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相比于其他建筑材料，塑料在建筑中的应用时间极其短暂。从1868年首个塑料品种赛璐珞(Celluloid)诞生至今，不过150年的历史。而其在建筑上的应用是从20世纪60年代才开始有较大发展。在这短暂的历史中，塑料衍生出繁多的品种，性能也随技术的发展不断得到提升，并在建筑中得到更加广泛的应用。
2016年4月，同济大学出版社“光明城”出版了《塑料外衣——塑料建筑与外墙概览》一书(图1)。这本书是北京市建筑设计研究院有限公司胡越工作室对近年来塑料外墙项目研究的一个总结，整理论述了塑料的品类、性能、发展以及在建筑外墙中的应用，并汇编了大量的建筑实例索引，具有工具书的特点，可供建筑师随手翻阅。
图1 《塑料外衣——塑料建筑与外墙概览》封面
1新兴建筑表皮——塑料
作为森佩尔(Gottfried Semper)的建筑四要素(火炉hearth、基座earthwork、屋架/屋面framework/roof、围合性表皮enclosingmembrane)之一，建筑表皮始终是建筑师关注的重点，并随着材料技术的发展不断演进。在漫长的建筑史当中，人们不断寻求结构上的突破，开放建筑外墙从而打破黑暗，引入阳光。这其中有两次较大的突破：一次是哥特建筑骨架券和飞扶壁的使用，减轻了外墙承重;另一次是19世纪钢铁和混凝土技术的发展，框架体系的应用彻底解放了建筑外墙，使建筑表皮成为可自由发挥的围护结构。其后，以1851年伦敦世界博览会“水晶宫”为标志，玻璃幕墙逐渐发展起来。直到20世纪60年代，一种新的建筑表皮悄然兴起并快速发展，成为了玻璃幕墙替代品，那就是塑料表皮。
与玻璃相比，塑料具有重量轻、强度高、造价低、可塑性强的特点，且造型与颜色更具多样性，这使其被广泛应用到建筑设计当中。塑料原意是“可以被成型加工的材料”，是合成树脂在加工过程中加入(或不加入)增塑剂、填充剂、润滑剂（词条“润滑剂”由行业大百科提供）、着色剂等添加剂，在一定强度和压力下塑造成一定形状，并在常温下能保持既定形状的有机高分子材料。1872年首个塑料品种赛璐珞(Celluloid)在美国建厂生产，1907年制成第一种合成塑料酚醛塑料(PF)，之后的半个世纪当中，聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基（词条“甲基”由行业大百科提供）丙烯酸甲酯(PMMA， 可制造出有机玻璃)、聚乙烯(PE)、尼龙（词条“尼龙”由行业大百科提供）(Nylon，第一种合成纤维)、聚酯纤维(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)先后被发明出来。但直到20世纪60~70年代，塑料在建筑上才得到较大发展。
塑料在建筑外墙应用最早的实例之一是一幢组装的塑料项目“未来之屋”(图2)，由美国的孟山都(Monsanto)公司开发和研制，并于1957年在迪斯尼乐园建成，使用白色纤维加强塑料(FRP)预制单元，反映出当年对未来生活场景的一种设想。1968年，马蒂·苏洛宁(Matti Suuronen)设计的飞碟屋(FuturoHouse)度假别墅(图3)，同样由FRP塑料板预制单元组成，极具未来感。而第一座真正意义上的塑料建筑是1972年慕尼黑运动会体育场(图4)，设计者是甘特·贝尼奇和弗雷·奥托(Gunther Behnisch & Frei Otto)。体育场使用聚碳酸酯板（词条“聚碳酸酯板”由行业大百科提供）(PMMA)和拉索结构作为屋面，是一个在技术和材料应用上堪称里程碑式的设计。
图2 迪斯尼乐园的未来之屋
图3 马蒂 • 苏洛宁设计的飞碟屋
图4 1972 年慕尼黑运动会体育场
在之后的发展当中，塑料更多的是以膜材或板材的形式作为建筑表皮发挥围护作用， 这是由塑料的抗腐蚀（词条“腐蚀”由行业大百科提供）、防水（词条“防水”由行业大百科提供）、透光、质轻、造价低、易塑造等特性决定的。建筑膜结构可分为张拉膜和气承表面两类，其中90%使用的是PTFE、PVC、ETFE这三种材料。2010年上海世博会(EXPO)中轴线上的构筑物“阳光谷”采用了张拉膜结构(图5)，由白色PTFE复合膜（词条“复合膜”由行业大百科提供）制成，是当前世界上屋盖跨度最大的膜结构构筑物。而ETFE则主要用于充气枕结构当中，如“水立方”国家游泳中心(图6)，半透明ETFE充气膜单元将自然光引入建筑，减少了能耗。
图5 2010 年上海世博会阳光谷
图6 水立方国家游泳中心
塑料板材易于加工、价格便宜、样式繁多，被大量应用于建筑表皮。材料生产商以塑料为原材料生产出丰富的板材产品，如蜂窝板、夹心板（词条“夹心板”由行业大百科提供）、复合板等，可供建筑师自由选择。弗洛里安·纳格勒(Florian Nagler)设计的德国博宾根(Bobingen)考夫曼霍兹公司货物储运中心(图7)，采用半透明聚碳酸酯（词条“聚碳酸酯”由行业大百科提供）(PC)空心板外墙，立面完整统一，采光良好，与周围环境紧密相连。其使用的聚碳酸酯空心板重量轻、结构硬度强，创造出良好的视觉效果。
图7 考夫曼霍兹公司货物储运中心
2塑料性能与表皮应用
塑料按照用途可分为通用塑料和工程塑料（词条“工程塑料”由行业大百科提供）。在建筑中使用的塑料一般都属于工程塑料。工程塑料早期被应用于工业产品中，是指有着较高的强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗衰老特性，能够被用做工业零件或产品外壳材料的工业用塑料。当塑料制品作为建筑外墙材料使用时，需要考虑重量、静力学、隔热、隔声、耐候、光学特性、防火（词条“防火”由行业大百科提供）、机械应力、抗化学能力、温度范围等性能。这些参数对于一个功能技术合理、满足基本围护要求的建筑外墙来讲十分重要。轻质、耐候、抗腐蚀，具有一定的材料强度和正常使用温度范围，保证了塑料产品可以被安装并长久使用;隔热、隔声、良好的光学特性，保证了建筑室内的舒适度;一定的防火等级和抗冲击强度，保证了突发情况下的建筑安全。除了这些基本性能外，塑料有着其他材料难以比拟的可塑性、柔韧性和可控的透明性， 能够塑造出独特的造型和半透明的空间氛围，从而成为一些建筑师钟爱的材料。
2.1 可塑性与数字建构
计算机和材料的发展带动了数字建构(Digital Tectonic)的兴起，近10年数字技术和设计得到突飞猛进的发展。虽然清华大学徐卫国教授对“数字建构”定义时，强调了结构逻辑和材料逻辑的重要性，可当前的数字建构探索更多地导向了表皮和新造型主义标签下的数字设计和建造元素。这种新的造型元素的实现则更多依赖于新材料的使用。塑料作为一种可塑性极强的新兴材料，通过对成型工艺的控制，可塑造出各种表皮造型。塑料有压模、注塑、挤出、吹塑等多种加工方式，精确的加工技术可以实现复杂的造型。在3D打印技术兴起后，塑料和树脂作为常用原材料，发挥了更为广阔的作用，实现了从数字模型到实体产品的直接输出。虽然目前3D打印建筑技术还不成熟，但以水泥、纤维、塑料、树脂砂浆（词条“砂浆”由行业大百科提供）等为原材料，靠龙门架和打印喷头控制的3D打印建筑正在实验当中。
当今世界许多主流建筑事务所(如SOM、KPF、Aedas)都设有建筑数字技术研究团队，扎哈·哈迪德(Zaha Hadid) 事务所的数字化研究团队CODE在公司内具有十分重要的作用。在计算机技术和结构工程师的配合下，塑料帮助这些团队实现了各种三维造型和曲面图案。扎哈·哈迪德为香奈儿设计的移动艺术馆(Mobile Art Pavilion for Chanel)(图8，9)，采用流动的几何形体和有机的线条组成了一个流动且充满张力的空间。主体为钢结构（词条“钢结构”由行业大百科提供），外墙和屋顶使用三种不同的塑料材质，创造出扭曲、 起伏的造型。
图8 香奈儿移动艺术馆
图9 香奈儿移动艺术馆平面图
建筑外立面采用通过模具成型的增强纤维塑料(FRP)(图10)，质量轻、强度高，对大气、水和一般化学溶剂有较好的抵抗能力。增强纤维塑料可根据需要设计出各种形状的产品，可塑性好，成型工艺多样，可在表面复合多种装饰面。
图10 香奈儿移动艺术馆 FRP 塑料表皮
移动艺术馆屋顶主要采用聚氯乙烯(PVC)复合膜材，采光天窗使用ETFE透明结构膜材。PVC膜是三大复合膜材之一，白色不透明，用于屋顶遮挡阳光。与PVC复合膜不同，ETFE是不含织物的单一聚酯薄膜，透光率（词条“透光率”由行业大百科提供）可达95%，用于屋顶充气枕结构，采光良好。组成移动艺术馆表皮的塑料材质依据网格划分，通过计算机计算出最优结果，经高精度加工制造而成。建筑的实现有赖于数字技术的精确控制，也依赖于塑料材质的超强可塑性。正是这些条件使一座造型优美的曲线作品被呈现出来。
2.2 柔韧性与膜结构
塑料板材虽然可塑性很强，但无论是热塑性塑料，还是热固性塑料，都应保证在正常使用温度下保持既定形状。与此不同的是，塑料膜材则柔软可变，可依主体结构塑造各种形态。塑料膜材是一种高分子复合材料，由基层和面层组成。
基层主要采用聚酯纤维或玻璃纤维，面层常采用聚氯乙烯(PVC)或聚四氟乙烯(PTFE)。乙烯-四氟共聚物(ETFE)则不含基层，为单一聚酯薄膜。膜材一般具有良好的弹性和抗拉性能，PVC膜材料的拉伸能力达到钢材强度的一半，PTFE膜材料的拉伸能力与钢材相当。塑料膜材的弹性、柔软、抗拉等特性是其他建筑材料难以比拟和不可替代的，因此形成了独特的膜结构建筑，可塑造出复杂的曲面形态。塑料膜材常采用充气的方式或钢骨架对其进行支撑、牵拉和固定，故按结构可分为充气膜和张拉膜两大类。
充气膜结构常使用ETFE膜材料，将空气充入气囊形成基本构件，再将基本构件组合形成建筑表皮，气囊中气压一般为室外气压的2～7倍。
如尼古拉斯·格雷姆肖(Nicholas Grimshaw)设计的伊甸园项目(Eden Project)(图11)，赫尔佐格和德梅隆(Herzog & de Meuron)设计的慕尼黑安联足球场(Allianz Arena)(图12)，和“水立”国家游泳中心等。
图11 伊甸园项目
图12-1 慕尼黑安联足球场
图12-2 慕尼黑安联足球场
张拉膜建筑又称索膜结构建筑，是通过钢骨架支承或钢索张拉使膜成型的建筑。理查德·罗杰斯(Richard Rogers)于2000年设计的千年穹顶(Millennium Dome)(图13)采用了张拉膜结构，由玻纤织物基层及白色PTFE涂层复合膜制成，具有良好的耐候性和保温性。穹顶直径365m，中心高度50m，由超过70km的钢索(总用量)悬吊在12根100m高的钢桅杆上(图14)。
图13 千年穹顶
图14 千年穹顶剖面图
PTFE复合膜被固定在钢索之上(图15)，覆盖了巨大的内部空间。独特的张拉膜结构显示了建筑技术与塑料材质的发展水平，其索膜结构设计采用哈泼德事务所开发的Tensyl程序完成。由于张拉膜一般需施加预张应力，因此在一定的初始条件(边界条件和应力条件)下，其应力分布与变形等复杂问题需要计算机来确定，所以计算机技术的快速发展为张拉膜建筑的应用开辟了广阔的前景。
图15 千年穹顶结构与膜连接节点
2.3 透明性与空间氛围
许多塑料都有很好的光学性能，透射率从10%～95%不等，所以常用于替代玻璃等透明材料。聚碳酸酯(PC)板透射率为90%，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)透射率可达93%，都比普通玻璃要高。有些塑料具有全波透射能力，而有些则具有选择性透射能力。所以塑料既可以用于采光要求较高的建筑，又可以做不透明或半透明化处理，以减少阳光的曝晒， 还可以在塑料板表面附加一层特殊效果的薄膜，使建筑外墙具有很好的视觉效果，并减少热量输入。
建筑现象学(Phenomenology)兴起以后，人们更强调身体对建筑的感知，以敏锐的情感体验建筑，所以建筑师对光线和透明度的把握也愈发重要，这给塑料发挥其光学性能提供了很好的机会。梅洛·庞蒂(Merleau Ponty)提出的知觉论，认为身体是感知、体验和知觉的机器。斯蒂文·霍尔(Steven Holl)受知觉论影响，认为建筑与其他艺术相比更能全面地将人们的知觉引入时间、光影与透明度的变化当中。在塑料中加入透明剂，可灵活改变塑料透光率，控制光线进入量，同时还可以改变材料质感，触发感知变化。这就是塑料表皮对空间氛围塑造所起的重要作用。
赫尔佐格和德梅隆设计的利口乐(Ricola)欧洲工厂和仓库(图16)，采用半透明灰色聚碳酸酯(PC)空心板，使自然光经过滤后进入建筑内部。聚碳酸酯板表面使用丝网印刷技术，将卡尔·波罗斯菲尔(Karl Blossfeldt)拍摄的植物叶子图案印在表面(图17)，达到干扰表面透明性的作用。这种处理为建筑塑造出柔和的光线氛围，并把自然质感引入建筑(图18)，使建筑与外部环境产生了抽象的联系。赫尔佐格与德梅隆说： “我们希望建筑能打动人，但并不表现这样那样的观念， 而是要用质感、肌理、空间、光线去塑造空间氛围，让进入的人用身体去感知体验。”
图16 利口乐欧洲工厂
图17 利口乐欧洲工厂 PC 板半透明挑檐
图18 利口乐欧洲工厂 PC 板半透明表皮
3塑料表皮的未来发展
塑料在建筑外墙上的应用不过半个世纪，就已经产生出如此多样的构造形式和立面效果，未来必将有更广阔的发展空间。塑料工业未来的发展趋势多元：微型化、更加节能的加工工艺和技术、生物塑料、时尚材料、可降解、物理化学性能更优化、更美观、复合型材料等。塑料性能的改进和变革将影响建筑外墙的建造和设计，可能引发建筑技术的再一次革新。
当前，建筑外墙的发展正趋于智能化和自动化。装有控制装置的多层建筑表皮将自动调节光照与通风，保证建筑室内舒适度。贴有光学多层薄膜的塑料外墙已经可以自动减少光线进入室内。而时尚塑料的发明将使得建筑外墙更加智能化。所谓时尚材料是指根据环境变化，其刚度或其他性能可发生变化的材料， 时尚塑料将能自行控制光线、 应对环境变化、 自行抵抗破坏。
随着能源问题的突出，生态和节能成为建筑和材料发展的另一趋势。塑料的原材料是资源有限的石油，使用可再生植物原料代替石油是未来重要的研究课题，并已经取得一定进展。塑料的循环利用和可降解将减少对环境的破坏作用，节约能源消耗。塑料的生产能耗分别是钢材和铝材的1/4和1/8，并且随加工工艺的提高将继续减小。使用塑料替代木材、钢材等传统材料，可节能节材、保护生态、改善居住环境、提高建筑质量。美国加州BioLumber公司最新发明的“塑料木材”比传统木材强度更高、更耐用，且质量轻、成本低。
我国虽然在建筑外墙中运用塑料起步较晚，但发展势头强劲。以2010年上海世博会为契机，将建筑外墙应用塑料的实践提升到一个前所未有的高度。北京市建筑设计研究院有限公司胡越工作室一直对材料比较关注，又由于上海青浦项目的机缘，对塑料有了直观的了解。《塑料外衣——塑料建筑与外墙概览》作为胡越工作室塑料外墙项目研究的总结，为其他建筑师提供了参考，也将引发更多人对塑料在建筑中应用的关注和研究
注：本文系原创，转自《建筑幕墙》2017年7月总第6期杂志。
