透光混凝土在戶外空間中的應(yīng)用

■齊可心 ，李克忠，王海東 ，張仲鳳，譚雨婕

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)家具與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院；2.國(guó)家林業(yè)和草原局綠色家具工程技術(shù)研究中心； 3.湖南省綠色家居工程技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙 410004；4.索菲亞家居股份有限公司，廣東廣州 511358）

隨著時(shí)代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，傳統(tǒng)建筑材料已無(wú)法滿足生產(chǎn)的需求，而更加環(huán)保的多功能新型環(huán)保材料逐漸出現(xiàn)于大眾視野中?；炷良词墙ㄖ袠I(yè)中使用最多的材料之一，作為傳統(tǒng)的混凝土也不再局限于現(xiàn)有的基本功能，用戶對(duì)其節(jié)能環(huán)保、實(shí)用美觀方面提出了更高的要求。據(jù)悉，2001年匈牙利建筑師阿隆·羅索尼奇（Aron Losonczi）將混凝土與光導(dǎo)纖維相結(jié)合，發(fā)明了一種名為可透光的混凝土LiTraCon（Light Transmitting Concrete）材料。這種材料與傳統(tǒng)材料不同，不是利用自身基體透光，而是加入導(dǎo)光材料來(lái)透射可見(jiàn)光達(dá)到透光作用。由于生活水平不斷提高，可持續(xù)發(fā)展理念深入人心，透光混凝土的廣泛應(yīng)用，滿足了現(xiàn)代消費(fèi)者對(duì)此需要。

1 透光混凝土概述

1.1 概念

傳統(tǒng)混凝土是由粗骨料、細(xì)骨料及水泥三種成分構(gòu)成，由大塊的碎卵石或碎巖石組成的粗骨料，由較小的天然砂粒組成的細(xì)骨料，以及粉末狀水泥，加入水和適當(dāng)比例的化學(xué)添加劑、礦物摻和料后，所有的成分就會(huì)粘合起來(lái)，攪拌形成一種優(yōu)質(zhì)的建筑混凝土[1]。透光混凝土則是在此基礎(chǔ)上加入導(dǎo)光材料光導(dǎo)纖維而形成的。由于光導(dǎo)纖維體積較小，就像細(xì)小的骨料一樣與傳統(tǒng)混凝土相融合，而且擁有良好的導(dǎo)光性能，不需要經(jīng)過(guò)光熱、光電或光化學(xué)過(guò)程，自身可以按照預(yù)設(shè)的排列路線來(lái)傳輸可見(jiàn)光，因此成為透光混凝土中一個(gè)重要組成部分[2-3]。其實(shí)，透光混凝土并不像傳統(tǒng)混凝土那樣能夠自主澆筑，而是需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的工序制成的一種成品提供人們使用。

■圖1 LED燈

■圖2 上海世博會(huì)意大利館透光混凝土外墻

1.2 生產(chǎn)工藝

根據(jù)光導(dǎo)纖維加入透光混凝土的不同時(shí)段，可將生產(chǎn)工藝分為先植法與后植法兩種。

1.2.1 先植法

首先將設(shè)計(jì)好的文字圖案繪制在XPS或EPS等聚苯乙烯塑料半硬質(zhì)泡沫塊體上。隨后在上面打孔，再穿入預(yù)先準(zhǔn)備的光導(dǎo)纖維棒進(jìn)行固定，將帶有光纖棒的塊體放入事先預(yù)制的砌塊模具內(nèi)[4]，澆筑免振搗的水泥漿或水泥砂漿，等待水泥凝結(jié)成相當(dāng)硬度的石狀固體后鋸切，露出光點(diǎn)圖案。采用先植法工藝，既發(fā)揮了透光混凝土的先進(jìn)性，又保留了傳統(tǒng)混凝土的原始力學(xué)性能[5]。

1.2.2 后植法

后植法是在預(yù)先制好的混凝土制品上繪制圖案文字，并根據(jù)文字圖案的形狀大小進(jìn)行打孔，再穿入預(yù)先準(zhǔn)備的相同規(guī)格的光導(dǎo)纖維棒，經(jīng)切割打磨后完成帶有光點(diǎn)文字圖案的透光混凝土產(chǎn)品[6]。后植法相對(duì)先植法工序較為簡(jiǎn)單，省去了澆筑水泥漿的過(guò)程，透光的效果更好。

1.3 基本特性

1.3.1 透光性

透光混凝土的透光性良好。大量光導(dǎo)纖維平行分布于透光混凝土的兩端，使自然光通過(guò)這些光導(dǎo)纖維從混凝土的一端傳到另一端，從而達(dá)到透光的效果。研究證明，透光率大小取決于光導(dǎo)纖維體積的摻入量。在光導(dǎo)纖維摻入體積比恒定的條件下，透光率與光導(dǎo)纖維的直徑大小成正比，直徑越大透光率越大[7]。一般透光混凝土的透光率為10%～25%左右。

1.3.2 抗壓性

在建筑材料中，透光混凝土是用于制作受壓構(gòu)件的材料，其抗壓性能參數(shù)主要依據(jù)抗壓強(qiáng)度的大小[8-9]?？箟簭?qiáng)度會(huì)隨著光導(dǎo)纖維體積摻量的增大而降低，當(dāng)光導(dǎo)纖維的摻量小于3%，其力學(xué)性能幾乎不受影響，為了使透光混凝土擁有更好的抗壓性和透光性，最為適宜的光導(dǎo)纖維摻量為4%[10]。

1.3.3 耐久性

透光混凝土是一種多孔性復(fù)合材料，混凝土與光導(dǎo)纖維之間結(jié)合不夠緊密，就會(huì)導(dǎo)致外界雜質(zhì)滲入。研究表明，在光導(dǎo)纖維的表層涂刷薄環(huán)氧樹(shù)脂膜有機(jī)硅保護(hù)劑可提高透光混凝土的抗?jié)B透性。透光混凝土長(zhǎng)期與外界環(huán)境接觸，易受溫度變化而引發(fā)凍融作用，使自身強(qiáng)度降低、表面剝離等破壞結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象發(fā)生。研究表明，光導(dǎo)纖維的含量能影響透光混凝土的凍融作用，當(dāng)光導(dǎo)纖維的體積比小于3%時(shí)，透光混凝土因凍融破壞造成的抗壓強(qiáng)度損失不超過(guò)10%。

2 透光混凝土對(duì)戶外光源的要求

由于透光混凝土的透光性良好，日常的可見(jiàn)光都可以作為其光照來(lái)源，如，自然光，火光等。但考慮到透光混凝土在戶外的吸收和透射光線的效果不佳，以及受戶外空間限制等情況。所以，使用時(shí)一般選擇LED系列的人工照明燈（圖1）來(lái)提供戶外光照來(lái)源。如：LED燈管、LED燈板、LED燈帶等。采用LED系列的人工照明燈有以下優(yōu)點(diǎn)。

2.1 節(jié)能環(huán)保

LED燈的耗電量低，其一般工作電壓為2-3.6V，工作電流為0.02-0.03A，所以LED燈消耗的電能不超過(guò)0.1W，在相同照明效果下比傳統(tǒng)的光源節(jié)能80%以上[11]。LED燈由無(wú)毒無(wú)害的材料組成，不但不含汞等有害物質(zhì)，并且所需電壓電流較小，發(fā)熱較小，可供人們?cè)趹敉獍踩褂茫瑢儆诘湫偷木G色照明光源，容易拆裝，便于回收利用。

2.2 體積小

LED燈是將半導(dǎo)體晶體經(jīng)過(guò)一系列加工后封裝在環(huán)氧樹(shù)脂里，體積小，不占位置，使用方便。

2.3 壽命長(zhǎng)

LED燈沒(méi)有可以松動(dòng)的部分，比普通的燈泡和熒光燈管更加耐用，可承受高強(qiáng)度機(jī)械沖擊和震動(dòng)，不易破碎。加上采用先進(jìn)的封裝工藝共晶焊，其壽命達(dá)到8～10萬(wàn)小時(shí)，可長(zhǎng)期為透光混凝土產(chǎn)品在戶外提供光照來(lái)源。

2.4 應(yīng)用靈活

LED光源應(yīng)用靈活，只需要調(diào)整其電流，就可以隨意調(diào)光，不同光色的組合變幻莫測(cè)，達(dá)到理想的動(dòng)態(tài)效果。在計(jì)算機(jī)的控制下，利用紅、綠、藍(lán)三基色的原理，使顏色具有256級(jí)灰度，并任意組合，形成各種各樣的顏色。

3 透光混凝土的應(yīng)用

3.1 透光混凝土應(yīng)用于戶外建筑

透光混凝土可應(yīng)用于戶外的大型建筑外墻（圖2）。其制作幅面大，能澆筑成一整塊外墻掛板。上海世博會(huì)意大利館是國(guó)內(nèi)最為成功的透光混凝土使用案例，建筑外墻采用的是復(fù)合系統(tǒng)。建筑外側(cè)為透光混凝土砌塊，使用了3374塊透光混凝土掛板，覆蓋面積達(dá)到1887m2，約189噸透光混凝土，建筑內(nèi)側(cè)為雙層ETEE結(jié)構(gòu)。這便使整面墻像一扇巨大的窗戶（圖3），白天室外的自然光線穿過(guò)透光混凝土外墻進(jìn)入場(chǎng)館內(nèi)，利用自然光線可降低館內(nèi)燈光的使用，減少能源消耗。夜晚，場(chǎng)館內(nèi)的室內(nèi)光線通過(guò)外墻向外透出，建筑室內(nèi)外空間融為一體，使場(chǎng)館內(nèi)人們走動(dòng)的身影變得朦朧而神秘，給寂靜的夜晚帶來(lái)生命的活力。

3.2 透光混凝土應(yīng)用于戶外家具

透光混凝土可應(yīng)用在戶外公共座凳。其不僅抗壓耐磨且有良好的透光性，適合于制作戶外公共座凳。無(wú)光源的情況下，透光混凝土與普通混凝土無(wú)異，但在借助燈光時(shí)，光線就會(huì)通過(guò)光導(dǎo)纖維透出，給人們營(yíng)造出新奇的氛圍，帶來(lái)不一樣的視覺(jué)效果。國(guó)內(nèi)的藍(lán)寶股份有限公司專注于以透光混凝土進(jìn)行戶外家具設(shè)計(jì)，重慶巴南魚(yú)洞云篆山風(fēng)情區(qū)山腳下的座凳（圖4）即為該公司制作。座凳以中空整體澆筑的透光混凝土長(zhǎng)條打造而成，夜晚在燈光的照射下，座凳上出現(xiàn)點(diǎn)點(diǎn)星光，讓整個(gè)休息區(qū)多了一絲情趣、愜意和溫馨。白天，座凳也可作為觀賞景觀，增強(qiáng)整個(gè)風(fēng)景區(qū)的戶外空間氛圍感，營(yíng)造一種宜居的生活環(huán)境[12-13]。

3.3 透光混凝土應(yīng)用于戶外景觀

透光混凝土在景觀產(chǎn)品中可作為藝術(shù)地面，地面標(biāo)識(shí)指示等（圖5）。戶外的地面由大量的水泥澆灌而成，夜晚顯得十分單調(diào)。而透光混凝土作為新型建筑材料，可解決一定的光照問(wèn)題，可利用自身材料特性來(lái)平衡光影效果，為人們指引方向，形成獨(dú)特的戶外景觀效果。揚(yáng)州萬(wàn)科城市之光的部分地面（圖6）就采用透光混凝土，在地面預(yù)埋LED燈，利用LED燈作為光照來(lái)源透射光導(dǎo)纖維，使夜晚的地面產(chǎn)生五彩繽紛的效果。

■圖3 上海世博會(huì)意大利館透光混凝土外墻內(nèi)面

■圖4 重慶巴南魚(yú)洞云篆山風(fēng)情區(qū)山腳下透光混凝土座凳

4 透光混凝土的優(yōu)勢(shì)

4.1 減少能耗

自然采光能減少建筑和戶外空間的能源消耗[14]。國(guó)內(nèi)大部分的建筑都需要人工照明，人工照明耗能占建筑總耗能的30%～50%。而利用透光混凝土制作的建筑外墻、戶外家具和景觀，可以通過(guò)透射可見(jiàn)光為室內(nèi)、戶外空間提供大量的自然光源，減少戶外人造照明燈光的能耗[15]?？梢?jiàn)，透光混凝土透射的自然光源比LED燈更加節(jié)能。

4.2 藝術(shù)裝飾

透光混凝土有著藝術(shù)裝飾、美化環(huán)境的作用[16]。可根據(jù)人們的不同需求，對(duì)透光混凝土中添加的光導(dǎo)纖維進(jìn)行人為控制，隨機(jī)排列或規(guī)律排列制成不同的圖案、紋理和色彩，白天與黑夜分別以不同的藝術(shù)形式來(lái)展示其獨(dú)特的裝飾效果，燈光的搭配與變幻讓夜色中的透光混凝土顯得更加的神秘與雅致，也給城市增添了更多現(xiàn)代藝術(shù)活力[17]。

4.3 堅(jiān)固耐用

合理調(diào)配混凝土材料與光導(dǎo)纖維的摻入量比例，可以生產(chǎn)出比普通混凝土密度低且力學(xué)性能更好的透光混凝土。透光混凝土硬度高、耐久性強(qiáng)、耐腐蝕，且在使用的過(guò)程中不變形，抗老化性能佳，可在戶外長(zhǎng)期使用[18]。

5 透光混凝土展望

透光混凝土作為一種隔熱材料，能抵御室外極端溫度，陽(yáng)光進(jìn)入時(shí)可在不遮擋日照的情況下隔熱和御寒，這也使得透光混凝土能在惡劣氣候下成為戶外建筑的最佳選擇材料[19]。

透光混凝土可用于地下建筑的照明，如增加地鐵站的能見(jiàn)度等。

透光混凝土可提供安全應(yīng)用，例如減速帶的設(shè)置，可在透光混凝土地面下預(yù)埋LED燈板或其他光源，利用材料特性在夜晚中透出光線，使司機(jī)能在行駛中快速反應(yīng)提前減速[20]。

■圖5 透光混凝土藝術(shù)地面

■圖6 揚(yáng)州萬(wàn)科城市之光透光混凝土地面

我們有理由相信，透光混凝土定會(huì)在不久的未來(lái)走進(jìn)每一個(gè)建筑工地，滲透每一個(gè)角落，發(fā)揮其良好的作用，產(chǎn)生獨(dú)特的效果，成為建筑行業(yè)的佼佼者[21-22]。

6 結(jié)語(yǔ)

透光混凝土是一種擁有良好特性的新型綠色環(huán)保建筑材料，不同的材質(zhì)特性會(huì)給人們帶來(lái)不同的視覺(jué)感受。而在傳統(tǒng)混凝土的基礎(chǔ)上加入光導(dǎo)纖維，利用自然光線來(lái)透射可節(jié)約能源，能減少對(duì)環(huán)境的破壞。還可通過(guò)對(duì)光導(dǎo)纖維的添加和排列，制作出不同裝飾效果和功能的透光混凝土戶外空間建筑、產(chǎn)品及景觀，也可應(yīng)用于其他方面。

透光混凝土可滿足建筑材料的可持續(xù)發(fā)展，但透光混凝土相對(duì)復(fù)雜的生產(chǎn)工藝、運(yùn)輸成本，以及光導(dǎo)纖維用量大、價(jià)格高，增加了透光混凝土的生產(chǎn)成本。如果能在滿足透光混凝土力學(xué)性能的條件下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)澆筑，完善生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本，透光混凝土定能更好地運(yùn)用于戶外空間，產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。