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现代建筑科学技术现代建筑科学技术读书报告【书目】：构造与材料 （英）格兰法雷利著 大连理工大学出版社 2010年1月第一版一、内容概述在材料被用来建造建筑或空间之前，建筑师需要了解材料的特性与它们的实用性与局限性。本书介绍了传统的、制作的与现代的材料。每一章从历史发展与时代背景出发，讲述了一种特殊的材料（或者多种材料），并收录了在建筑材料运用方面出类拔萃的“大师们”的优秀作品。一组现代建筑师的实践作品表现了在各种体量上对材料的创新性的使用。本书的最后一章探讨了材料与建造技术的可持续性、创新性，还有它们的未来。1、砖石石材从地上发掘与开采，砖从泥土中模砌出来。这些材料都有属于场地的重量感与体积感。砖石的内容关注石材和砖材在建筑上的应用，并探讨它们的自然色彩、纹理与表皮。2、混凝土混凝土有很强的可塑性，被模铸成型来创造生动的形象，通过预应力，可以横跨很长的距离，竖起很高的高度。混凝土讨论的观点是：混凝土是21世纪的灵活材料。3、木材木材拥有许多建造上的潜力。木材有许多应用方式，这源于它的易加工性，还有依赖木材纹理的性质所带来的美学多样性。4、玻璃和钢这些材料在使用上与众不同，它们应用于不同的设计领域。在建筑上，它们赋予空间轻盈的感觉，营造了优雅的结构。钢与玻璃在创造美丽动人、做工精细的建筑方面具有强大的潜力。二、心得启示作为一名建筑师，了解材料的可变性是非常重要的。熟谙所掌握的材料的范围与性质，你才能延展设计潜力的可能性。 1、砖石材料 砖石材料性质：来自大地，由这些材料建成的建筑很自然地成为周围景观的一部分，无论建造技术怎么发展，砖石建筑都在自然环境中保持它们的场所感，它是建筑师能得到的最亲近的自然产物。（下图） 砖材 石材 砖石应用： （1）、墙体：建造砖墙需要标准的部件。当洞口（门或窗）的时候，洞口上方的砖需要得到支撑。传统做法是引入拱券作为自支撑系统来形成洞口，而如今，过梁也许是混凝土的或是钢的，它们也许是外露的或是隐藏的，隐藏的过梁置于墙的空腔中，而砖则表现得像是悬浮于它之上。 砖墙与石墙起初都是用来支撑建筑的重量与荷载的。而如今实心的砖或石材的承重墙建造缓慢，并且耗资昂贵。且砖石贴面给人一种实心砖石墙的感觉，而且同时又为建筑师带来更宽裕的时间与更经济的造价。通常所说的碎石墙，是由经过挑选与组织的石材彼此咬合在一起形成的。在堆砌过程中，大块石材一般在底部，小块石材则主要起填充作用墙越高使用的石块就越小。石笼墙通常由装满石块的金属笼 多明莱斯葡萄酒厂石笼墙立面子垒成。它们经常在工程上使用，可以轻松地抵抗来自侧面的压力，可以形成丰富多彩的外观。（上图） （2）、地面：对于外部区域地面来说，石材表面经常在城市中用来突出特殊的场地，而砖也被认为是非常城市化的元素。这两种材料都可以用在人行道和人行区域的地面上。在室内空间，用到的石板要薄很多。在今天尤其是石灰石与大理石运用广泛。 （3）、屋顶：为了保持温和的环境，屋顶材料注重其保温性与防水性是最重要的。因此板岩广泛应用于其他国家。 （4）、立面：切割的石材表面粗糙，最适合用在花园与景观设计这样的室外元素中。亚光砖的表面十分平滑但是不会反光，最适合应用在室内墙面与地面上。抛光面彰显了石材的色彩，形成了平滑反光的表面，最适合应用于室内外空间。砖的颜色受原始材料的影响，举例来说，黄砖里含有更多的石灰，红砖里含有更多的铁量。 砖石建筑实例：埃里克帕里建筑事务所芬斯伯里广场办公楼埃里克帕里建筑事务所（EPA）在1999年开发伦敦芬斯伯里广场的一座新的办公楼并获得规划批准。建筑立面设计创新地使用了石材，而波特兰石则采用了创新的承重石灰石窗间壁的形式，支撑着内部钢梁。建筑里面通过交错排列开口（立面上每一扇窗在位置与比例上都与上方的不同）重新诠释了石材的砌法。这样做是向石材在建筑中的传统做法发出挑战。在石材后面，建筑立面由玻璃组成（这个建筑从本质上说是“石斗篷”下面的一个玻璃办公盒子。具备深度的石材表皮扮演了遮阳板的角色，可以提供阴影，减少进入建筑的热量，同时也达到了保存热量的要求。当阳光经过建筑立面的时候，石材的深度激活了表面，赋予二维表皮以三维的效果。 建筑围合广场一角视图 石材立面细部2、混凝土材料 混凝土材料性质：混凝土是一种用沙子、水泥与石子轻易地混合而成的混合物，是一种灵活的、具有可塑性的材料，能根据需要混合成任何强度，是一种工业的、粗糙的、野性的材料。（左图） 混凝土应用：（1）墙体：可以使用模板制成富有动感的形态，还可以在现有墙体表面做挂板。钢筋预制混凝土板可以制成各种色彩或表面（例如，酸蚀、光滑、喷砂或抛光），也可以在上面贴各种材料（例如，大理石或玻璃）。（2）地面：许多地面是由混凝土在地面层浇注成完整的一块而形成的，甚至地下层的地面也是这样形成的。这样做加固了建筑，并且可以形成平整、干净的表面。（3）屋顶：平屋顶尤其适合使用混凝土制成。坡屋顶可以由混凝土梁搭接，然后覆盖防水层或混凝土板。另外，动感的形状或形式可以通过现场浇注混凝土屋顶来实现。（4）表皮：用于浇注混凝土的材料可以在上面留下印记，举例来说，使用木模板可以在混凝土上留下浅浅的纹理。 混凝土建筑实例： 阿克瑟尔舒斯特和夏洛特弗兰克伦韦格火葬场 火葬场建筑旨在创造一处谦恭与宁静的场所，即一处建筑能够消失和保持安静的场所。建筑的材料与结构是实现这个目的的重要因素。主厅的结构由钢筋混凝土支撑（29根支撑着主屋顶），屋顶与地面都是混凝土制成的，而墙体由抛光的混凝土进行覆面。玻璃从上方引进自然光，为柱子与墙体带来了生机。虽然使用了巨大的体量，但混凝土的表面并没有经过细致的处理，这样它的粗糙就散发出一种纪念性与人性。射入建筑的自然光突出了纹理和混凝土表面，也为其他凹凸的表面带来了深度感。 火葬场平面图 柱子大厅的室内景象 3、木材料 木材料性质：木材是一种拥有自然美的万能的可持续建筑材料，它可以用来搭建建筑骨架，也可以用来装饰室内外表面。（下图） 木材应用：（1）、结构框架：典型的结构框架是通过一些大小相近、平行排列的元素来支撑大面积的砌衬和覆面的。木框架可用于墙体、天花板、地面、隔断和建筑的屋顶，因为它可以在中等跨度之间架桥，并能承受较轻的荷载。（2）、屋顶框架：连在墙体上的三角形构架，它们彼此连在一起使结构更加稳定；起到梁作用的椽，它们支撑着屋顶；墙体与墙体之间等距排列的托梁，它们稳定地支撑着屋顶或楼板。最后平行桁条是水平构架元素支撑着椽。（3）、地板与平台：木材可以用来制造地板框架与地面覆面。在复合板上面盖上实木条可以作为地板表面。不论是木板或木块，表面都可以上各种颜色的漆。栈道上面的每根木条起到了结构方面的作用而不是装饰作用。（4）、板材：木板可以增加木结构建筑的结构强度，为地板表面及屋顶表面做底，还可以经过装饰作为室内与室外贴面，它们专门为满足各种功能而设计。例如胶合板、榫槽接合、刨花板、定向刨花板还有实木。板材还具有很好的透气性。（5）、外墙面板：建筑表面可以覆盖各种木材来满足不同功能需要，例如实木板或木瓦。它能以极低的造价适合几乎所有的环境与场地。中空的木材雨幕是在许多现代建筑上受到青睐的覆面方式。外部的幕墙可以将水从建筑上排走（在它下方是一层空气层与一个防水墙系统），赋予建筑特别的美感。（6）、楼梯：一个功能性和结构性的元素，它也是一种装饰性的元素。同时钢楼梯与混凝土楼梯通常都会配一个木扶手，因为木材具有温暖感。 木材建筑实例： 西恩戈德赛尔卡特/塔克住宅该住宅建造场地具有澳大利亚内地景观与气候。设计师计划使用缓解当地炎热气候的材料来做设计。卡特/塔克住宅位于澳大利亚维多利亚的一座沙丘中，由一个玻璃盒子外面覆盖一层雪松板而成。建筑外部木质幕墙可以通过可调百叶窗系统进行开启，这样就在建筑四周形成了遮阳板。幕墙的百叶窗角度的调整不断改变着建筑的外貌，光线通过千变万化的方式进入或被阻止进入室内空 外部景象表现雪松板是如何覆盖建筑的 室内空间与外部景观有紧密联系4、玻璃与钢材料 玻璃与钢性质：它们具有美学品质，赋予建筑以人造的形式，能建造出功能性和实用性建筑。在结构体系上，玻璃已具备结构性能。（下图） 玻璃 钢 玻璃与钢材应用：（1）、结构与表面：玻璃不仅可以用作窗户还可以用在结构上。钢筋玻璃片可以做地面和楼梯踏步，玻璃结构柱（或肋）可以用来支撑玻璃墙（右图）。玻璃也经常用来构成幕墙覆盖在建筑外面不承重立面。玻璃表面可以使磨砂或彩印的，或者贴上木层或金属层来改变光线与玻璃的互动方式。 苹果纽约旗舰店的全玻璃结构（2）、表面处理：在玻璃表皮上可应用丝网印刷法或喷涂图案可以产生一定效果：远距离看过去时可以形成反射，近距离时可以看到室内的景象。玻璃经过化学药品处理，使其产生自洁性，可以使用在难以清洗的地方。（3）、钢框架与表面：细长的钢结构可以支撑数层楼板，与混凝土结合时，钢框架可以使建筑达到前所未有的高度。不锈钢已经成为广受欢迎的覆面材料，因为它的耐久性、高强度、美学特性。铝板质轻，可涂上各种颜色；考登钢是一种故意通过天气作用产生锈蚀表面的钢材，大多数是陶土色（右图）；锌是另一种覆面材料，可在上面再覆一层钛，形成坚固的保护层。 考登钢 玻璃与钢建筑实例： 格雷姆肖建筑事务所加利西亚基金会5500平方米的加利西亚基金会艺术中心坐落在西班牙克鲁尼亚的一个历史区内，建筑需要一种富有想象力的方式，为建筑从高耸的正立面转换到毗邻场地后方的底层管理用房提供一个缓和的收尾。采用的解决方式是一个倾斜的抛物面。顶点位于主立面最高处，然后以一个反曲线猛然下落，插入地面层以下。画廊的沿街立面上面覆盖一层玻璃，夹层是薄大理石片。这层半透明表皮为建筑带来充足的阳光。在夜晚，建筑会发出柔和的光线。这个建筑有七层巨型结构和四层地下室，还有玻璃内“街”、玻璃桥、曲面景观电梯、无柱的展览画廊，以及一个300座的礼堂。 5、复合材料 复合材料性质：由一系列其他原料（自然地、合成的或人造的）经过设计与制作而形成的具备特殊性能的材料。复合材料具有特别的持久性、强度、防水性、灵活性。（下图） 聚四氟乙烯膜 复合材料应用： （1）、聚碳酸酯材料：它们具有杰出的透明性、高强度、防紫外线辐射能力，可以在极高温度中正常工作，质量比玻璃轻，需要更少的结构支撑。但聚碳酸酯表面易产生刮痕，只能做玻璃的替代品。 （2）、聚四氟乙烯（PTFE）：非常坚韧，经常覆在其他材料的表面，增加它们的强度，提供保护。PTFE是一种自洁材料，因为它的特性可以防止其他粒子粘在其表面，因此在维护与清理受限的地方能够派上用场。 （3）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）：PMMA是一种非常坚硬的材料，可以用在加强各种表皮，也可以表面与绘画的添加物。还可以用在室内与室外需要安装玻璃的地方。 （4）、聚氟乙烯（PVC）：经常用作木材及石材的替代物，在建筑中广泛用在排水管道、管道构件、门或窗框，以及覆面体系中。它灵活、耐久，需要极少甚至不需要维护，易于安装挪动。 复合材料建筑实例： 斯坦顿威廉姆斯建筑事务所弗雷泽之家，布里斯托（下图） 弗雷泽之家是位于英格兰布里斯托城市中心的一家旗舰店。这座建筑创新性地使用了一些材料。百货公司经常使用的标准的店前大玻璃窗通过特殊技术进行处理。建筑的主立面覆面是波特兰石（其中镶嵌着真正的化石）、青铜与玻璃板的相结合。石材通过细磨去除了因为切割而产生的痕迹。在玻璃的表面设计中，玻璃板经过砂和酸蚀刻处理，形成一种浮雕效果，并在表面产生一定的纹理。处理完后，这些板被焊接到垂直的钢片上。建筑地面层的立面上覆盖青铜板。每一块都单独铸造，产生独一无二的表面即光滑又有很强的纹理。青铜板通过工业钻床的割，增添了更多纹理，并显露出一定厚度。 建筑立面覆面材料 石板与青铜板在技术与美学层面互补 材料为建筑营造了一种氛围，并为其带来纹理与品性。要把握材料的有效使用方式，作为设计师的我们必须了解材料的使用范围，也就是要清楚材料在历史上是如何使用的，并且要具备在材料使用上的创新意识。两者都为发展设计方式提供了有效途径。 6、新型复合透光石材板 石材作为一种传统的材料之一，与玻璃复合，形成一种新的复合材料新型复合透光石材板。复合透光石材板不仅用于建筑外墙面，还可用于室内装潢，例如吧台、柜台、室内间隔板、天花板以及浴室间、卫生间等部位。现代瑞士的St Pius教堂为了制造神秘的宗教气氛，采用了150mm102mm21mm的透光云石板填充框架形成纯净的建筑立面和新颖的内部空间效果(下图)。可见有特殊功能和精神要求的公共建筑都对建筑材料的肌理和透光性提出了新的要求。 St Pius教堂外立面 St Pius教堂室内 新型复合透光石材板产生条件（1）、新材料的使用能与现有构造技术相匹配新材料的迅速推广和广泛使用，要求其与现有构系统能够造较好的衔接，石材板和玻璃复合前后具有类似的物理特性，新材料就可以选择其中一种的构造平台作为基础加以安装。例如石材和玻璃的安装都有幕墙系统，复合后的新材料亦可以采用幕墙系统进行安装。（右图） 幕墙系统 （2）、复合材料通常具有更好的生态节能效果 玻璃作为复合的基层，石材作为面层，通过粘结层粘合起来。将基层置换为中空玻璃，就可以达到良好的保温隔热效果。 应用实例侵华日军南京大国杀遇难同胞纪念馆扩建工程 （1）、新建展览馆的特殊功能和精神要求扩建的新展馆位于“万人坑”遗址旁边，新馆的内部墙面用来布展，所以只能开高侧窗进行内部采光，同时外立面希望尽量使用石材，显得厚重肃穆，和周围环境协调统一(下图)。 展览馆外立面 与新展馆毗邻的万人坑 （2）、形式和功能的矛盾 为了解决立面和采光的矛盾，设计者想到了利用材料的单面透明性，使用超薄型石材作为窗的材料。薄型石材是指厚度在1015mm之间的石材板材，分为大理石薄板和花岗岩薄板，超薄型石材是指板材厚度在10mm以下的各类石材扳材，大多数石材在这个厚度以下就可以透光。由于石材的物理性能较脆，抗拉；抗剪性能差，所以达到透光薄度后就很容易碎裂，难以独立使用。为了解决石材薄板的透明度和刚度之间的矛盾，就引入了玻璃第二种材料，作为复合的基层。 （3）、材料种类的选择能用于制作透光石材的原料有两种，一种是半透明的石材品种，一般是大理石，例如国产石材的品种：松香黄、广西白、黄水晶、黄玛瑙、白水晶等。进口石材的品种很多，例如：西班牙雪花石、雅士白、爵士白、大花白等。（下图） 松香黄 广西白 黄水晶 白水晶 雪花石 雅士白 爵士白 大花白另一种就是人造合成石，因为其配方中就含有一定比例的树脂，按照合成石工艺，选用半透明的大理石石米、半透明的树脂和浅色的颜料，就能生产出了透光合成石板材。由于天然石材色彩真实，质感细腻，肌理丰富，所以选用了大花白作为原料将其加工5mm厚的透光石材板。另一种材料选用10mm厚的平板玻璃（下图）。 大花白做面层 平板玻璃做基层 （4）、材料复合 复合材料最终由石材和玻璃通过透明的粘合剂粘合而成。可行的粘合方法有以下几种工艺： 透明粘合树脂薄膜粘合工艺 使用加热下可以软化为熔融，并能发挥粘结性能的透明树脂薄膜(厚度0.081.5mm)，填充于石材和玻璃之间，在排气状态下加热加压，使薄膜软化熔融，促使石材与玻璃相互粘结。 注入树脂粘结工艺 在石材与玻璃间预留定微小间隙，在其间隙处注入温室反应固化型，加热反应固化型或光反应固化型透明树脂，通过热，光或在温室下放置，固化，使石材和玻璃相互粘结。 透明胶粘合工艺 使用特别定制的玻璃透光石材粘合胶，浅色至无色，粘结强度高，耐酸碱，耐水，耐冷热循环的强力胶，在施工温度不低于5，湿度不小于70的情况下，4小时左右接触干燥，保证24小时左右的完全硬化时间，直至粘结成型。这种新型材料就是使用5mm厚的超薄石材板，通过半透明的树脂或强胶与10mm厚的透明玻璃复合，使之成为以玻璃为基层，石材为面层的复合板材，这样就把玻璃的透明性和石材的肌理充分结合起来，把玻璃的刚度和石材的薄度结合了起来，使得新材料集多样优点于一身，拥有了多重使用价值。将其安装在背面装有灯光，或者是有较强自然光线的建筑物部位，艺术灯光和自然光线从石材内部透出，或幽雅、膜陇，或明快、清新从而充分表现出天然石材自然的纹理、色泽和质感，很