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混凝土的新發(fā)展—蘇格蘭新議會大樓混凝土運用案例分析
范鐵
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混凝土是現(xiàn)代建筑中運用最廣泛的材料之一，它具有結(jié)構(gòu)性能好，可塑性好，防水性能好和適合工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點。其實早在公元前120年，羅馬人就使用混凝土建造了跨度43.6米的萬神廟。（注解1）
根據(jù)Walter Scholle的歸納，混凝土在上個世紀的歷史發(fā)展可總結(jié)如下: 20世紀初期柯布西耶等現(xiàn)代主義建筑師開始將混凝土運用于建筑的造型設(shè)計和外墻材料，混凝土逐漸從單純的結(jié)構(gòu)材料發(fā)展成為一種建筑材料。在上個世紀60年代混凝土被廣泛地運用于預(yù)制建筑構(gòu)件。然而這個時期的建筑設(shè)計缺乏細部，重復(fù)而且冷漠，給混凝土造成了很大的負面影響。自70年代之后，安藤等建筑師給混凝土的運用帶來了轉(zhuǎn)機，開始重視深層次的工藝制作和個性設(shè)計體現(xiàn)。例如，為了消減混凝土立面的單調(diào)感，混凝土被澆注在特定的模板內(nèi)以增加其表面的質(zhì)感與紋理。這種材料重新吸引了國內(nèi)外廣大建筑師的興趣，不過它的外觀給人的感覺仍然比較單一。（注解2） 90年代以來混凝土在配料，施工和模具制作等技術(shù)方面的發(fā)展使得它的設(shè)計又有了很大的突破，也為建筑創(chuàng)作提供了更多機會。
在過去兩年里，我負責(zé)了蘇格蘭新議會大樓中預(yù)制混凝土部分的設(shè)計和施工。在這個充滿挑戰(zhàn)的工程里，我們嘗試了多種不同類型的混凝土設(shè)計，克服了很多難題同時也積累了很多經(jīng)驗。下面我希望通過這個工程案例的分析來探討混凝土運用的新發(fā)展。
案例背景
1997年5月蘇格蘭作為英聯(lián)邦之一成立了國家議會，首都定在愛丁堡。經(jīng)過一年的籌備，于1998年4月舉辦了選拔新國會大樓建筑師的國際競賽。競賽分兩輪進行。第一輪選出了包括美國的理查·邁耶，西班牙EMBT在內(nèi)的12家建筑師事務(wù)所，之后的第二輪的競賽評比確定了西班牙EMBT和英國RMJM為蘇格蘭議會大樓的聯(lián)合建筑師。
EMBT/RMJM設(shè)計的蘇格蘭議會大樓由新建和改建的幾個建筑組成(如圖1)：沿canongate街北邊是兩個輔助辦公樓，reids close街西邊是議員的辦公室，基地中央是四個4~5層的會議樓，其首層是議員的餐廳和花園，東面臨市民廣場的是國會大堂，其首層是向公眾開放的游客中心。一個復(fù)雜建筑的體量由此消減成七個小建筑，在尺度和體量上呼應(yīng)了基地附近的老建筑。這一建筑群圍合的外部空間，包括與東面的英女皇行宮之間圍合的市民廣場，皆朝向南邊美麗的亞瑟小火山。
圖1：蘇格蘭議會新大樓模型鳥瞰
該工程建筑總面積18550平方米(不包括地下停車場) ，建筑部分總造價約21.6億人民幣(11.6萬人民幣每平方米)，預(yù)計2004年完工。
混凝土在蘇格蘭議會大樓的運用分為三部分：1.主結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆混凝土 2.辦公樓和國會大堂的外墻上部采用預(yù)制混凝土 3. 建筑首層和圍墻采用特別設(shè)計的預(yù)制混凝土。其中建筑首層和圍墻的預(yù)制混凝土是工程中是最復(fù)雜和最具挑戰(zhàn)的部分之一，也是最后完成的部分，它的設(shè)計吸取了前兩個部分的經(jīng)驗。因此，下面的文字討論的主要是議會大樓中首層和圍墻部分(以下簡稱首層部分) 的混凝土在設(shè)計和施工中遇到的問題。
多元化的混凝土
混凝土普遍被認為是一種單調(diào)和冷漠的建筑材料。然而如果能把設(shè)計與混凝土很好的結(jié)合，其實混凝土是一種很豐富多彩的材料。正如Burkhard Frohlich在Diversity instead of Sameness一文中所說的，“混凝土的形態(tài)和色彩可作無窮的變化，它比其他所有的建筑材料都能滿足更廣泛的設(shè)計需求：它可渲染或傷感或歡樂的情緒，也可澆筑出或自持謙恭或開朗動人的結(jié)構(gòu)” 。（注解3） 比如安藤的混凝土，非常講究細部，色彩較淺較柔和，墻面分縫為1800mmx900mm，每塊面上留有6個直徑45mm的小圓孔。這些細部跟人的尺度建立了關(guān)系，雖然簡單卻極大地改變了混凝土的外觀，改善了混凝土給人的冷漠感。地域性混凝土\'的作者卡瑟琳曾評論說，安藤的混凝土敏銳地對環(huán)境作出了反應(yīng)并將混凝土的設(shè)計跟東方文化進行了結(jié)合，使得混凝土更加人性化。（注解4）
在議會大樓的設(shè)計中，預(yù)制混凝土是最重要的外墻材料，被用于國會大堂朝向市民廣場等主要立面和建筑首層部分。該工程的高級建筑師朗姆斯先生曾告訴我，在議會大樓這么重要的項目中采用混凝土作為主要建材的選擇是不尋常的，議員們和規(guī)劃部門曾經(jīng)反對混凝土的選擇，一方面是由於愛丁堡乃一古城，古建筑多采用當(dāng)?shù)禺a(chǎn)的砂巖，人們傾向于將砂巖為建筑的外墻材料以保證古都風(fēng)貌的統(tǒng)一；另一方面還是因為人們對混凝土外觀的擔(dān)心。對此總建筑設(shè)計師米拉勒斯(Enric Miralles)作了如下三方面的解釋:
1. 從城市總體來看，經(jīng)過年代的風(fēng)雨侵蝕，城市里的砂巖已經(jīng)變成了一種不均勻的深灰色，混凝土的灰色跟市中心的古建筑群在色彩上是和諧的；
2. 建筑所在的基地雖然離市中心只有10分鐘的步行距離，但該區(qū)卻是個廢棄的舊工業(yè)區(qū)，混凝土的灰色跟周圍的環(huán)境也是很協(xié)調(diào)的；
3. 議會大樓的預(yù)制混凝土是經(jīng)過特別設(shè)計的。其表面的在脫模后要經(jīng)過吹沙打磨，顯露出配料中的白色石米，因此細看會有類似灰色花崗石的質(zhì)感。此外，在建筑首層和圍墻等離人距離較近的部分，預(yù)制混凝土還作了凹凸、嵌石和鏤空等藝術(shù)處理。這些設(shè)計將會減少混凝土給人的冷漠感。(如圖2)
圖2：表面經(jīng)打磨，含黑色嵌石和鏤空等藝術(shù)處理的預(yù)制混凝土構(gòu)件
安藤和米拉勒斯的設(shè)計風(fēng)格有很大不同，混凝土在他們的建筑中的表現(xiàn)也很不一樣，一個內(nèi)向冷靜一個活躍富動感，正是體現(xiàn)了現(xiàn)代混凝土多元化的特征。自90年代以來技術(shù)的發(fā)展給混凝土的運用帶來了很多新穎的構(gòu)思。通過的結(jié)構(gòu)、形體和表面的不同設(shè)計，混凝土可以被設(shè)計成各種各樣的外觀，以適合不同的環(huán)境，滿足各種品味和需要。目前很多人對混凝土還抱有誤解，阻礙了這種材料的運用。作為一種優(yōu)良的多元化的材料，混凝土在建筑中應(yīng)該獲有更廣泛的應(yīng)用。
具力度美的混凝土
議會大樓中混凝土的設(shè)計跟整體建筑的設(shè)計概念是統(tǒng)一的，它充分顯示出了建筑形體的動感和力量。
關(guān)于議會大樓的設(shè)計概念，米拉勒斯在設(shè)計說明中寫道，“議會大樓不應(yīng)只成為一個代表形象，更要通過建筑表達一種鼓勵參與和協(xié)商的態(tài)度。我們需要的不是簡單、大尺度的和純裝飾性的紀念形式，我們要的是一種跟人的行為和心理有關(guān)的東西……市民坐著，或休息著，或思考著……跟議員們坐在同一片土地上……因此我們覺得這個議會大樓應(yīng)該設(shè)計成土地的一部分……建于這片土地并屬于這片土地。” 當(dāng)建筑融于周圍的景觀之中，它作為一個獨立的物體或形象的感覺就被弱化了。建筑于是解構(gòu)在景觀之中，變成了流動、連續(xù)的大自然中的一些片段。議會大樓的幾個單體像是從南面的亞瑟火山上滑下來的船頭，南面的景觀設(shè)計就像是船頭在大地上滑下的痕跡，船形辦公樓的大懸挑也加強了這種滑動的氣勢。除議員辦公樓外，其他建筑的屋面都是曲面的，還有很多像草圖般隨意切出的開口，或抬高或斜下。首層臨市民廣場的柱子的形狀令人難以描述，像手臂的肌肉，又像激流中被腐蝕的石柱……這都是一些很有力度、動感很強的形式。（如圖3，4）
圖3：混凝土屋面富有動感的切口
圖4：位於首層部分的預(yù)制混凝土柱子
關(guān)于混凝土的力度，建筑師Frank Kaltenbach在Concrete- A Yearning for the Monolithic一文中寫道：“整體的建筑散發(fā)出力量。由單一材料和少數(shù)極收斂的細部造就的普通形象令人反映了現(xiàn)代社會簡潔的特點。如果有人要設(shè)計一個結(jié)構(gòu)、立面、鋪地等各種附件都統(tǒng)一的建筑，那么功能廣泛的混凝土將是最理想的材料。”（注解5）著名現(xiàn)代理論家Kenneth Fraptom在討論路易·康時也有過一些關(guān)于混凝土力度美的評論：“康曾說過宏偉的、連續(xù)的結(jié)構(gòu)是應(yīng)該外露的，因為它的結(jié)構(gòu)自身帶有的美是符合美的規(guī)律的……鋼筋混凝土構(gòu)件可以輕松地在剖面上作出連續(xù)的變化，表達出它所承擔(dān)的荷載變化。”（注解6）
議會大樓的混凝土設(shè)計有如下四個特點:
1. 懸挑結(jié)構(gòu)的跨度大(現(xiàn)澆混凝土)：例如沿cannongate街的辦公樓懸挑25米，2號辦公樓尖端懸挑10米 (如圖5，6)
圖5：Canongate辦工樓的巨大懸挑，劃出了一片動感的天際線
圖6：2號辦公樓的懸挑，象充滿力度的船頭
2. 設(shè)計整體感強：例如立面的預(yù)制件不是重復(fù)一種模式而又稍微有變化。其原型模式為L形。這既是一種殘缺，又是一種添加的圖形，追求圖形完整的人類心理反應(yīng)會使得人的視線和心里都出于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)人的視線在混凝土表面移動的時候，由這些預(yù)制構(gòu)件拼成的建筑最終變成了一連續(xù)和流動的景觀。(如圖7)
圖7：面朝市民廣場的混凝土預(yù)制板
3. 預(yù)制構(gòu)件的尺寸巨大：一般大于4mx3m
4. 拼縫盡量少，轉(zhuǎn)角不設(shè)縫
5. 帶連續(xù)變化的曲面，形體復(fù)雜：比如，Canongate圍墻的預(yù)制混凝土，這是整個工程中形體最復(fù)雜的一種設(shè)計。簡單描述它是一個剖面沿長度不斷變化的形體，基本分為上下兩曲面，上下兩曲面間在中部還變形出一個內(nèi)凹的部分。(如圖8，9)
圖8：沿Canongate街的立面設(shè)計，首層為預(yù)制混凝土
圖9：Canongate街首層預(yù)制混凝土的剖面
混凝土的力度在議會大樓工程中完善了建筑設(shè)計對動感和力量的追求，不過混凝土在表達力度的同時也帶來了設(shè)計和施工的問題，需要更多的設(shè)計投入。比如上面提到的Canongate圍墻的預(yù)制混凝土，上下兩曲面在早期設(shè)計中是圓錐的一部分。然而這樣每塊預(yù)制件的半徑都會不同，也就意味著每塊混凝土預(yù)制件的模板都不一樣。預(yù)制混凝土的造價主要集中在模板上，能否能盡量多的重復(fù)使用同一模板非常重要的。我們認為原設(shè)計的圓錐曲面可以改成圓柱曲面，只需要將上下兩端進行變化制造視錯覺，也可以達到原設(shè)計的動態(tài)效果。這樣修改后各預(yù)制件的曲面半徑是不變的，于是可重復(fù)使用一套模板，節(jié)約了15倍的造價。議會大樓的混凝土帶來了許多施工方面的挑戰(zhàn)等，有些可在設(shè)計上解決，有些則需要先進技術(shù)的支持，后一個問題將在后面的文字中繼續(xù)討論。
融合高技術(shù)的混凝土
英國建筑標準BS 8297:2000為預(yù)制混凝土構(gòu)件的設(shè)計、施工、運輸和安裝提供了很多建議和指導(dǎo)。英國還有很多文件比如混凝土協(xié)會的各種報告等對施工的某些具體方面作了詳細的解釋，然而這些標準關(guān)注的都主要是些設(shè)計和施工的基本要求和常用方法。由于首層部分混凝土的設(shè)計非常具有挑戰(zhàn)性，我們需要自行實驗和摸索。其中施工困難較大的部分之一是表面帶凹凸、透空和嵌石等復(fù)雜的處理的混凝土。由于混凝土構(gòu)件都尺度巨大，而且形體復(fù)雜，還經(jīng)常會帶轉(zhuǎn)角構(gòu)件，更是增加了難度。
其中首層部分混凝土的凹凸處理分為兩種。一種是帶竹子圖案的平面混凝土板(如圖10，11)。關(guān)于如何在混凝土面上展示竹子圖案我們還嘗試過化學(xué)腐蝕的方法(類似赫爾佐格設(shè)計的Ebersnwalde圖書館) ，最后覺得裝飾味太濃，跟總體設(shè)計不和諧而決定作混凝土的凹凸。為了制造帶竹子圖案的模板，施工單位購置了一臺能讀取CAD三維模型的機器人。開始竹子的設(shè)計圖案是內(nèi)凹的，后來改作外凸的，因為這樣模具的制作可以節(jié)省5倍以上的時間和造價；另一種凹凸處理是在北面沿canongate街的一段形體復(fù)雜的混凝土墻，其表面上刻有米拉勒斯的草圖和其他一些類似地形等分線般的圖案(如圖12，13，14)。由于目前模具機器人技術(shù)只能制作平面的模板，我們的解決方法是先用機器人制作個平面的正模板，然后用這個平面的模板澆個橡膠負模板。因為橡膠模板可以彎曲，最后再把這個橡膠模板壓到曲面混凝土板的結(jié)構(gòu)模板里。
圖10：表面帶竹子紋理的預(yù)制混凝土設(shè)計
圖11：帶竹子紋理的木模板
圖12：Canongate街首層預(yù)制混凝土的樣品
圖13：制作模板的機器人
圖14：已壓入曲面主模板的橡膠模板(灰色部分)
對于該工程中部分形體或表面設(shè)計比較復(fù)雜的構(gòu)件，普通混凝土已經(jīng)不能滿足要求，需要采用一些新型的混凝土產(chǎn)品，如self-compacting混凝土和纖維加強混凝土。self-compacting混凝土比較適合一些曲面和轉(zhuǎn)角構(gòu)件的澆筑，因為這種混凝土在澆筑時不易流動，而且不需要振蕩也沒有什么氣泡，有利于解決這些構(gòu)件的在施工中的難題。另外，預(yù)制混凝土除了制作，還需要考慮安裝的問題。在結(jié)構(gòu)相同的情況下，纖維加強混凝土的尺寸一般小於普通混凝土30%以上，這個優(yōu)點不僅使得構(gòu)件顯得更加輕盈，還可以極大地減小構(gòu)件的重量，方便安裝。
最近30年以來，混凝土在技術(shù)方面的發(fā)展很快。雖然混凝土仍然保留了人工澆筑的傳統(tǒng)過程，然而在成分、合成和模具制作等方面已經(jīng)融入了很多高技術(shù)的成分。假如沒有技術(shù)的支持，議會大樓工程中混凝土的實施簡直是無法想象的。此外，技術(shù)也給混凝土設(shè)計帶來了更多更有挑戰(zhàn)的構(gòu)思和啟發(fā)。
細膩敏感的混凝土
混凝土一般由混凝土粉，骨料和水構(gòu)成，不同的成份和合成比例會形成不同性質(zhì)的混凝土。如果再添加一些別的成份，比如金屬屑，火山灰等，可以合成更多種多樣的混凝土產(chǎn)品。混凝土的外觀除了上面提到的原料會導(dǎo)致色彩的差別外，還很容易在施工的過程中發(fā)生變化。比如，澆筑模板的材料也會對的色彩產(chǎn)生很大的影響。如果模板是木板或其他會吸收水分的材料，混凝土的色彩在拆模后就會比較深，如果模板是塑料或金屬，色彩就會比較淺。通常模板內(nèi)部還會上倒模油，如果涂得不均勻，也會形成國內(nèi)俗稱的“大花臉”。
議會大樓中帶竹子紋理的混凝土使用的是木模板，由于構(gòu)件都比較大，超過了標準木模板的尺寸，只好進行拼接，施工隊在模板內(nèi)側(cè)均勻地涂了一層膠防止拼縫留痕。然而由于在澆混凝土?xí)r還要震蕩，這層膠出現(xiàn)了裂紋，結(jié)果還是在混凝土的表面留下了一條深色的痕。由于構(gòu)件的表面有竹子的紋理，要求不能有縫，施工隊后來加固了模板的拼接解決了這個問題。（如圖15）
圖15：模板裂紋留在混凝土表面的痕跡
模板的拼縫在大尺寸的現(xiàn)澆混凝土中是尤其難免的，在一般的光滑墻面上，這些分縫可以結(jié)合到墻面的設(shè)計中去。比如安藤的混凝土墻面就劃分為1800mmx900mm的網(wǎng)格，路易·康的墻面還將這些分縫當(dāng)成是裝飾。這些分縫一般做法是把模板的邊削個小斜面，于是兩塊模板間形成了個\'v\'形的拼縫，拆模后就留下條突出的分縫。議會大樓的現(xiàn)澆混凝土做法是在模板間夾一小橡膠條，這樣的混凝土墻面是沒有凸起的縫的，不過由于材料的差異會留下淡淡的痕。由于模板的拼接會在混凝土表面留痕，一般在設(shè)計時都需要考慮模板的排列，在立面的基礎(chǔ)上再附加一套模板排列圖是有必要的。
另一個跟混凝土外觀有關(guān)的問題是氣孔，混凝土澆筑時都要通過機械振蕩排出混在液體中的氣泡。要將氣泡從表面完全清除是不可能的，不過氣孔的大小以及分布是否均勻的區(qū)別對混凝土的外觀會有一定的影響。議會大樓的混凝土基本上是看不到氣孔的，因為震蕩的時間很充分，而且我們在設(shè)計已仔細考慮了外露的面，因此在澆模的時候?qū)⑼饴兜拿娉�，氣孔是往上冒的，這樣在外露的面上就不會留下氣孔。與此相對照的是在安藤和路易·康的混凝土。在他們的混凝土表面氣孔是可見的，然而氣孔較小而且分布均勻。作者覺得這些細部差異很重要，令混凝土別有一種味道。
混凝土的色彩和質(zhì)感很多，但是差異很微妙，不僅跟上面談到的因素有關(guān)，還跟澆筑時的溫度和濕度等有關(guān)，因此要想準確地表達和控制設(shè)計標準是很困難的。(如圖16)在議會大樓工程中，建筑師跟施工單位配合較緊密，一起作實驗，改進設(shè)計，并通過樣品來制定施工標準。作者認為這是比較切實可行的方法。從另一角度來看，由于混凝土在凝結(jié)過程中的變化和對環(huán)境的敏銳反應(yīng)，其實也給了建筑師廣闊的空間去想象和設(shè)計這種材料。記得兩年前我去參觀安藤設(shè)計的Vitra會議中心設(shè)計時，特別留意到了混凝土表面幾片很寫意的葉子圖案 (見圖16 左下角照片)，后來看了介紹得知這些圖案原來是施工過程中工地旁的落葉留下的，給了我很大震撼。
圖16：由于施工造成的各種混凝土外觀。左下圖為安騰在Vitra會議中心的現(xiàn)澆混凝土，其余為議會大樓的現(xiàn)澆混凝土
結(jié)語
本文分析了混凝土在蘇格蘭新議會大樓工程中的運用，并歸納為四點進行了討論: 多元化的混凝土、具力度美的混凝土、融合高技術(shù)的混凝土和細膩敏感的混凝土。然而作者需要說明的是，在該工程項目中雖然建筑師們作出了很多努力，但這些設(shè)計最后能否得到公眾的認同還有待進一步的討論和研究。另外，本文對混凝土的分析僅限於蘇格蘭議會大樓工程，這對混凝土廣泛的適用范圍是遠不夠全面的。例如混凝土在熱工性能和可循環(huán)利用等方面的內(nèi)容，雖沒能納入本文的討論，但也是可以繼續(xù)探討的課題之一。
混凝土經(jīng)過上個世紀的發(fā)展，已經(jīng)從一種簡單的結(jié)構(gòu)材料轉(zhuǎn)變成了一種富有詩意的浪漫的建筑材料，從一種單一的材料擴展成了一種多元化的材料，從一種低技術(shù)含量的材料發(fā)展成了一種高技術(shù)含量的材料。從本文的案例分析和討論中可以看到，混凝土突然給與了我們這么多的選擇，新的設(shè)計構(gòu)思自然也就會不斷產(chǎn)生。最后我想引用路易·康關(guān)于現(xiàn)代建筑材料的一段話結(jié)束本文對混凝土發(fā)展的討論：
鋼鐵、混凝土、玻璃、夾板、石棉、橡膠和塑料，都是今天正在被廣泛運用的建筑材料。鉚接逐漸被焊接替代，傳統(tǒng)的水泥經(jīng)過預(yù)應(yīng)力、震蕩和合成等技術(shù)，也正成為精致的產(chǎn)品……這些材料尚未被了解的性質(zhì)正逐漸被開發(fā)，舊的施工方法正逐漸被拋棄……這些不計其數(shù)的化工產(chǎn)品，包括前面提到的各種材料，一起重構(gòu)了設(shè)計師的調(diào)色盤……標準化、預(yù)制構(gòu)件和實驗樣品……這些不過是化學(xué)家、物理學(xué)家、工程師和生產(chǎn)商通過現(xiàn)代技術(shù)來駕馭這些具有廣泛潛力的材料的方法。明智的設(shè)計師不應(yīng)該懼怕它們，相反，學(xué)習(xí)這些知識對于設(shè)計師是必要的，這樣他才能敢于運用這些材料，從中獲取靈感并勇于創(chuàng)新。如此他設(shè)計師的作品才會屬于他的時代，給人以振奮。（注解7）
注釋
1. Burkhard Frohlich 2002, Diversity instead of Sameness, Concrete Architecture Design and Construction, P8
2. Walter Scholler, Exposed Concrete Design After 1969, Detail Jan 2001, P33
3. Burkhard Frohlich 2002, Diversity instead of Sameness, Concrete Architecture Design and Construction, P8
4. Catherine Slessor 2000, Concrete Regionalism, published by Thames & Hudson
5. Frank Kaltenbach 2003, Concrete- A Yearning for the Monolithic, Detail April 2003, P318
6. Kenneth Frampton, Studies in Tectonic Culture, P211-212
7. Kenneth Frampton, Studies in Tectonic Culture, P215
參考書目
Annette W. LeCuyer 2000, Radical Tectonic, published by Thames & Hudson
Burkhard Frohlich 2002, Diversity instead of Sameness, Concrete Architecture Design and Construction， published by Birkhauser
Catherine Slessor 2000, Concrete Regionalism, published by Thames & Hudson
Detail January 2001, Special Issue on Concrete
Detail April 2003, Special Issue on Concrete
Duncan Macmillan, Holyrood Uncovered, The Scotman 6 March 2003
Elcroquis 100/101, Special Issue on Enric Miralles 1996-2000
Kenneth Frampton, Studies in Tectonic Culture
Tagliabue Lahuerta 1995, Enric Miralles: A Mixed Talk |
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