迪拜未来博物馆：打造78米建筑地标

正在迪拜建设的未来博物馆是有史以来最复杂的建筑之一。这座高78米的建筑内部包含七层，环面壳体坐落在三层基座之上。环面外立面由1024块阻燃（FR）复合材料面板组成。每块面板覆以不锈钢，皆为独特的3D形状，并集成模塑阿拉伯书法。流动的书法呈现迪拜统治者谢赫·穆罕默德·本·拉希德·阿勒马克图姆对迪拜未来的愿景诗篇，同时作为建筑窗户，白天引自然光进入无柱内部，夜间通过14公里集成LED灯光营造戏剧效果。

该博物馆由谢赫·穆罕默德构想为创新与发明的孵化器，被认为是世界上最先进的建筑之一，人们可在此体验和研究新技术。它也是通过数字化设计和更高效材料突破边界的建築象征。参数化设计用于开发钢制对角网格——由2400根对角相交钢构件组成的框架——复合混凝土楼板和17000平方米复合材料外包系统连接其上，后者使用100万平方米多轴向玻璃和碳纤维增强环氧预浸料。

迪拜公司Affan Innovative Structures提供面板复合材料设计、制造及安装支持。“这是首次承接此类项目，”公司首席执行官Amer Affan博士表示，“也是首次利用如此复杂形状的复合材料面板集成多重建筑功能。”

首席建筑师Shaun Killa解释，此类复杂外立面通常为雨幕墙，背后另有建筑主体包含防水系统。“这简化了问题，因为创建这种高度三维造型时更宽容，”他指出，“但本项目中，建筑围护系统同时承担防水、气密、结构和照明功能。”Affan承认，对于如此宏大的项目，其公司规模较小，“但我们凭借技术专长实现了独特成就，展示了未来建筑的建造方式。”

复杂数字化设计能力

Affan Innovative Structures最初受未来博物馆工程团队联系。“能胜任外包层所需工作的公司不多，”Affan指出，“另一竞争方提议普通幕墙，外层用铝或不锈钢面板。”幕墙通常配合结构钢框架使用，较薄，由铝框架支撑玻璃、金属或薄石外板（见“建筑围护：FRP单元化外立面”）。工程团队拒绝该方案，因其难度大且无法提供一体化多功能复合面板外立面的同等外观。因此，Affan提出的后者入选。“我们还有制造大尺寸面板的独特技术，”Affan补充，“宽达3米、高达9米，双向弯曲，意味着接缝更少。”

Affan Innovative Structures独特适配该项目。2004年由Affan博士创立，公司提供从概念设计到安装维护的完整交钥匙解决方案，专攻高技术挑战。履历包括吉达阿卜杜拉国王体育城体育场复杂几何铝网/外包、阿布扎比Yas Mall复合材料入口天篷和64块精细图案玻璃钢天窗、多哈Sidra医院外部复合屋顶等众多挑战性项目。这种复杂钢、玻璃和复合材料组装能力，正是未来博物馆多功能复合外立面所需。

“每块复合面板内部阿拉伯书法处嵌入平板玻璃系统，”Affan解释，“玻璃几乎凹陷在面板内，深达200毫米。”这种凹深从建筑顶部（较浅防积水）到底部（垂直和下切面板可深凹不积水）变化，也在每块面板内倾斜递减，为书法形成自然渐变边缘。“凹槽位置和边缘也随玻璃在面板内位置变化，因为玻璃平而面板弯曲，”Affan指出，“这只有数字化设计和CNC加工才能实现。”这种精度也确保书法在各面板安装时精准对齐，字母词汇在建筑外部流畅连贯。

对Affan而言，唯一解决方案是将阿拉伯书法和凹槽模塑进每块复合面板。“增强材料铺设在精密CNC加工的模具中，”他解释。幸运的是，Affan Innovative Solutions驱动CNC机床的CATIA软件（达索系统，法国Vélizy-Villacoublay）正是航空航天业设计复杂飞机和复合结构的3D CAD软件。此外，Affan的28名工程师团队还精通Tekla BIM软件、Rhino 3D（美国Robert McNeel & Assoc.）和Autodesk AutoCAD。“我们在CATIA中完成所有绘图和层压设计，从而实现如此复杂的加工，”Affan表示。

设计并非易事，需满足各种结构和风荷载。例如，环面内部形成风洞效应，Affan解释。面板须承受高达450 kg/m²（92 lb/ft²）风荷载。（注：国际建筑规范规定美国佛罗里达西棕榈滩高风险飓风区风荷载为71 lb/ft²）。博物馆复合面板还针对轻量化定制。“面板采用9至13层，随位置和载荷变化，”Affan称。他补充，复合技术中心（德国Stade，空客子公司，长期合作伙伴，通过CFK Valley eV贸易组织）“对我们的层压设计、挠度和刚度计算进行了第三方核查。”

另一复杂性与创新是面板集成了自身连接系统。“边缘24层形成盒式连接几何体以连接建筑，”Affan解释。盒式系统是连接外包层的方法，最初用于雨幕式安装。类型和几何各异，但盒式通常能实现平整防水外表面，通过背部固定到建筑承重框架。未来博物馆外立面面板无需单独部件形成盒式边缘，而是加工进模具，从而集成在每块复合面板中。

材料、模具与面板制造

尽管Affan Innovative Structures拥有10000平方米复合材料制造空间、16台树脂注射机和8张3×20米玻璃面钢基注射台，却选择了预浸料。为何？“达到必要的FR性能需大量添加剂，导致树脂粘稠不流动，无法注射，”Affan解释。添加剂为氢氧化铝（ATH，见“耐火不增重”）。他继续，“因此我们与Notus Composites（阿联酋Ras Al Khaimah）合作开发FR环氧预浸料。主要用玻璃纤维，但在有挠度问题的部位也用碳纤维。”经迪拜民防局批准，Notus Composites EPFR-609预浸料结合NE11-FR表面膜，通过了NFPA 285、EN13051-1和ASTM E1098及E84 A级防火要求（见“阻燃预浸料实现……”和“FRP建筑材料更好更廉价的筛选”）。

因迪拜夏季外部金属表面温度可达80°C（176°F），Affan解释，“我们在120°C固化预浸料，确保足够Tg（玻璃化转变温度）抵抗热变形。因此模具用可耐高温的聚氨酯泡沫加工，成本较高。我们试了三四种泡沫，只有一种既能耐高温加真空压力，又足够软易于CNC快速加工。”

每个模具CNC加工耗时12至72小时，每块1024块面板各需一套模具。Affan四台CMS（意大利Zogno）五轴CNC机床——最大长33米、宽13米、高2.5米——全数投入以满足博物馆苛刻生产节奏。“若一台维护停机，其余并行运行，”Affan解释。

预浸料铺层使用（德国Mehrstetten Bulmer）自动裁切机裁切套料。“面板未用夹芯，因为当时无泡沫芯材能通过FR要求，”Affan称。即使有自动化，到2015年达到的250名员工也必不可少，日均产出四块面板。每组六名工人配一名主管，技能均衡以求高效。“通常项目只两三组，”Affan指出，“为赶工期我们同时安排20组作业。”

制造步骤

步骤1 聚氨酯泡沫铣削成精密模具。所有制造步骤图片来源：Affan Innovative Solutions

步骤2 玻璃纤维/环氧预浸料手工铺设进模具。

步骤3 预浸料铺层真空袋装，在烘箱中120°C固化6小时。

步骤4 脱模面板准备不锈钢饰面胶粘。

步骤5 不锈钢六边形胶粘并机械固定到FRP面板。

步骤6 成品面板吊装安装。

步骤7 每块面板通过独特3D“万向节”调整。

步骤8 每块面板通过独特3D“万向节”调整，实现平滑对齐的外立面。

铺层手工铺设、真空袋装，在长20米、宽8米、高3米的烘箱中固化6小时。“每台CNC机床配专用烘箱，”Affan说。“我们不将多块面板集中固化，而是每块面板就绪即固化，以维持尽可能高的生产流。脱模后用3D扫描仪确保实制面板与CATIA文件匹配。按全面质控体系，每道工序都要对照数字文件核对。”

成品面板再接受不锈钢外饰。“不锈钢胶粘到每块面板，再用机械紧固件固定，这本身就是一门艺术，”Affan说。“金属切成小六边形以贴合3D面板。六边形网格随面板曲率变化。尽管我们有胶粘经验和信心，但面板寿命期内不能有任何一个六边形脱落。因此每个六边形都须固定——单块面板多达200至300个固定点。”成品面板随即发往现场安装。

NASA辅助的零问题安装

安装实际由建筑商BAM International（荷兰Gouda）完成。“我们仅派监工协助面板搬运，”Affan指出。“吊装方式关键。面板设计强度足以应对其在建筑中特定位置的受力。但必须通过至少两个吊点按特定方式吊装，就像传统建筑中悬挂盒式面板一样。”

还有一个Affan独特资质可解决的问题。“为使每块面板就位于钢结构上并形成平滑表面，我们需要在深度、方向和曲率上以3D方式调整面板——即一种三自由度万向节。1985年我在加州NASA作为学生研究空间站结构阻尼。关键是能在航天飞机对接时移动调整各结构以快速阻尼振动，有点像降噪。我将同一技术用于面板安装调整。”

又因面板提供建筑水密密封，面板间不能有缝隙。“面板不能直接对接，否则会开裂，”Affan解释，因悬臂第六层展区1.5吨高活荷载，钢结构实际会动。“我们保持面板间精确间隙，填入特种垫圈。”这种垫圈足够软以膨胀密封，又足够刚性承受载荷，在保证建筑美观的同时提供密封功能。

Affan指出此类方案优势。“因我们来自结构背景，能结合多种材料。这非常重要。复合材料只是我们使用的一种材料。这不仅仅是复合材料项目。”结果不言自明。“安装很顺利，完全没有问题，”Affan说，指出无法检查面板是否吻合，只能确保其符合数字文件。“至今没有一块面板不吻合、形状错误或文字拼错，”Buro Happold项目经理Bauly在Elizabeth Bains的BBC文章中作证。

未来模块化建筑

“我们全程协同管理，”Affan补充。“公司内部团队协作也关键；设计组和铺层组必须配合。我们从未做过这么大的项目，充满挑战，但我们喜欢挑战。”

遗憾的是COVID-19造成冲击。“我们在疫情封锁前刚完工，”他说。“现在团队缩减至30人以下。毁灭性打击。但这影响所有人，不只我们。”然而Affan对未来及复合材料在建筑实现可持续性和创新中的作用充满希望。“特别是迪拜和海合会（GCC），人们渴望尝试新理念。这正演示未来建筑与施工的模样。”

他强调，未来属于能运用模块化建筑体系的人，“COVID-19实际上在加速这一进程。公司将在工厂制造模块再运至现场。这将把低效环节从现场转移到工厂，提升管控和质量。现场需协调所有人员，浪费时间等待分包商，还依赖天气和停工。工厂制造消除所有这些。复合材料因坚固、轻便、耐用、易运输安装，可实现这种模块化建筑，且能制造任意形状。”

Affan指出模块化建筑在邮轮上用了多年，每个舱室预制完善（含暖通、电气、管道），像乐高积木一样组装进船体钢框架。“想象一下每个模块已完善配套能节省多少时间。我们正考虑用复合材料以此法建高层建筑，”他说。“若有FR树脂，就不需要以前必须的金属部件。”他引用去年纽约完成的一家万豪酒店采用此法建造，“那栋楼用钢和木，但我们可以用复合材料建。”