上海世博會(huì)建筑技術(shù)及建筑材料應(yīng)用

上海世博集團(tuán)發(fā)展有限公司 吳躍東

上海久能能源科技發(fā)展有限公司 余 毅 宣海峰

1 前言

中國(guó)每年消耗的能源有1/3用于建筑。所以，建筑節(jié)能是非常重要的一個(gè)方面。2010年上海世博會(huì)以綠色建筑為標(biāo)準(zhǔn)的建筑節(jié)能方面有許多先進(jìn)的技術(shù)和產(chǎn)品。以下分為場(chǎng)館建筑技術(shù)和建筑材料兩大部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。場(chǎng)館的建筑技術(shù)分為建筑技術(shù)、施工技術(shù)和輔助軟件進(jìn)行了總結(jié)。建筑材料分為無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料和復(fù)合材料進(jìn)行了總結(jié)。

2 場(chǎng)館建筑技術(shù)

2.1 建筑技術(shù)

2.1.1 循環(huán)式呼吸井（見(jiàn)圖1A）

1）來(lái)源：日本館

2）釋義：循環(huán)呼吸柱是用鐵管制成的圓筒狀柱子，表層貼有ETFE薄膜，內(nèi)帶有反光劑，采光的地方為半透明或透明的膜。

3）技術(shù)點(diǎn)：

（1）循環(huán)式呼吸井可作為承重柱。由于日本館的設(shè)計(jì)像一個(gè)“巨蛋”，其設(shè)計(jì)使用的六個(gè)循環(huán)式呼吸井可以作為建筑的承重柱，極大的節(jié)約了鋼架的使用。

（2）自然通風(fēng)。在炎熱的夏季底部和頂部溫差形成上升氣流把地下的冷空氣送到建筑物內(nèi)，給室內(nèi)空氣降溫。并由室內(nèi)CO2傳感器進(jìn)行判斷，當(dāng)自然通風(fēng)無(wú)法有效運(yùn)作時(shí)，通過(guò)循環(huán)式呼吸孔道強(qiáng)制性地導(dǎo)入新風(fēng)或使用空調(diào)。

（3）導(dǎo)光管的作用?？蓪⑹彝夤饩€引入室內(nèi)，減少室內(nèi)照明用電.

（4）收集雨水。在建筑物地下有一個(gè)集水井，一方面可用于室內(nèi)降溫，另一方面可供屋頂噴霧降溫之用水.

4）應(yīng)用：大跨度建筑物2.1.2光伏水幕墻（見(jiàn)圖1B）

1）來(lái)源：法國(guó)阿爾薩斯案例館

2）釋義：光伏水幕系統(tǒng)從外到內(nèi)有三個(gè)層面，外層為太陽(yáng)能密閉艙，中間層為密閉艙的空氣腔，最后太陽(yáng)能電板和第一層玻璃形成一層為水幕和承載水幕的玻璃墻。

3）技術(shù)點(diǎn)：

（1）可開(kāi)啟式太陽(yáng)能密閉艙。由電腦自動(dòng)控制，根據(jù)情況將密閉艙打開(kāi)或合上。

（2）在太陽(yáng)能組件和玻璃幕墻之間形成氣流和水流，通過(guò)調(diào)節(jié)角度，不但能有效滿足采光需求，而且在炎熱的夏日通過(guò)流水調(diào)節(jié)墻面溫度，極大地降低了對(duì)空調(diào)的依賴。

（3）采用低壓并網(wǎng)模式，在太陽(yáng)能發(fā)電量不足的時(shí)候采用市電補(bǔ)充。

4）應(yīng)用：建筑的幕墻

2.1.3 生態(tài)氣候樹(shù)（見(jiàn)圖1C）

1）來(lái)源：馬德里案例館

2）釋義：一座十邊形的鋼結(jié)構(gòu)建筑，“樹(shù)”上裝有自動(dòng)開(kāi)戶的百葉窗和直徑7m的引風(fēng)機(jī)，通風(fēng)功能強(qiáng)大，“樹(shù)”頂裝有太陽(yáng)能電池板，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部能源自給。

3）技術(shù)點(diǎn)：

（1）裝有太陽(yáng)能電池板，實(shí)現(xiàn)能源自給。（2）利用百葉窗和引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)內(nèi)部環(huán)境。4）應(yīng)用：公共廣場(chǎng)

2.1.4 外墻垂直綠化（見(jiàn)圖1D）

1）來(lái)源：法國(guó)阿爾薩斯案例館

2）釋義：對(duì)建筑物外墻面進(jìn)行垂直綠化，對(duì)建筑物起到裝飾及調(diào)節(jié)作用。

3）技術(shù)點(diǎn)：

（1）采用專用種植箱和土袋盛裝輕質(zhì)種植土，自動(dòng)控制微灌并施肥。全部模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，安裝拆卸方便，維護(hù)簡(jiǎn)單。

②減少二氧化碳，調(diào)節(jié)空氣溫度濕度。

（4）應(yīng)用：任何建筑的外墻面

2.2 施工技術(shù)

2.2.1 雙曲面鋁板幕墻設(shè)計(jì)施工技術(shù)（見(jiàn)圖2A）

1）來(lái)源：上汽-通用汽車館

2）釋義：由均為異形且尺寸不同的6000多塊鋁板組成的一萬(wàn)多平方米的，漸開(kāi)線螺旋上升形式的幕墻，且所有鋁板面板與面板之間的縫隙為5mm。

3）技術(shù)點(diǎn)：

（1）為了保證面板與面板之間的間隙為5mm，鋁板幕墻采用反安裝系統(tǒng)方式，突破常規(guī)鋁板幕墻在外側(cè)安裝的系統(tǒng)形式。

（2）由于每一塊鋁板均為異形且為雙曲面，常規(guī)做法則需制作相應(yīng)的模具和焊接方式來(lái)保證加工雙曲面，會(huì)大大的增加工程造價(jià)。為了降低成本并保證效果，采用了弧面板不折邊的方式，折邊采用焊接種釘連接拉彎型材的形式固定，鋁板弧面采用定型鋁板來(lái)控制。

4）應(yīng)用：型形幕墻

2.2.2 單層網(wǎng)殼的半剛性結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖2B）

1）來(lái)源：阿聯(lián)酋館

2）釋義：該半剛性節(jié)點(diǎn)為美國(guó)諾藍(lán)公司（Novum Structure）所持專利，桿件間的連接均可拆卸。

3）技術(shù)點(diǎn)：

（1）網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)處，鋼管的端部設(shè)置擰螺栓的施工孔，并焊有材性為ZG20SiMn的鑄鋼件，鑄鋼件上設(shè)置螺栓孔。

（2）對(duì)應(yīng)鑄鋼件的上下部分分別設(shè)置一金屬圓盤，材性為45號(hào)鋼。

（3）鑄鋼件與金屬圓盤通過(guò)10.9級(jí)的高強(qiáng)螺栓連接，螺栓規(guī)格主要為2M24，部分為2M27，并按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求施加預(yù)緊力。

4）應(yīng)用：連接件

2.3 輔助軟件

2.3.1 IES VE環(huán)境能源整合分析軟件

1）來(lái)源：新加坡館

2）釋義：IES VE是由英國(guó)IES公司所開(kāi)發(fā)的一款非常成功的集成化模擬分析軟件，集成了風(fēng)環(huán)境、光環(huán)境和全年能耗模擬等等的功能。

3）技術(shù)點(diǎn)：

（1）該軟件在做建筑性能模擬分析時(shí)體現(xiàn)出其巨大的優(yōu)越性和靈活性，尤其在和一些綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)體系，如LEED、BREAAM相結(jié)合時(shí)，就能夠提供更多的評(píng)價(jià)內(nèi)容。目前IES VE可以評(píng)價(jià)LEED體系中大約10多分的內(nèi)容，未來(lái)有望發(fā)展成為一個(gè)LEED認(rèn)證的平臺(tái)，通過(guò)這個(gè)平臺(tái)，可以對(duì)很多內(nèi)容打分，并自動(dòng)形成LEED評(píng)價(jià)報(bào)告。

（2）IES VE還提供了很多獨(dú)創(chuàng)性的分析內(nèi)容，如人員疏散模擬分析、投資運(yùn)行費(fèi)用分析、優(yōu)化比選分析等，豐富了IES VE的軟件架構(gòu)，為未來(lái)進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

（3）IES VE在選擇自己的核心算法時(shí)具有比較好的前瞻性，其核心模塊——熱模塊和照明模塊——的計(jì)算引擎都保證了足夠的先進(jìn)性，如熱模塊中空調(diào)系統(tǒng)模擬分析、自然通風(fēng)模擬分析是很多軟件所不具備的內(nèi)容；再比如照明模塊以Radiance為內(nèi)核，確保了計(jì)算的權(quán)威性

4）應(yīng)用：能源分析

2.3.2 XSTEEL鋼結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)軟件

1）來(lái)源：上汽-通用汽車館

2）釋義：芬蘭Tekla公司開(kāi)發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件，它通過(guò)創(chuàng)建三維模型以后自動(dòng)生成鋼結(jié)構(gòu)詳圖和各種報(bào)表。保證了鋼結(jié)構(gòu)詳圖深化設(shè)計(jì)中構(gòu)件之間的正確性。同時(shí)Xsteel自動(dòng)生成的各種報(bào)表和接口文件，可以服務(wù)于整個(gè)工程。

3）技術(shù)點(diǎn)：

（1）Xsteel是一個(gè)三維智能鋼結(jié)構(gòu)模擬、詳圖的軟包。模型可以包括零部件的幾何尺寸、材料規(guī)格、橫截面、節(jié)點(diǎn)類型、材質(zhì)、用戶批注語(yǔ)等所有信息。

（2）能隨時(shí)校核選中的幾個(gè)部件是否發(fā)生了碰撞。模型能自動(dòng)生成所需要的圖形。

（3）模型中所有元素包括梁、柱、板、節(jié)點(diǎn)螺栓等都是智能目標(biāo)，當(dāng)構(gòu)件的屬性改變時(shí)相鄰的節(jié)點(diǎn)也自動(dòng)改變?？梢允谷藶樗鸬腻e(cuò)誤降低到最低限度。

（4）可以自動(dòng)生成構(gòu)件詳圖和零件詳圖。構(gòu)件詳圖還需要在AutoCAD中進(jìn)行深化設(shè)計(jì)；零件圖可以直接或經(jīng)轉(zhuǎn)化后，得到數(shù)控切割機(jī)所需的文件，全部零件完全由數(shù)據(jù)設(shè)備加工，給生產(chǎn)帶來(lái)革命性的改變。

（5）可以自動(dòng)生成報(bào)表，如螺栓報(bào)表、構(gòu)件表面積報(bào)表、構(gòu)件報(bào)表、材料報(bào)表。

4）應(yīng)用：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是奇異形構(gòu)件設(shè)施

2.4 小結(jié)

建筑的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)對(duì)建筑節(jié)能有著重要的影響。以上提到了三個(gè)大方面共八項(xiàng)技術(shù)就是針對(duì)建筑的不同環(huán)節(jié)的新型技術(shù)，值得推廣應(yīng)用。氧化膜的厚度來(lái)取得動(dòng)態(tài)色彩，Granex飾面可通過(guò)控制氣泡的產(chǎn)在以在不銹鋼及金屬表面制造出粗糙度不同的飾面。

3）技術(shù)點(diǎn)：

（1）不銹鋼具有自然的透明氧化膜，可以防腐蝕。

（2）光線在金屬層和是氧化膜兩個(gè)面層上進(jìn)行反射、折射，氧化膜厚度不同造成不同的顏色。

（3）色彩不會(huì)受到紫外線破壞，不褪色；較厚的氧化膜提高了材料的防腐蝕性能。

4）應(yīng)用：對(duì)建筑壽命及建筑外觀有較高要求的場(chǎng)所。

3.1.2 新型耐候鋼板（見(jiàn)圖3B）

1）來(lái)源：澳大利亞館、盧森堡館

2）釋義：通過(guò)在鋼板中添加的合金來(lái)隔絕氧化層，從而提高耐候性，銹蝕過(guò)程將停滯在鋼板表面部分。耐腐蝕性為一般鋼材的4-6倍。比普通碳素鋼的耐久性高4倍。

3）技術(shù)點(diǎn)：

3 新型建筑材料

3.1 無(wú)機(jī)材料

3.1.1 RIMEX Granex飾面（見(jiàn)圖3A）

1）來(lái)源：阿聯(lián)酋館

2）釋義：RIMEX通過(guò)將鋼材浸在熱的鉻和硫酸中，增加

（1）在鋼材中加入磷、銅、鉻、鎳等微量元素后，使鋼材表面形成致密和附著性很強(qiáng)的保護(hù)膜，阻礙銹蝕往里擴(kuò)散和發(fā)展。

（2）表層有自然的銹紅色，可以給建筑外立面帶來(lái)不同凡響的效果。而且抗腐蝕的性質(zhì)可以使建筑外立面無(wú)需保護(hù)漆。

（3）耐候鋼為熱軋材料，最小屈服強(qiáng)度350MPa，具有良好的可焊性和可塑性，可與一般鋼材或耐候鋼焊接。厚度：3MM-20MM，強(qiáng)度：AS1365（澳標(biāo)）。

4）應(yīng)用：展館、仿古建筑，甚至船運(yùn)等3.1.3透明混凝土（見(jiàn)圖3C）

1）來(lái)源：意大利館

2）釋義：由一種特殊的透明體和特殊的水泥組成。覆蓋了意大利館40%的面積。光線透過(guò)不同玻璃質(zhì)地的透明混凝土照射進(jìn)來(lái)，形成一個(gè)半透明的效果。

3）技術(shù)點(diǎn)：

（1）這種透明混凝土是由一種特殊的透明體和特殊的水泥組成。這種透明體能夠很好地和水泥結(jié)合在一起，并提高抗折度和抗壓度。

（2）這種水泥具有吸收二氧化碳和灰塵的特殊效果，根據(jù)加入透明體的多少控制透光度。

（3）A級(jí)阻燃，硬度強(qiáng)于一般水泥，制造弧形墻面的話可以彎曲。透光度佳、隔熱性佳、無(wú)機(jī)材質(zhì)、綠色環(huán)保、經(jīng)久耐蝕、施工迅速、顏色多樣。

（4）與一般玻璃相比，其優(yōu)點(diǎn)主要有：這種材料水泥需要的煅燒量少，耗費(fèi)能源少；它可以濾除紅外線，這樣就更易于控制室內(nèi)溫度。

圖4 有機(jī)材料

4）應(yīng)用：展館、娛樂(lè)場(chǎng)所和仿古建筑的外墻，甚至是家具臺(tái)面等。

3.2 有機(jī)材料

3.2.1 定向結(jié)構(gòu)麥秸板（OSSB）（見(jiàn)圖4A）

1）來(lái)源：萬(wàn)科館

2）釋義：定向結(jié)構(gòu)麥秸板（OSSB）是以麥秸稈為原料生產(chǎn)的一種板材，具有天然木材的各種長(zhǎng)處，又消除了天然木材橫向強(qiáng)度低、易開(kāi)裂的缺點(diǎn)；其物理特性、經(jīng)濟(jì)特性和環(huán)保特性均優(yōu)于木質(zhì)板。

3）技術(shù)點(diǎn)：

（1）麥秸是小麥?zhǔn)斋@后的廢棄物，容易獲得。OSSB內(nèi)芯部分的麥秸橫向排列，外部則縱向排列，因而比用木屑等材料制作的人造板（OSB）強(qiáng)度更大，性能更穩(wěn)定。

（2）保溫性能很好，可以降低房間取暖降溫的能耗；不含甲醛；以麥秸取代木材制作板材，還能減少木材砍伐量。

4）應(yīng)用：用于混凝土模板，承重／非承重墻體，室內(nèi)裝修等。

3.2.2 聚碳酸酯（PC）板（見(jiàn)圖4B）

1）來(lái)源：石油館、上海企業(yè)聯(lián)合館

2）釋義：聚碳酸酯,簡(jiǎn)稱PC。具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能，耐沖擊性優(yōu)異，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度高,尺寸穩(wěn)定；具有良好的耐熱性和耐低溫性，可在 -60～120℃下長(zhǎng)期使用，阻燃及耐候性好。

3）技術(shù)點(diǎn)：

（1）石油館四面采用了PC板材結(jié)合LED背景光源作為建筑外表皮，面積達(dá)到3600m2，這是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)采用大面積的異形PC板材作為建筑外表皮。

（2）上海企業(yè)聯(lián)合館的“透視裝”的原材料是廢舊光盤。上海每年產(chǎn)生的廢舊光盤在3000萬(wàn)張以上，只有25%得到了回收與再利用。將這些光盤回收清洗，再造出新的聚碳酸酯塑料顆粒制成塑料管，并將“魔方”的技術(shù)設(shè)備管線容納其中。

4）應(yīng)用：建筑外墻面，其他物體外表面

3.2.3 ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）膜（見(jiàn)圖4C）

1）來(lái)源：日本館

2）釋義：ETFE膜，非常薄（厚度小于200微米），每個(gè)膜都由紅藤色和透明的雙層膜構(gòu)成，形似空氣枕，中間通常被充入空氣。

3）技術(shù)點(diǎn)：

（1）ETFE膜具有很強(qiáng)的伸縮性。

（2）采用這種輕量膜結(jié)構(gòu)以后，可大大減輕建筑物自身的重量，可減少約30%～40%的用鋼量；對(duì)基礎(chǔ)的承重要求也大大降低。

（3）使用了片筏基礎(chǔ)，有利于世博會(huì)后的場(chǎng)館拆除，這種設(shè)計(jì)可以降低二氧化碳排放，減少混凝土的用量，因此比較環(huán)保。阻燃性好，燃燒性能等級(jí)為B1級(jí)。

4）應(yīng)用：建筑表面、可移動(dòng)屋頂結(jié)構(gòu)等。

3.3 復(fù)合材料

3.3.1 鱗狀花紋紙塑復(fù)合板建筑材料（見(jiàn)圖5A）

1）來(lái)源：芬蘭館

2）釋義：鱗狀花紋紙塑復(fù)合板是一種新型高科技環(huán)保材料，由廢紙和塑料制成，美觀且物理化學(xué)特性優(yōu)異，具有很好的應(yīng)用前景。

3）技術(shù)點(diǎn)：

（1）由廢紙和塑料制成的復(fù)合板。

（2）堅(jiān)硬耐磨；水分含量低，自重輕，不褪色；拆卸方便可回收。

4）應(yīng)用：外墻施工、家居裝飾3.3.2織物立面建筑材料（見(jiàn)圖5B）

1）來(lái)源：德國(guó)館

2）釋義：織物立面使用再生循環(huán)織物，并有可呼吸式防水補(bǔ)西墻系統(tǒng)。主要優(yōu)點(diǎn)：通透性、結(jié)構(gòu)輕盈、遮陽(yáng)隔熱、安裝迅速、個(gè)性化等。

3）技術(shù)點(diǎn)：

（1）預(yù)應(yīng)力技術(shù)，可以使織物的尺寸更穩(wěn)定，涂層更厚，從而使材料更耐久。

（2）Texyloop技術(shù)，可以使織物更環(huán)保；去除PVC織物的廢料；再生循環(huán)織物，得到100%可再生利用的織物，這種循環(huán)真正把材料回歸到最原始的材料，質(zhì)量不會(huì)變差。

（3）可呼吸式防水隔絕系統(tǒng)。這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)墻面的一層膜（Stamisol復(fù)合材料）達(dá)到使墻體里的潮氣排出室外，而外面的潮氣卻不會(huì)進(jìn)入室內(nèi)的功效，從而延長(zhǎng)了建筑物的壽命，并且具有隔熱性，80%-90%的熱量被阻擋在建筑物外。

（4）具有良好的通透性；阻燃性好，燃燒等級(jí)B1級(jí)。

4）應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于體育設(shè)施、交通設(shè)施、商業(yè)中心、展覽中心、會(huì)議和接待中心、倉(cāng)儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、建筑小品等建筑

3.3.3 特種隔音門

1）來(lái)源：上汽-通用汽車館

2）釋義：隔聲效果達(dá)到降噪50dB，在國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品中處于領(lǐng)先地位。

3）技術(shù)點(diǎn)：

（1）采用彈道式回歸鉸鏈。可以減小門在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦；鉸鏈軸采用9度升角，使門扇開(kāi)啟后關(guān)閉自如；保證門扇在關(guān)閉后自動(dòng)下降，與扇底部橫框完全貼合，提高了門的密閉性；通過(guò)調(diào)節(jié)，控制門回歸的速度。

（2）門扇內(nèi)部采用多層材料填充，并加入新型的進(jìn)口隔音氈,有效地反射和阻擋聲波并降低聲波的穿透力。

（3）扇與框、以及扇與扇接觸面，采用大企口接觸面，并在接觸面上增加軟質(zhì)磁性膠條密封，使聲波在穿過(guò)門體縫隙時(shí)被反射和消減，大大地提高門的密閉性和隔聲性。

（4）雙開(kāi)門的次動(dòng)扇頂部采用自動(dòng)式暗插銷。使門在開(kāi)啟時(shí)有主次順序。同時(shí)增強(qiáng)雙開(kāi)門關(guān)閉后門體的穩(wěn)定性。

（5）門框與門扇之間采用平面密封隔聲機(jī)理（國(guó)際首創(chuàng)理論），國(guó)內(nèi)外均采用鍥型密封。

（6）特殊的門板內(nèi)襯，能獲得全頻段極佳的隔聲性能。

4）應(yīng)用：影劇院、歌舞廳、體育館等對(duì)內(nèi)外環(huán)境聲音隔離要求較高的建筑中。

3.4 小結(jié)

建筑材料對(duì)建筑節(jié)能的影響不可小覷。以上提到的各種材料都值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論

以上從建筑技術(shù)和建筑材料兩大方面總結(jié)了2010年上海世博會(huì)的科技創(chuàng)新成果，均標(biāo)明來(lái)源并對(duì)這些成果進(jìn)行了釋義，對(duì)每個(gè)成果的先進(jìn)技術(shù)點(diǎn)以及可能的應(yīng)用進(jìn)行了說(shuō)明。上述先進(jìn)的建筑技術(shù)和新型建筑材料可供各界業(yè)內(nèi)人氏和有關(guān)人員世博后繼續(xù)學(xué)習(xí)和參改。