部分圈梁的位置采用水泥浆实砌的方法，墙体顶部则用立砖斜砌将墙体与环境舱固定（图4－85）。实验不仅验证了采用泡沫混凝土后墙体热工性能的提高，还确定了新构造技术的施工工艺。实验的开始采用的是整体墙体砌筑后一次性灌注泡沫混凝土的方式，经过实验发现，一次性灌注会对墙基造成较大的压力，容易造成墙体底部开裂，同时泡沫混凝土在墙体中也不易分布均匀，造成墙体热工性能不稳定。经过多次实验总结，最终确定了分层流水作业灌注泡沫混凝土的工艺，以2～3m为一层，终凝后浇筑下一层，可以有效防止泡沫混凝土沉降造成墙体空鼓（图4－86）。

表4－4　不同构造形式的墙体热工性能的软件模拟结果

注：墙体I为空斗砖墙；墙体II为填充过泡沫混凝土的空斗砖墙；墙体III为做无机内保温的空斗砖墙；墙体IV为实砌砖墙；墙体V为做无机内保温的实砌砖墙
资料来源：周海龙.徽州民居砌体外墙热工性能与改进技术研究［D］.南京：东南大学，2009：64

图4－85　环境舱内不同保温做法的墙体构造

资料来源：周海龙.徽州民居砌体外墙热工性能与改进技术研究［D］.南京：东南大学，2011：63

图4－86　经过实验验证的空斗墙砌法填充泡沫混凝土保温构造技术的示范应用

资料来源：自摄

除了材料组合性能改良，构件连接的工艺改进也是构造技术创新的重要内容。每一种材料都有不同的连接可能性，标准连接技术可以解决大部分的建造需求，但不排除由特殊需求所产生的对连接工艺的特殊要求，这就产生对原有的连接技术改进的愿望，进而转化成实验室的样本测试。一旦获得成功，不仅可以解决急需的现实问题，甚至可以会产生一种全新的乃至可以推广应用的构造技术。新的连接方式在实验室接受承载力、破坏性以及耐久性等实验，可以不断调整并完善，以获得最佳的性能保证。

螺栓连接是玻璃钢幕墙安装中最常用的连接方式之一，但由于玻璃（玻璃钢）是脆性材料，点式集中荷载会产生内部薄弱点导致应力集中，导致玻璃的规格尺寸受到限制，并且玻璃的通透效果也不能充分发挥。因此，与玻璃连接的最合理的荷载传递方式应该是平面性的，胶合就是这样一种平面性的连接构造。不过，虽然应用于玻璃和玻璃钢在内的胶合剂有很多种，但由于大部分胶合剂的工作温度范围较低，因此胶层剥离强度低，黏结效果也不佳。为了研制出黏结效果更好的新型胶合剂，斯图加特大学建筑结构和结构设计学院（ITKE）的斯蒂芬·皮特（Stefan Peters）博士开始了以玻璃和玻璃钢组合围护结构的胶合连接为研究导向的实验。

研究提取了市面上常见的四种（硅酮、聚氨酯、丙烯酸盐和环氧树脂）胶合剂，在实验室中对采用不同胶合剂连接的玻璃钢进行了抗压、抗拉以及抗老化实验。通过实验的结果发现，采用环氧树脂黏结的玻璃－玻璃钢组件具有更高的抗拉强度、黏结面小、透明度高、硬化时间短等优点（图4－87、表4－5）。皮特博士综合了环氧树脂的优点，研发出了一种含有两种结构胶成分的环氧树脂胶合剂，这种新型结构胶不仅黏结力强、强度高，而且能满足防潮、耐老化、温度应变等多种要求。这种胶合方式易于现场操作，具有较高的透明度，接缝不会影响视觉美观。借助这种新型胶合技术，斯图加特大学建筑结构和结构设计学院研制了一系列新型节能窗，这些窗玻璃与窗框直接黏结，构造简化，但又不会产生冷桥，窗户的透光率也得到了提升［41］。虽然胶合连接对操作环境有着严格的要求，但随着场外模块预制技术的成熟，这种新型的玻璃胶合构造技术在未来有着广泛的应用前景。

图4－87　玻璃钢在不同胶合方式下的受力与耐久性测试

资料来源：张慧.玻璃钢（玻璃纤维增强塑料）的建筑应用与探索性研究［M］.南京：东南大学.2009：66

表4－5　经试验检测玻璃与玻璃钢通过不同胶合剂黏合后在拉力负荷下出现断裂的位置

资料来源：张慧.玻璃钢（玻璃纤维增强塑料）的建筑应用与探索性研究［D］.南京：东南大学，2009：66

为了获得更大强度的整体构件，一种最大限度发挥玻璃纤维结构性能的构造技术——层压连接被高校的研究人员开发出来并应用在一些特殊的工程中。层压连接的基本原理类似胶合木的制造过程，利用纤维增强塑料的材料生成原理，用层压、浸渍等方法连接玻璃钢构件，使得玻璃钢构件之间的荷载传递直接有效、更加稳定，从而形成强度更大的整体结构。瑞士巴塞尔诺华（Novartis）工业园区入口巨大的全玻璃钢屋顶的设想促使了这项新的构造技术的研发。在该设计中，由无柱的玻璃墙体支撑的巨型翼状屋顶为了满足空间通透、轻盈的效果最终选择了玻璃钢夹芯板材料，但如何建造面积如此之大的全玻璃屋顶成为一个难题，现有的玻璃钢胶合构造技术并不能实现该设计中的屋顶建造。最终，诺华工业园区入口的玻璃钢屋顶建造开创了“化整为零”和层压连接的新技术（图4－88）。

图4－88　经过系统的实验，玻璃钢的层压构造连接技术在诺华工业园区入口屋顶建造中得到成功应用

资料来源：http：//www.flick.com；张慧.玻璃钢（玻璃纤维增强塑料）的建筑应用与探索性研究［D］.南京：东南大学.2009：68

由于层压构造连接在当时还是首创，没有现成的工程经验可以参考，测试整合结构的强度和连接可靠性成为实验的重点。在凯勒（Keller）教授的带领下，工程人员在卢珊娜（Lusanna）技术学院的实验室内对组合构件进行了承载力测试和破坏实验（图4－88）。通过对构件变形过程和破坏特征的分析，找出结构连接的薄弱点，总结出增加玻璃毡层数、错开敷设角度等方法对荷载集中的区域进行加强。通过缜密的实验，团队最终确定了构件生产制造的流程与细节：计算机程序控制切割聚氨酯泡沫塑料芯材以保证构件的精确性，之后在外侧铺设、层压浸渍有聚氨酯的玻璃纤维毡，制作单块玻璃钢夹芯板；在单块夹芯板完全硬化之前，用玻璃纤维网格布和聚酯树脂将五个基本组块组合成条状构件，再将条形构件整合为约4.6～6m宽、18.5m长的单块屋顶［42］。层压技术作为一种新型的玻璃钢之间的直接连接工艺，可以提供尺寸更大、强度更高、整体性更强的预制构件。

在上述诸多的构造创新技术过程中，我们看到了建筑师、工程师以及材料学家综合应用各种先进的实验设备以及科学的实验方法来测试和推进研发的进程。由于目前最高端的研究机构都集中在汽车、航空、电子等工业领军的制造领域中，为了激发创造的潜力，一些前沿建筑师在实践过程中开始在这些先进的制造领域联合其他工程师通过更广泛的实验来推进可用于大量性应用的新技术研究。伦佐·皮亚诺就是一位在交叉领域不断实验以实现构造技术创新的建筑师，他的建筑是那么的与众不同，但绝非那些表面的、哗众取宠的形式主义。皮亚诺在热那亚和其在蓬皮杜艺术中心合作的工程师赖斯成立了联合工作室，一起进行各种项目的实验，这些实验能够为以后工作中的思想和方法提供广阔的开拓空间，在实验中皮亚诺不断地尝试着具有原创性的构造技术的突破，就像他所说的那样：“从我的工作生涯开始，工作态度的一点点积累给了我研究、实验和理解原材料逻辑性的机会。”［43］

皮亚诺将实验性的汽车研究作为其重要的实验之一（图4－89），在开发汽车的过程中，皮亚诺和他的合作者学会了工业生产和建筑原型的制作，并且发现了日后可以在建筑中使用的新材料、制作工具。皮亚诺在实验中不断寻找实验汽车制造与建筑建造技术之间可相互转换的技术。皮亚诺和赖斯为菲亚特汽车公司建造了一种具有塑料实体护板的分离的漩涡方向盘结构框架，这种框架可以为风格变化提供精确的计算，并减轻20%的车重，这实质上是从建筑设计中汲取的框架和护板相互隔离的技术。

图4－89　皮亚诺在和赖斯成立的联合工作室内进行了大量的汽车结构框架实验

资料来源：［美］彼得·布坎南.伦佐·皮亚诺建筑工作室作品集［M］.张华，译.北京：机械工业出版社，2002：64，65

在掌握了汽车底盘的球墨铸铁及聚碳酸酯材料运用知识后，皮亚诺将球墨铸铁用于梅尼尔博物馆（Menil Collection）的桁架结构设计中，将聚碳酸酯塑料和黏结剂用到了IBM旅行帐篷上。从造船业中，皮亚诺熟悉了钢筋水泥板的厚度可以从1～4～5cm的制作工艺，这个发现被皮亚诺带到了梅尼尔博物馆中的顶棚构造设计中（图4－90）。皮亚诺甚至和国家电视网络合作制作了系列电视节目以展示工具、建造方法和建筑材料等技术发明。他们用模型和人工模拟的方法分析了哥特式教堂、移动式蒙古包等经典建筑构造形式，并寻找可用于创新的激发点（图4－91）。(www.daowen.com)

图4－90　皮亚诺将在汽车制造实验中获得的经验用于建筑构造技术的创新实践中

资料来源：［美］彼得·布坎南.伦佐·皮亚诺建筑工作室作品集［M］.张华，译.北京：机械工业出版社，2002：119，152

图4－91　皮亚诺将向公众展示工具、建筑材料和建造技术等发明创造

资料来源：［美］彼得·布坎南.伦佐·皮亚诺建筑工作室作品集［M］.张华，译.北京：机械工业出版社，2002：66，67

在系统的实验中，以皮亚诺为代表的一批建筑师不仅综合运用各种技术和研究手段，还在交叉领域寻求广泛合作以实现技术创新。这种新的研发机制不仅为未来建筑技术的持续发展提供了新的动力，还重新整合了建筑设计、生产、建造的流程，为建筑产品构造系统的组合方式带来了新的变化。

注释

［1］［德］克里斯蒂安·史蒂西.玻璃结构手册［M］.白宝鲲，译.大连：大连理工大学出版社，2004：276

［2］不同于不需要附件、材料或工具就可以完成连接功能的化学连接方法

［3］［4］［美］保罗·R博登伯杰.塑料卡扣连接技术［M］.冯连勋，译.北京：化学工业出版社，2004：6，7

［5］～［10］Stephen Kieran，James Timberlake.Refabricating Architecture［M］.New York：McGraw－Hill Press，2004：41，96－98，100，102，106，117

［11］参见Ryan E Smith.Prefab Architecture：A Guide to Modular Design and Construction［M］.John Wiley ＆ Sons，Inc，2010：32

［12］2013SD是2013年在中国山西太原举办的中国国际太阳能十项全能竞赛（Solar Decathlon，SD），由来自世界各地的20多个知名高校参加，在规定时间内，将太阳能、节能与建筑设计以一体化的新方式紧密结合，设计、建造并运行一座功能完善、舒适、宜居、具有可持续性的太阳能住宅。

［13］参见Ryan E Smith.Prefab Architecture：A Guide to Modular Design and Construction［M］.John Wiley ＆ Sons，Inc，2010：161

［14］转引自刘松茯，程世卓.理查德·罗杰斯［M］.北京，中国建筑工业出版社，2008：70

［15］参见［德］普法伊费尔.砌体结构手册［M］.张慧敏，译.大连：大连理工大学出版社，2004：72

［16］参见［德］赫尔佐格，克里普纳，朗.立面构造手册［M］.袁海贝贝，译.大连：大连理工大学出版社，2006

［17］郝飞，范悦，秦培亮，等.日本SI住宅的绿色建筑理念［J］.住宅产业，2008（2/3）：97－90

［18］刘长春，张宏，淳庆.基于SI体系的工业化住宅模数协调应用研究［J］.建筑科学，2011（7）：60

［19］中华人民共和国建设部.住宅建筑模数协调标准　GB/T　50100—2001［S］.北京：中国建筑工业出版社，2001

［20］“板状部件”是指支撑体中的楼屋面板、承重墙体等板片状构件，属于大标准化的范畴。

［21］“板材部件”属于支撑体部件，属于小标准化的范畴。

［22］中国科学院自然科学史研究所.中国古代建筑技术史［M］.北京：科学出版社，2000：535

［23］技术尺寸指主体结构部件表面和基准面之间的距离，其需要用技术手段处理。主体结构厚度应包括施工的误差和装修面层的厚度，此部分的厚度可做技术尺寸处理。主体结构基准面一般按照装修面的基准面定位，也可按修正误差后的部件的制作面定位。参见：中华人民共和国建设部.住宅建筑模数协调标准条文说明［GB/T　50100—2001］第6.3.3条。

［24］［25］参见Ryan E Smith.Prefab Architecture：A Guide to Modular Design and Construction［M］.John Wiley ＆ Sons，Inc，2010：211，216

［26］［德］赫尔佐格，克里普纳，朗.立面构造手册［M］.袁海贝贝，译.大连：大连理工大学出版社，2006：50

［27］［28］Eden J F.Metrology and the Module［J］.Architectural Design，1967，XXVII（3）：149，150

［29］转引自［德］温菲德尔·奈丁格，艾琳·梅森那，爱伯哈德·莫勒，等.轻型建筑与自然设计：弗雷·奥托作品全集［M］.柳美玉，杨璐，译.北京：中国建筑工业出版社，2010：59

［30］Frei Otto.Stuttgarter Architektur—Gesterm，Heute und Morgen.quoted from Burknhardt，1979：161

［31］［德］黑格.构造材料手册［M］.张雪晖，译.大连：大连理工大学出版社，2007：30

［32］参见中国科学院自然科学史研究所.中国古代建筑技术史［M］.北京：科学出版社，2000：512

［33］［德］温菲德尔·奈丁格，艾琳·梅森那，爱伯哈德·莫勒，等.轻型建筑与自然设计：弗雷·奥托作品全集［M］.柳美玉，杨璐，译.北京：中国建筑工业出版社，2010：23

［34］Karin Wilhelm.Architecten Heute［M］.Berlin：Portait Frei Otto，1983：137

［35］［德］温菲德尔·奈丁格，艾琳·梅森那，爱伯哈德·莫勒，等.轻型建筑与自然设计：弗雷·奥托作品全集［M］.柳美玉，杨璐，译.北京：中国建筑工业出版社，2010：21

［36］http：//www.architectureweek.com/2001/0919/tools＿1－2.html

［37］参见邵如意.浅析参数化设计在建筑中的应用［D］.南京：东南大学，2012：23－24

［38］［美］克里斯·亚伯.建筑与个性：对文化和技术变化的回应［M］.张磊，司玲，侯正华，等，译.北京：中国建筑工业出版社，2003：47

［39］沈源，罗杰威，常清华.无限关联结构在建筑设计中的应用：从镶嵌图形到空间网格结构［J］.新建筑，2010（6）

［40］邵如意.浅析参数化设计在建筑中的应用［J］.南京：东南大学，2012：65

［41］［42］参见张慧.玻璃钢（玻璃纤维增强塑料）的建筑应用与探索性研究［D］.南京：东南大学，2009：66，67

［43］［美］彼得·布坎南.伦佐·皮亚诺建筑工作室作品集［M］.张华，译.北京：机械工业出版社，2003：47