論工業(yè)建筑引領(lǐng)的建筑材料的創(chuàng)新與變革

劉暢

【摘要】工業(yè)建筑是一種生產(chǎn)工藝、內(nèi)部空間、結(jié)構(gòu)形式、室內(nèi)裝修均比較復(fù)雜的建筑類型，因此其對(duì)建筑材料的選擇有著嚴(yán)苛的要求，這包括但不僅限于生產(chǎn)環(huán)境、成本控制、能耗控制、建設(shè)周期、施工便捷性、建筑美學(xué)、環(huán)保、安全、防腐、防爆等的要求，因此越來(lái)越多的工業(yè)建筑材料被掌握和應(yīng)用，這些建筑材料，在工業(yè)建筑的實(shí)踐之中被發(fā)掘、應(yīng)用、成熟，進(jìn)而延伸應(yīng)用至其他類型的建筑實(shí)踐之中，因此，工業(yè)建筑對(duì)建筑材料科學(xué)和建筑技術(shù)科學(xué)的推動(dòng)發(fā)展具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)建筑;新型建筑材料

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.12.023

引言：

區(qū)別于大部分民用建筑，工業(yè)建筑常常以超大超長(zhǎng)的建筑尺度示人，工業(yè)建筑受生產(chǎn)環(huán)境、成本、能耗控制、建設(shè)周期、施工便捷性、環(huán)保、安全、防腐、防爆等需求影響，對(duì)材料選擇有嚴(yán)苛的要求，因此在建筑材料的選擇層面，工業(yè)建筑的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比其他建筑類型復(fù)雜得多，而也正是因?yàn)檫@些要求，促使工業(yè)建筑的設(shè)計(jì)師們，對(duì)適合工業(yè)建筑的新型建筑材料進(jìn)行不斷地的探索和實(shí)踐，越來(lái)越多的工業(yè)建筑材料被建筑師所了解、掌握和應(yīng)用，工業(yè)建筑對(duì)建筑材料科學(xué)和建筑技術(shù)科學(xué)做出了卓越的貢獻(xiàn)。

1、現(xiàn)代主義建筑興起時(shí)的工業(yè)建筑材料

19世紀(jì)末，歐美國(guó)家受工業(yè)革命的影響，逐步由手工業(yè)社會(huì)步入工業(yè)化社會(huì)。這個(gè)時(shí)期工業(yè)革命創(chuàng)造的新建筑結(jié)構(gòu)、建筑材料和建筑技藝，為近代建筑的發(fā)展開辟了廣闊的前途。鋼鐵、混凝土和玻璃，作為現(xiàn)代主義建筑標(biāo)志性開端的建筑材料，最早被應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部表征。這些建筑材料堅(jiān)固、耐久、建設(shè)速度快，具有比傳統(tǒng)材料更優(yōu)的強(qiáng)度和耐久性，同時(shí)能夠創(chuàng)造區(qū)別于古典建筑、符合當(dāng)下審美的建筑形式，同時(shí)又能與工業(yè)化生產(chǎn)模式和全新的建筑類型和建筑需求相契合。最具代表性的是德國(guó)“青年派”建筑師彼得·貝倫斯設(shè)計(jì)的德國(guó)通用電氣透平機(jī)車間[1]（圖1），這座現(xiàn)代主義的工業(yè)建筑，應(yīng)用了鋼、玻璃、混凝土等新型建筑材料，立面大片玻璃和屋頂天窗所帶來(lái)的良好采光能很好地滿足工業(yè)化機(jī)器生產(chǎn)的照明需求，鋼材所塑造的自下而上截面逐漸放大的門式鋼架結(jié)構(gòu)所創(chuàng)造的完整高大的室內(nèi)空間，滿足了工業(yè)化生產(chǎn)的空間適應(yīng)性和靈活性，同時(shí)鋼材的快速安裝也縮短了建筑的建設(shè)周期?；炷羶?nèi)外墻體在創(chuàng)造優(yōu)異保溫性能的同時(shí)，大大縮短了建設(shè)周期和成本。這幾種建筑材料的組合，使得整個(gè)建筑形象摒棄了傳統(tǒng)建筑繁雜的裝飾，形成了明顯區(qū)別于其他建筑的獨(dú)樹一幟的建筑形象，開啟了建筑設(shè)計(jì)的新篇章，它也被譽(yù)為建筑史上第一座真正意義的現(xiàn)代主義建筑。

1910年左右，瓦爾特·格羅皮烏斯設(shè)計(jì)了阿爾費(fèi)爾德的法古斯鞋楦廠[2]，這座工業(yè)建筑的立面采用了大面積的玻璃幕墻系統(tǒng)和轉(zhuǎn)角處沒(méi)有任何支撐的轉(zhuǎn)角窗，這種充分發(fā)揮玻璃這種材料性能的設(shè)計(jì)是建筑史上的一大里程碑，它是世界上第一座采用玻璃幕墻的建筑，幕墻系統(tǒng)所塑造的輕盈建筑形象使其成為現(xiàn)代主義建筑的開山之作。

由此可見，在現(xiàn)代主義建筑興起之時(shí)，建筑師就力爭(zhēng)打破傳統(tǒng)建筑形式、建筑材料、建筑技藝的束縛，那個(gè)時(shí)代的工業(yè)建筑就出于適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)和需求，而創(chuàng)造出嶄新的建筑風(fēng)格、建筑材料和技藝，工業(yè)建筑引領(lǐng)建筑史變革的傳統(tǒng)也從那個(gè)時(shí)代開始，一直延續(xù)至今。

2、當(dāng)代新型工業(yè)建筑材料的發(fā)展

當(dāng)代社會(huì)，工業(yè)建筑的類型更加多樣化，需求更加復(fù)雜化，因此需要更多的新型建筑材料去滿足其因工藝、功能、工期、造價(jià)、節(jié)能等因素導(dǎo)致的新需求，同時(shí)規(guī)避因?yàn)轶w量大、空間高等可能出現(xiàn)的設(shè)計(jì)或施工問(wèn)題。在這一進(jìn)程中，越來(lái)越多的新材料被應(yīng)用于工業(yè)建筑的設(shè)計(jì)和施工之中。這些建筑材料，在工業(yè)建筑的實(shí)踐之中被發(fā)掘、應(yīng)用、成熟，進(jìn)而延伸應(yīng)用至其他類型的建筑實(shí)踐之中。

2.1新型墻體材料

工業(yè)建筑受建筑體量的影響，通常外立面面積較大，受生產(chǎn)工藝影響，建筑層高較高?；谶@兩方面考慮，采用濕作業(yè)的砌塊墻自重大，且因穩(wěn)定性較差無(wú)法達(dá)到較高的砌筑高度。同時(shí)，砌塊墻需要間隔設(shè)置圈梁、門窗過(guò)梁和構(gòu)造柱等結(jié)構(gòu)支撐體系，且砌塊墻兩面必須要做找平抹灰處理才能實(shí)現(xiàn)較為平整的效果，如果進(jìn)行內(nèi)外飾面處理則會(huì)耗費(fèi)更多的時(shí)間，這些節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和施工時(shí)序延長(zhǎng)了外墻系統(tǒng)的施工時(shí)間，這與工業(yè)建筑緊迫的工期和盡快投產(chǎn)的目標(biāo)相悖。因此，工業(yè)建筑的設(shè)計(jì)師們?yōu)榱丝s短工期，實(shí)現(xiàn)墻體性能更優(yōu)，開啟了新型墻體材料的實(shí)踐探索。

壓型鋼板、波紋板等材料自誕生之后最早被應(yīng)用于工業(yè)建筑，但是由于產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)安裝粗糙，導(dǎo)致其實(shí)際使用性能不理想，經(jīng)常發(fā)生漏水、腐蝕等問(wèn)題，為設(shè)計(jì)師所詬病。因此雙側(cè)金屬板中間復(fù)合保溫材料的金屬巖棉夾芯板被開發(fā)設(shè)計(jì)，并逐漸替換原有的金屬板+保溫的外墻系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)的砌體外墻系統(tǒng)，金屬巖棉夾芯板本身為墻體與保溫、隔熱、裝飾一體化的外圍護(hù)墻體，厚度更薄、安裝更便捷、成本更低、且無(wú)濕作業(yè)，因此其自誕生起就被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房的建筑立面中。金屬巖棉夾芯板的優(yōu)勢(shì)有如下幾點(diǎn)：一是外墻系統(tǒng)為幕墻系統(tǒng)，能夠與任何高度和跨度的主體結(jié)構(gòu)相匹配，材料適應(yīng)性強(qiáng);二是質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性、抗沖擊性、耐腐蝕性均較好，能夠減輕外墻自重，同時(shí)能夠承受外界惡劣的自然環(huán)境;三是保溫隔熱性能好，能夠有效降低建筑整體能耗，節(jié)約能源，創(chuàng)造良好的室內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境;四是預(yù)制裝配化程度較高，現(xiàn)場(chǎng)均為干作業(yè)，符合國(guó)家近年來(lái)逐步推行的裝配式設(shè)計(jì)和施工，施工周期可以較傳統(tǒng)濕作業(yè)砌筑外墻系統(tǒng)提高40%以上。

京東方作為全球顯示產(chǎn)品龍頭企業(yè)在全國(guó)擁有眾多工廠，這些園區(qū)內(nèi)部的生產(chǎn)廠房大部分都采用玻璃幕墻和金屬巖棉夾芯板，建筑立面平整光潔，玻璃和金屬夾芯板形成強(qiáng)烈虛實(shí)對(duì)比，極具現(xiàn)代感和“國(guó)之重器”的氣勢(shì)。

另外純平板的金屬夾芯板還可以與波紋板和壓型彩鋼板的夾芯板進(jìn)行組合，提高建筑的形式感和韻律感，不同質(zhì)感、肌理和顏色的金屬板組合能夠有效避免單一板材所帶來(lái)的枯燥感，賦予工業(yè)建筑立面豐富的視覺層次。京東方重慶第8.5代新型半導(dǎo)體顯示器件廠房（圖2）即是采用金屬夾芯純平板和波紋板對(duì)比的設(shè)計(jì)手法，整個(gè)立面自下而上形成三種層次，距離地坪最近處采用4m高的淺灰色表面橫向小波紋夾芯板，中間一段是銀灰色表面純平板夾芯板，最頂部坡屋面的側(cè)墻處采用深灰色表面豎向小波紋夾芯板[3]。三種表面肌理和色彩不同的板材賦予整個(gè)建筑豐富的視覺體驗(yàn)。

另一種最早被應(yīng)用于工業(yè)建筑外立面實(shí)踐的是ALC板，即輕質(zhì)蒸壓加氣混凝土板，采用水泥、粉煤灰、石灰、煤矸石等為主要材料，按照一定比例混合配置，并添加適當(dāng)發(fā)泡劑，經(jīng)過(guò)澆筑、高溫高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)、切割等生產(chǎn)過(guò)程而形成的多氣孔混凝土墻板。這是一種性能優(yōu)異的墻板材料，密度小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗?jié)B透性好、耐火耐熱性及耐腐蝕性好，安裝便捷、環(huán)保經(jīng)濟(jì)，特別適合有保溫隔熱和有較大變形要求的墻體。

菜鳥智能骨干網(wǎng)是一家網(wǎng)點(diǎn)遍布全國(guó)輻射世界的高科技物流公司，他擁有遍布全國(guó)的物流網(wǎng)點(diǎn)和園區(qū)，園區(qū)內(nèi)的倉(cāng)儲(chǔ)建筑和轉(zhuǎn)運(yùn)中心大部分墻體都采用ALC板（圖3），這正是看中了它施工方便、施工周期短的材料優(yōu)勢(shì)，只有不斷縮短每個(gè)環(huán)節(jié)的周期，才能加快中國(guó)快遞業(yè)的傳輸速度。ALC外墻板通過(guò)管卡、u型卡、型鋼和螺栓固定在結(jié)構(gòu)梁板柱上。墻板的外側(cè)可以做涂料、面磚、干掛板材等飾面，滿足不同的設(shè)計(jì)要求。ALC板外墻能夠有效減輕建筑物自重，減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，滿足建筑物所需的綜合性能要求。作為自保溫墻體，能夠提高建筑物隔熱保溫性能。隨著國(guó)家裝配式建筑的變革，最早被應(yīng)用于工業(yè)建筑之中的ALC板也逐漸被應(yīng)用于民用建筑之中。

2.2新型防水密封材料

工業(yè)建筑超大的屋面面積、復(fù)雜的標(biāo)高系統(tǒng)、龐雜的屋面設(shè)備和管道系統(tǒng)對(duì)建筑的屋面防水系統(tǒng)提出了較大的考驗(yàn)。而生產(chǎn)工藝和環(huán)境的要求又對(duì)屋面的防水性能提出了嚴(yán)苛的要求，任何因?yàn)槲菝鏌崦浝淇s拉扯、設(shè)備管線安裝等可能造成的漏水點(diǎn)都是不被允許的。因此抗老化、耐候性好，拉伸強(qiáng)度高、抗變形性好的TPO防水卷材（熱塑性聚烯烴材料）逐漸被應(yīng)用于工業(yè)建筑的屋面之中。TPO 卷材不添加增塑劑和其他試劑，使得TPO成分不會(huì)遷移造成材料性質(zhì)發(fā)生變化，使用壽命長(zhǎng)，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定保持防水特性;卷材內(nèi)部多維的加強(qiáng)筋讓卷材具備更優(yōu)異的拉伸性能和耐疲勞性能;TPO 卷材的顏色以白色為主，表面光滑，能夠具有較高的陽(yáng)光反射率，降低建筑能耗，節(jié)能效果明顯;可焊接和可機(jī)械固定這兩種安裝模式均可適用。材料組成中沒(méi)有氯等有害成分，這樣可以使其在生產(chǎn)和施工過(guò)程中，降低對(duì)人員和環(huán)境的危害[4]。

工業(yè)建筑的屋頂形式主要有三種，一種是鋼筋混凝土屋面，第二種是DECK板屋面（壓型鋼板上澆筑混凝土的復(fù)合樓承板屋面），第三種是輕鋼屋面。TPO卷材可以適應(yīng)這三種不同的屋面結(jié)構(gòu)形式，對(duì)于前兩種可以統(tǒng)一為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基層，上鋪隔氣層和保溫層后，可直接采用機(jī)械固定或滿粘的方式敷設(shè)TPO防水卷材。而第三種輕鋼屋面可直接在壓型鋼板上鋪設(shè)隔氣層、保溫層和隔離層之后，采用機(jī)械固定或滿粘的方式敷設(shè)TPO防水卷材，這種情況下，附加的TPO防水卷材能夠大大提高彩鋼板屋面的防水性和耐久性。由此可見，TPO防水卷材的材料性能和構(gòu)造形式，特別適合大面積的工業(yè)建筑屋面，尤其適用于鋼結(jié)構(gòu)支撐的彩鋼板屋面系統(tǒng)，通過(guò)精確的設(shè)計(jì)構(gòu)造層次，能夠達(dá)到節(jié)能、降低屋面自重、防水防露等效果。

2.3新型裝飾裝修材料

某些高精尖產(chǎn)業(yè)，（如航空航天和電子產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)廠房和數(shù)據(jù)機(jī)房等），對(duì)室內(nèi)裝修具有防靜電要求，即需要采用摩擦不易產(chǎn)生靜電的裝修材料，因?yàn)榉欠漓o電的裝修材料受到摩擦所產(chǎn)生的靜電，再大量累積后會(huì)產(chǎn)生不利于產(chǎn)品加工精度的靜電荷，同時(shí)靜電荷易吸附灰塵，會(huì)對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生特別不利的影響，靜電荷如果放電，還有可能引起自動(dòng)控制的生產(chǎn)設(shè)備、數(shù)據(jù)機(jī)房等電子設(shè)備發(fā)生故障。因此這種廠房的室內(nèi)裝修除了耐磨、防水、防潮、美觀以外，還對(duì)材料的防靜電性能提出的較高的要求。

通常我們常用的防靜電地坪材料主要有防靜電自流平材料，比如防靜電環(huán)氧樹脂自流平，自流平防靜電材料受環(huán)境影響易開裂、空鼓、起皮，從而對(duì)生產(chǎn)環(huán)境產(chǎn)生影響，尤其是對(duì)潔凈度有一定需求的生產(chǎn)空間[5]。防靜電自流平耐磨性、耐老化性較差，使用壽命6個(gè)月～10年不等，同時(shí)其防靜電性能會(huì)隨使用年限的延長(zhǎng)而衰減。另一種常用防靜電材料是防靜電PVC地板，即防靜電聚氯乙烯地板。防靜電PVC的導(dǎo)電性能依賴其內(nèi)部炭黑串聯(lián)成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，其導(dǎo)電性能受溫度變化的影響較大，溫度的波動(dòng)會(huì)造成炭黑顆粒之間間隙的變化，從而影響其導(dǎo)電性能。隨著使用年限的增長(zhǎng)，材料內(nèi)部老化易產(chǎn)生裂紋，形成電路斷點(diǎn)，造成整體防靜電性能失效，通常防靜電PVC的使用壽命不會(huì)超過(guò)10年。

為了尋求防靜電效果更穩(wěn)定，使用壽命更長(zhǎng)的地坪材料，山東電盾科技股份有限公司研發(fā)了一種具備防靜電功能的陶瓷磚，這種陶瓷磚經(jīng)過(guò)1200℃高溫?zé)Y(jié)而成，在空氣溫度-50℃至480℃之間，空氣濕度0～100RH之間電阻值不變[5]。防靜電陶瓷磚的防靜電性能永久有效，并同時(shí)具有抗老化、不起塵、不變形、防火耐磨性能好等優(yōu)勢(shì)，可采取防靜電鋪貼與導(dǎo)電粉配合使用的方式直接鋪貼于地面基層之上，也可采用高架的方式形成防靜電活動(dòng)地板，板與板之間的縫隙采用專用的導(dǎo)靜電材料進(jìn)行填縫，保證整體地坪的防靜電性能。防靜電陶瓷磚近年來(lái)逐漸被應(yīng)用于航天航空、醫(yī)療制藥、精密電子、高科技產(chǎn)品等行業(yè)的廠房?jī)?nèi)，同時(shí)也適用于民用建筑的集控室、通訊機(jī)房等室內(nèi)地坪裝修。

由以上例子可見，工業(yè)建筑在墻體材料、防水密封材料、裝飾裝修材料等材料工程領(lǐng)域都做出了卓越的貢獻(xiàn)，促進(jìn)了新材料、新結(jié)構(gòu)、新技藝的發(fā)明創(chuàng)造。除了以上舉例之外，還有諸如輕型復(fù)合板材、建筑特種塑料制品、新型混凝土制品等也被應(yīng)用于工業(yè)建筑的實(shí)踐之中，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代工業(yè)建筑中傳統(tǒng)材料所占比例已經(jīng)很小，甚至?xí)陀?0%，越來(lái)越多的新型建筑材料被應(yīng)用于工業(yè)建筑之中。這些新建筑材料應(yīng)用于工業(yè)建筑之后，或極大地改善了生產(chǎn)環(huán)境和建筑性能，或創(chuàng)造了一批極具工業(yè)建筑視覺屬性的現(xiàn)代建筑。

結(jié)語(yǔ)：

工業(yè)建筑超大超長(zhǎng)的建筑體量、超高的建筑層高、生產(chǎn)工藝內(nèi)部環(huán)境的需求，勢(shì)必會(huì)推動(dòng)新型建筑材料的研究和應(yīng)用，而新材料的誕生也勢(shì)必會(huì)推動(dòng)建筑技術(shù)科學(xué)的發(fā)展。從這一方面來(lái)講，工業(yè)建筑對(duì)建筑材料科學(xué)和建筑技術(shù)科學(xué)的推動(dòng)發(fā)展具有重要的意義。

工業(yè)建筑功能的多樣性和工藝的差異性要求設(shè)計(jì)師要全面思考不同性質(zhì)的工業(yè)建筑所要求的不同的建筑材料性能，材料的選擇要滿足工藝、功能、施工周期等多方面的需求，為業(yè)主創(chuàng)造高效、實(shí)用、適宜的生產(chǎn)環(huán)境，以期望為企業(yè)帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益，推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展。

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