綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)型材的研發(fā)及應(yīng)用

文 / 劉靜安

長(zhǎng)期以來(lái)，建筑業(yè)，特別是民用建筑業(yè)一直是許多國(guó)家的第一支柱產(chǎn)業(yè)。由于它與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的提高，以及社會(huì)文明的進(jìn)步息息相關(guān)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展中，起著舉足輕重的作用。

一、綠色建筑業(yè)應(yīng)用鋁合金是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

在建筑材料中，除了水泥（砂石、磚塊等）以外，主要是木材和鋼材。森林是保持地球生態(tài)平衡的主要因素，不宜多砍伐，已是眾所周知的事實(shí)。就是作為主要結(jié)構(gòu)材料的鋼材，在重視節(jié)能、環(huán)保和安全的當(dāng)今世界也會(huì)有不堪重負(fù)、力不從心的感覺(jué)，呈現(xiàn)出要退出歷史舞臺(tái)的趨勢(shì)?！熬G色建筑”概念的提出凸顯了這一未來(lái)趨勢(shì)。

所謂“綠色建筑”就是低碳、節(jié)能、環(huán)保安全、可回收再生、可循環(huán)發(fā)展的建筑業(yè)或建筑材料。能擔(dān)當(dāng)此重任的綠色建筑材料非鋁莫屬，因?yàn)榻?jīng)過(guò)對(duì)比分析，當(dāng)今世界的主要材料中，鋁更具“綠色”的特點(diǎn)。鋁合金是最理想的輕量化材料，而輕量化正是實(shí)現(xiàn)“綠色建筑”、實(shí)現(xiàn)“低碳、節(jié)能、環(huán)保、安全”發(fā)展的重要途徑，因此，以鋁代木、以鋁代鋼正成為“綠色建筑”的重要趨勢(shì)。

除了大量使用鋁門窗和幕墻替代木、塑料和鋼門窗外，以鋁合金模板和腳手架替代木質(zhì)、塑料和鋼鐵模板和腳手架在國(guó)內(nèi)外也正被廣泛使用。目前，正在研制和起步階段的，是以鋁合金結(jié)構(gòu)材料來(lái)替代木結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的材料。根據(jù)初步試驗(yàn)研究和實(shí)踐證明，鋁結(jié)構(gòu)較之木結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)具有一系列無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。因此，越來(lái)越受到“綠色建筑”的青睞。

二、綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材的特點(diǎn)與技術(shù)要求

建筑結(jié)構(gòu)材料不同于建筑裝飾材料，是整個(gè)建筑物的主要承力部件。建筑裝飾材料如門窗、幕墻、圍欄、天花板和鑲邊等一般不承受重力，只需美觀耐用即可。而結(jié)構(gòu)材料是整個(gè)

建筑物的頂梁柱。以前，建筑結(jié)構(gòu)材料主要選用優(yōu)質(zhì)木材和鋼材。為了綠化地球，森林不宜過(guò)多砍伐，因此，木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日益減少。在大力提倡“低碳、節(jié)能、環(huán)保安全”的今天，鋼材由于其重量重、資源短缺、能耗大、不易回收、易腐蝕、污染環(huán)境不安全等原因，已很難承擔(dān)“綠色建筑”結(jié)構(gòu)擠壓材的重任。因此，理想的綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材正慢慢登上綠色建筑結(jié)構(gòu)材料的舞臺(tái)，“以鋁代木、以鋁代鋼”大有成為“綠色建筑”結(jié)構(gòu)材料主體之勢(shì)。不過(guò)，鋁合金結(jié)構(gòu)材料因其具有價(jià)格較高、加工技術(shù)含量高、生產(chǎn)難度大、各種性能難以合理匹配等特點(diǎn)，需要進(jìn)行研究和產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)，還有很漫長(zhǎng)的一段路要走。

為了能更好地研發(fā)鋁合金的應(yīng)用，以便為人類所服務(wù)，在此，簡(jiǎn)述綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材的特點(diǎn)和技術(shù)要求。

1.產(chǎn)品品種多、規(guī)格范圍廣、外廓尺寸和斷面積大，形狀復(fù)雜、壁厚相差懸殊、難度系數(shù)大，大部分為特殊的異形空心型材，也有寬厚比大的實(shí)心型材，舌比大的半空心型材，以及異形的管材和棒材。

2.為了提高建筑物的整體強(qiáng)度和剛度，便于現(xiàn)代化大跨度和薄殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材多采用整體組合結(jié)構(gòu)型材，即由多塊形狀各異的中、小型型材拼組成一塊大型整體結(jié)構(gòu)型材，有的寬度大于600mm，斷面積大于400cm2，壁厚差大于20mm，舌比大于8，需要采用7000t以上的大型擠壓機(jī)，設(shè)計(jì)制造特殊結(jié)構(gòu)的模具才能成形，技術(shù)難度大，批量生產(chǎn)困難。

3.材料要求高的強(qiáng)度和剛性及優(yōu)良的綜合性能，因此需要選用各種性能的合金和狀態(tài)，一部分采用中強(qiáng)可焊、可冷彎成形、耐腐蝕的6xxx和5xxx合金（如6005T6、6061T6、6082T6、5083H112、5052H112等），但強(qiáng)度必須大于≥300MPa，因此應(yīng)對(duì)合金成分進(jìn)行調(diào)整或開(kāi)發(fā)新型合金；另一部分要求高強(qiáng)度、高韌性合金（如2024T4、7075T6、5A06H112等）并具有可焊性和冷成型性能，因此也應(yīng)對(duì)合金成分進(jìn)行優(yōu)化。此外，為了保證結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)良綜合性能，需要對(duì)熔鑄、擠壓、熱處理等工藝進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)制造特殊結(jié)構(gòu)的工模具等，技術(shù)含量高、生產(chǎn)難度大、成品率和生產(chǎn)效率很難提高。

4.為了運(yùn)輸、施工、維護(hù)和裝卸方便，要求產(chǎn)品的尺寸公差和形位公差達(dá)到高精級(jí)或超高精級(jí)水平，這對(duì)模具質(zhì)量和精密淬火工藝提出了很高的要求。

5.要求產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)，因此對(duì)設(shè)備、鑄錠質(zhì)量、模具技術(shù)和質(zhì)量，擠壓和熱處理工藝等提出較高的要求，特別是對(duì)模具結(jié)構(gòu)與使用壽命提出更高的要求，較之一般模具的使用壽命要求提高2倍以上，這對(duì)大型的特殊型材模來(lái)說(shuō)，是很難做到的。

三、綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材的廣泛應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重大意義

鋁合金是目前世界上最理想的綠色建筑結(jié)構(gòu)材料，其產(chǎn)業(yè)化與推廣和普及應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)綠色建筑業(yè)的發(fā)展、促進(jìn)我國(guó)城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的進(jìn)程，進(jìn)而促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的又好又快地可持續(xù)發(fā)展，以及社會(huì)文明的進(jìn)步具有重大意義。與此同時(shí)，對(duì)擴(kuò)大鋁合金材料的應(yīng)用領(lǐng)域、加速鋁合金加工產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展將起到積極的促進(jìn)作用。

建筑結(jié)構(gòu)中倡導(dǎo)“以鋁代木”，可以大大減少對(duì)森林的砍伐，在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)“綠色和低碳”，保護(hù)地球家園，因?yàn)殇X合金結(jié)構(gòu)材本身是一種真正的低碳、綠色、可循環(huán)使用的建筑材料。

在建筑結(jié)構(gòu)中，特別是現(xiàn)代高層民用建筑及大跨度和薄殼結(jié)構(gòu)的大型公用建筑中，鋁合金結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)相比，具有明顯優(yōu)勢(shì)：

1.鋁合金的密度僅為鋼密度的1/3，而比強(qiáng)度、比剛度、比鋼材高，用于高層和大跨度與薄殼結(jié)構(gòu)中，鋁合金空間結(jié)構(gòu)重量比鋼結(jié)構(gòu)的重量要輕得多，因此，構(gòu)筑物的基礎(chǔ)投資要少得多。

2.強(qiáng)度高?？膳c高強(qiáng)合金鋼媲美，超過(guò)高強(qiáng)鋼Q345，而鋁合金的密度小，鋁合金材料的空間結(jié)構(gòu)重量輕。因此，相等重量結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度高。

3.可制作成各種形狀與規(guī)格的精密結(jié)構(gòu)部件，以滿足任意建筑結(jié)構(gòu)的要求。這是鋼材熱軋、冷軋、擠壓或焊接都無(wú)法達(dá)到的。

4.現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸安裝方便，無(wú)需大型重型機(jī)械，現(xiàn)場(chǎng)施工周期可大大縮短，成本大大降低。

5.與鋼結(jié)構(gòu)相比，鋁合金結(jié)構(gòu)具有“抗腐蝕、經(jīng)久耐用”的特點(diǎn)，建筑生命中的防腐工作量少、防護(hù)維修費(fèi)用低，同時(shí)不會(huì)因防腐維修而影響正常的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)及使用。鋁合金結(jié)構(gòu)綠色建筑物廣泛應(yīng)用在濕度大、有酸雨、氣候變化惡劣的環(huán)境或沿海地區(qū)。

6.不粘水、水密性好、可防水，杜絕滲漏水⑦鋁合金材料回收成本很低，能耗僅電解鋁的5%?？裳h(huán)利用，回收率可達(dá)到90%以上（是鋼材回收率的5倍以上），是典型的綠色環(huán)保材料。

7.使用鋁合金結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)全裝配式施工。

8.達(dá)到模塊化建筑和建筑工業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)。施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)噪音、無(wú)粉塵、對(duì)水氣無(wú)污染，屬于典型的綠色材料、綠色施工。

9.在同等跨度下，結(jié)構(gòu)斷面大幅減少（約為鋼結(jié)構(gòu)的1/8截面），可增加建筑物6%左右的使用面積，減少10%左右的空間浪費(fèi)，節(jié)約土地和能源。同時(shí)大大節(jié)約建筑施工成本。

由此可見(jiàn)，以鋁合金結(jié)構(gòu)替代鋼結(jié)構(gòu)，可使建筑工程與施工綠色化，環(huán)?；?，可大大節(jié)省資源、能源和建筑施工與維護(hù)使用成本，具有較好的的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。它對(duì)促進(jìn)鋁加工（特別是擠壓加工）的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

四、綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材的應(yīng)用及經(jīng)典工程實(shí)例

鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材很早就在航空航天、交通運(yùn)輸、汽車、動(dòng)力能源、電子電器、機(jī)電制造等方面得到廣泛應(yīng)用，但在建筑工程方面的推廣應(yīng)用，則僅僅是近幾十年的事。

鋁合金作為建筑和橋梁的結(jié)構(gòu)材料，首先在意大利、美國(guó)等國(guó)家使用。目前，世界各主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都“以鋁代木、以鋁代鋼”，廣泛應(yīng)用鋁合金材料作為綠色建筑的模板、腳手架等建筑施工機(jī)械用材和工程結(jié)構(gòu)用材。而在我國(guó)的起步較晚。但近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)力的增強(qiáng)，加之工業(yè)化和城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，相信伴隨著綠色概念的日益普及，可促進(jìn)綠色建筑工程在“以鋁代木、以鋁代鋼”方面的發(fā)展進(jìn)程。我國(guó)作為鋁業(yè)大國(guó)，目前，綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)材料在許多城市已被廣泛采用。比如，上海通用金屬結(jié)構(gòu)工程有限公司和上海通正鋁業(yè)工程金屬有限公司在吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，轉(zhuǎn)化開(kāi)發(fā)了鋁合金大跨度空間結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)、制造和施工專有成套技術(shù)。該成套技術(shù)是結(jié)合輕量化合金的特點(diǎn)，采用超輕高強(qiáng)鋁合金結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)。鋁合金薄殼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)、制造和施工專有技術(shù)，主要在結(jié)構(gòu)造型和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、制造和施工方面體現(xiàn)了其獨(dú)到的特點(diǎn)，尤其是在復(fù)雜空間曲面和大跨度結(jié)構(gòu)方面，具有特有的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)所涉及的鋁合金薄殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)具有新穎性和先進(jìn)性，鋁合金薄殼結(jié)構(gòu)建筑是一種新型的節(jié)能環(huán)保建筑，具有其他建材不可替代的優(yōu)點(diǎn)，可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。又比如，該公司先后采用該材料，完成了中國(guó)成都現(xiàn)代五項(xiàng)賽事中心游泳擊劍館、體育場(chǎng)、新聞中心鋁網(wǎng)殼；武漢體育學(xué)院綜合體育館鋁合金屋蓋；世界非遺文化中心世紀(jì)標(biāo)志塔外墻鋁合金裝飾網(wǎng)架工程等多項(xiàng)現(xiàn)代新型結(jié)構(gòu)建筑工程的設(shè)計(jì)、加工和安裝（EPC交鑰匙工程）施工，不僅滿足了設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，而且為鋁合金結(jié)構(gòu)技術(shù)在工程實(shí)踐中得到進(jìn)一步的提高和改善。如左圖所示。

五、小結(jié)

鋁合金擠壓材與其他建材相比，具有一系列無(wú)可比擬的優(yōu)越性，是一種理想的綠色建筑結(jié)構(gòu)材，符合“節(jié)能、環(huán)保型建材”要求，是未來(lái)綠色建筑的發(fā)展方向。

綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材的品種多、形狀復(fù)雜、規(guī)格范圍廣、技術(shù)要求高、生產(chǎn)難度大，要求優(yōu)化合金成分，設(shè)計(jì)制造各種特殊結(jié)構(gòu)的優(yōu)質(zhì)模具。只有優(yōu)化熔鑄、擠壓、熱處理和精整，才能大批量生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的擠壓結(jié)構(gòu)材，從而大大促進(jìn)擠壓加工技術(shù)的發(fā)展。

綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材的產(chǎn)業(yè)化、批量生產(chǎn)和廣泛的應(yīng)用可促進(jìn)我國(guó)綠色建筑業(yè)的發(fā)展，可拓展鋁材的應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)鋁加工工業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，加速我國(guó)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展進(jìn)程，確保我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)又好又快地可持續(xù)發(fā)展。

[1] 劉靜安，謝建新，大型鋁合金型材擠壓技術(shù)與工模具優(yōu)化設(shè)計(jì)[M]，北京：冶金工業(yè)出版社，2003.6

[2] 劉靜安，謝水生，鋁合金材料應(yīng)用與開(kāi)發(fā)[M]，北京：冶金工業(yè)出版社，2011.5

[3] 董春明，鋁構(gòu)建未來(lái)——鋁在綠色建筑中的優(yōu)勢(shì)，中國(guó)鋁加工與鋁市場(chǎng)通報(bào)，2012 No2.P12