世博建筑中的新型建筑材料.ppt

材料科学与人类文明 3.4 世博建筑中的新型建筑材料 视频 主讲：赵建华 重庆大学材料科学与工程学院 Email: 3.4.1 膜结构材料 1 典型应用场馆 n世博轴是中国2010年上海世博会主入口和 主轴线，地下地上各两层，为半敞开式建 筑。世博轴是世博会一轴四馆五大永久建 筑之一，是一个由商业服务、餐饮、娱乐 、会展服务等多功能组成的大型商业、交 通综合体。 n工程位于浦东世博园区中心地带，总造价 近30亿，为鸟巢及水立方的总和。 n在全长1045米、宽约100米的世博轴上，由 13根大型桅杆、数十根斜拉索和巨大的幕 布巧妙组成了中国第一、世界罕见的索膜 结构建筑。6个形似喇叭的“阳光谷”，其中 最大的上面直径99米，下面直径20米，其 钢结构由1700个单元构建而成，每个单元 又由3个杆件和1个节点组成，节点误差要 小于5毫米。 日本馆 n场馆主题:心之和、技之和 展馆面积:6000平方米 展馆位置:A片区 展馆爱称“紫蚕岛”，远远望去，日本馆犹如一个巨大的紫 蚕宝宝趴在黄浦江边，极富个性的外观宛如拥有生命的生 命体。展馆外观的基调色为红藤色，红藤色由象征太阳的 红色与象征水的蓝色交融而成，可以说是自然的颜色。展 馆的外壁会随着日光的变化及夜晚的灯光变换各种“表情” ，让参观者感受到一种动感。 视频 日本馆馆标 n为“微笑相联”，日文“笑顔”，英文“Smile to Smile”。这一设计不仅充分体现了日本馆所要传递 的核心信息联接，更为重要的是表达了珍视“心灵 的联接”这一主旨。设计者用JAPAN的首字母“J”柔和 的曲线勾勒出了相互联接在一起的笑脸，呈现给人们充 满幸福笑容的美好未来社会。笑脸的色调选择了朱鹮色 ，象征日中友好。 展示亮点 n日本国家馆分为过去、现在、未来3大展区，形态 融合了日本传统特色与现代风格，参观者可以通 过视觉、触觉、听觉等感受到日本馆所传递的信 息和魅力。 n“过去”展区展示保护文化遗产的“精密复制”技术 ，参观者可近距离鉴赏日本名作。 n “现在”展区通过照片透视画及实物展示、影像装 置呈现2020年的未来城市。 n “未来”展区展示具有超高清及望远功能的“万能 相机”、会演奏小提琴的“伙伴机器人”和实现客厅 墙壁与电视机一体化的“生活墙”。 n馆外覆盖超轻的发电膜，采用特殊环境技 术，是一幢“像生命体那样会呼吸、对环境 友好的建筑”。 发电膜是什么 n含太阳能发电装置的超轻薄膜，用来发电 ，以达到零排放。 德国馆 n场馆主题:和谐都市 造型亮点:悬浮于空中的建筑 展馆面积:6000平米 展馆位置:C片区 n开放状的建筑外形轻盈而飘逸，似乎在向参观者们发出真挚的邀请。“严思” 、“燕燕”两位特殊的虚拟讲解员，将陪伴每一位参观者穿行于各个展馆 。穿越了一条充满典型德国都市画面的“动感隧道”后，参观者们便会踏入“和 谐都市”内设计布置奇妙的体验空间。有用灯光、色彩和声响打造的“人文花 园”、展示德国设计产品的“发明档案馆”和“创新工厂”、展示各种德国发明的 新型材料的“材料之园”。 n“动力之源”展厅顶端悬挂着巨大的、表面浮动着 多种图像和色彩的金属感应球。进入大厅的参观 者将被分为两组一起呼喊。金属球将移向呼声更 大更整齐的那组，并变化其球面的图案和色彩。 金属球静止后其表面会呈现地球、地球孕育种子 、种子又变成花的生命诞生的过程。 n展馆由自然景区和展馆主体组成，外墙包 裹透明的银色发光建筑膜，主体由四个头 重脚轻、变形剧烈、连成整体却轻盈稳固 的不规则几何体构成，阐释了“和谐城市” 的主题。 2，膜结构 n膜结构(Membrane)是20世纪中期发展起来 的一种新型建筑结构形式,是由多种高强薄 膜材料(PVC或Teflon)及加强构件(钢架、钢 柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一定 的预张应力以形成某种空间形状,作为覆盖 结构,并能承受一定的外荷载作用的一种空 间结构形式. （1）类型 n膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两 大类.充气膜结构是靠室内不断充气,使室内 外产生一定压力差(一般在1030水柱 之间),室内外的压力差使屋盖膜布受到一定 的向上的浮力,从而实现较大的跨度.张拉膜 结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型, 其造型非常优美灵活. （2）历史 n世界上第一座充气膜结构建成于1946年，设计者 为美国的沃尔特勃德（W.Bird），这是一座直径 为15的充气穹顶。 n1967年在德国斯图加特召开的第一届国际充气结 构会议，无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂 。 n随后各式各样的充气膜结构建筑出现在1970年大 阪世界博览会上。其中具有代表性的有盖格尔设 计的美国馆（137m7m8卵形），以及川口卫设 计的香肠形充气构件膜结构。后来人们认为70年 大阪博览会是把膜结构系统地、商业性地向外界 介绍的开始。 n张拉形式膜结构的先行者是德国的奥托（ F.Otto），他在1955年设计的张拉膜结构 跨度在25m左右，用于联合公园多功能展 厅。由于张拉膜结构是通过边界条件给膜 材施加一定的预张应力，以抵抗外部荷载 的作用，因此在一定初始条件（边界条件 和应力条件）下，其初始形状的确定、在 外荷载作用下膜中应力分布与变形以及怎 样用二维的膜材料来模拟三维的空间曲面 等一系列复杂的问题，都需要有计算来确 定，所以张拉膜结构的发展离不开计算机 技术的进步和新算法的提出。 n过去人们习惯地把膜结构看作是个帐篷， 而帐篷只能算是一个临时性建筑-不够牢固 、不能防火、又不能保暖或隔热。如今对 采用膜结构的帐篷却要刮目相看了，其中 的关键问题就是材料。 （3）膜结构材料类型 n膜结构所用膜材料由基布和涂层两部分组 成. n基布主要采用聚酯纤维和玻璃纤维材料; n涂层材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。 膜材分类 n目前建筑膜材广泛认可的标准是日本JISA-93所规定的A 、B、C三类，是根据其防火性能的优劣来划分的。 A类 A类最好，以玻璃纤维织物为基材涂聚四氟乙烯（PTFE ）而成； B类 B类次之，以玻璃纤维织物为基材涂PVC而成； C类 C类是三类中最次的，以聚酯（涤纶）织物为基材涂 PVC而成。 n按涂层材料分，有聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（ PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨 酯（PU）、橡胶等。 （4）典型膜材及特点 PTFE建筑膜材 nPTFE膜材是在超细玻璃纤维织物上涂以聚四氟乙 烯树脂而成的材料。这种膜材有较好的焊接性能 ，有优良的抗紫外线、抗老化性能和阻燃性能。 另外，其防污自洁性是所有建筑膜材中最好的， 但柔韧性差，施工较困难，成本高。 n在盖格公司领导下，美国的杜邦公司、康宁玻纤 公司、贝尔德建筑公司、化纤织布公司共同开发 永久性膜材。其加工方法是把玻纤织物多次快速 放入特氟隆熔体中，使织物两面皆有均匀的特氟 隆涂层，使永久性的PTFE膜正式诞生。 n中国目前差距大 玻纤PVC建筑膜材 n这种膜材开发和应用得比较早，通常规定PVC涂层 在玻璃纤维织物经纬线交点上的厚度不能少于 0.2mm，一般涂层不会太厚，达到使用要求即可。 为提高PVC本身耐老化性能，涂层时常常加入一些 光、热稳定剂，浅色透明产品宜加一定量的紫外吸 收剂，深色产品常加炭黑做稳定剂。另外对PVC的 表面处理还有很多方法，可在PVC上层压一层极薄 的金属薄膜或喷射铝雾。 n主要特点是强度低、弹性大、易老化、徐变大、自 洁性差，但价格便宜，容易加工制作，色彩丰富， 抗折叠性能好。 玻纤有机硅树脂建筑膜材 n有机硅树脂具有优异的耐高低温、拒水、 抗氧化等特点，该膜材具有高的抗拉强度 和弹性模量，另外还具有良好的透光性。 目前这种膜材应用的不多，生产厂家也较 少。 玻纤合成橡胶建筑膜材 n合成橡胶（如丁腈橡胶，氯丁橡胶）韧性 好，对阳光、臭氧、热老化稳定，具有突 出的耐磨损性、耐化学性和阻燃性，可达 到半透明状态，但由于容易发黄，故一般 用于深色涂层。 ETFE建筑膜材 n由ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）生料直接制成。 nETFE不仅具有优良的抗冲击性能、电性能、热稳定性和耐化学 腐蚀性，而且机械强度高，加工性能好。这种膜材透光性特别 好，号称“软玻璃”，质量轻，只有同等大小玻璃的1%；韧性好 、抗拉强度高、不易被撕裂，延展性大于400%；耐候性和耐化 学腐蚀性强，熔融温度高达200；可有效的利用自然光，节约 能源；良好的声学性能。自清洁功能使表面不易沾污，且雨水 冲刷即可带走沾污的少量污物，清洁周期大约为5年。另外， ETFE膜可在现成预制成薄膜气泡，方便施工和维修。 nETFE也有不足，如外界环境容易损坏材料而造成漏气，维护费 用高等，但是随着大型体育馆、游客场所、候机大厅等的建设 ，ETFE更突显自己的优势。 n这种膜材的研发和应用在国外发达国家也不过十几年的历史。 ETFE的典型应用 （5）膜结构材料的特点 膜结构材料的诞生给设计师创造出超出传统建筑模式的更丰富 的表现手段 ？ a、 轻质： n张力结构自重小的原因在于它依靠预应力 形态而非材料来保持结构的稳定性。从而 使其自重比传统建筑结构的小得多，但却 具有良好的稳定性。其重量只是传统建筑 的三十分之一。建筑师可以利用其轻质大 跨的特点设计和组织结构细部构件，将其 轻盈和稳定的结构特性有机地统一起来。 b、 透光性： n透光性是现代膜结构最被广泛认可的特性 之一。膜材的透光性可以为建筑提供所需 的照度，这对于建筑节能十分重要。对于 一些要求光照多且亮度高的商业建筑等尤 为重要。通过自然采光与人工采光的综合 利用，膜材透光性可为建筑设计提供更大 的美学创作空间。夜晚，透光性将膜结构 变成了光的雕塑。 c、柔性： n张拉膜结构不是刚性的，其在风荷载或雪 荷载的作用下会产生变形。膜结构通过变 形来适应外荷载，在此过程中荷载作用方 向上的膜面曲率半径会减小，直至能更有 效抵抗该荷载。 n张拉膜结构的独特曲面外形使其具有强烈 的雕塑感。膜面通过张力达到自平衡。负 高斯膜面高低起伏具有的平衡感使体型较 大的结构看上去像摆脱了重力的束缚般轻 盈地飘浮于天地之间。无论室内还是室外 这种雕塑般的质感都令人激动。 夜晚的灯光使 膜结构具有强 烈的雕塑感 d、 雕塑感： e、 安全性： n按照现有的各国规范和指南设计的的轻型 张拉膜结构具有足够的安全性。轻型结构 在地震等水平荷载作用下能保持很好的稳 定性。 nf.自洁性 膜的表层光滑，具有弹性，大气中的灰尘 、化学物质的微粒极难附着与渗透，经雨 水的冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层 与透光性。 ng.修补这种结构非常方便 比如，射枪或者是尖锐的东西戳进去后， 监控的电脑会自动显现出来。如果破了一 个洞，只需用不干胶一贴就行了； nh.施工周期短； 重庆大学的膜结构 3.4.2 透明混凝土 意大利馆 n场馆主题:人之城 造型亮点:功能模块，方便重组 展馆位置:C片区 展馆设计灵感来自上海的传统游戏“游戏棒” ，由20个不规则、可自由组装的功能模块 组合而成，代表意大利20个大区。整座展 馆犹如一座微型意大利城市，充满弄堂、 庭院、小径、广场等意大利传统城市元素 。 n展馆采用新型材料透明混凝土，实现 不同透明度的渐变，显示建筑内外部的温 度、湿度等。 n在阳光灿烂的日子里走进意大利馆，在馆 内就能感觉到光线从外墙透射进来，而到 了晚上，场馆内部灯光穿越到场馆外的街 道，折射出正在涌入场馆内的人们的身影 。 n透明混凝土砖成分有普通混凝土和玻璃纤 维组成的，因此这种新型混凝土便可透过 光线。 n透明混凝土是由匈牙利建筑师阿隆 罗索尼 奇发明，并通过展览迅速在业界传播。具 建筑师本人说透明混凝土的灵感来自于他 在布达佩斯看到的一件艺术作品，它是由 玻璃和普通的混凝土做的，这两者的结合 启发了他。 数以千计的玻璃纤维形成一个 矩阵，平行排列在石块（透明 混凝土构成的）内外的两个表 面。在石块较暗的表面，能清 晰地看到较亮表面图像的轮廓 ，甚至连颜色也能和原来保持 一致。这种特别的效果，将会 彻底颠覆你对混凝土的印象。 3.4.3 纸塑复合材料 芬兰馆 n场馆主题:“优裕、才智与环境” 展馆位置:C片区 “冰壶”形展馆宛若一座矗立于水中的岛屿，外墙使用鳞 状装饰材料，看似由许多冰块堆砌而成。来自芬兰的自 然风貌，如海岛礁石、鱼鳞、碧波倒影，还有木头散发 出的阵阵清香，种种自然元素经过重新诠释，以新的面 貌呈现。美好生活的六大要素自由、创造力、创新 、社区精神、健康与自然都完美地融合在建筑、空间和 功能设计中。 n展馆外观 n“冰壶”的外形灵感来源于芬兰大自然。据介 绍，在冰川时期，芬兰还被埋在冰层之下 ，由于冰川的融化和流动，芬兰地壳岩石 上就形成一个洞穴，在这个浑然天成的洞 穴深处留下了一块光滑的圆石，被后人称 作“瓯穴”，也就是现在芬兰馆“冰壶”的设计 灵感。 n“冰壶”的白色外墙采用 了一种新型纸塑复合材 料，这种来自芬兰的创 新建材将通过上海世博 会芬兰馆首次大规模应 用和展示。 n“冰壶”的“鱼鳞外墙” 以 标签纸和塑料的边角余 料为主要原料，表面坚 硬耐磨，水分含量低， 自重轻，不褪色。 n木塑复合材料（Wood-Plastic Composites,WPC ）是国内外近年蓬勃兴起的一类新型复合材料， 是以无使用价值的木屑、竹粉、稻壳、农作物秸 秆等木质纤维为增强体或填料，以热塑性塑料以 及它们的回收再生料为基体，按一定比例混合， 添加特制的助剂，经过高温、挤压、成型等工艺 而制成的一种新型绿色环保复合材料。主要用于 建材、家具、物流包装等行业。将塑料和木质粉 料按一定比例混合后经热挤压成型的板材，称之 为挤压木塑复合板材。是一种绿色环保材料。 （1） 环保优势 n木塑材料结合了植物纤维和高分子材料的 诸多优点，能大量替代木材，可有效缓解 我国森林资源贫乏、木材供应紧缺的矛盾 ，是一种极具发展前途的低碳、绿色、可 循环材料 木塑复合材料的特点