新型材料在建筑空间中的应用研究.pdf

第 50 卷 第 3 期有色金属设计Vol.50 No.32023 年 9 月Nonferrous Metals DesignSept.2023收稿日期:2022-09-15作者简介:郑梦茹(1998),女,江苏宿迁人,硕士研究生在读。主要研究方向:风景园林。通信作者:王堞凡(1981),男,江苏常州人,风景园林博士,艺术学博士后,副教授,高级工程师,硕士生导师。主要研究方向:风景园林、环境设计及景观生态。新型材料在建筑空间中的应用研究郑梦茹,王堞凡(常州大学,江苏 常州 213000)摘要:在生活节奏逐渐变快的背景下,随着时代不断的发展,科技不断创新,时代需要新的材料来满足使用,指出新材料的研发有必要,并以发泡陶瓷和透光混凝土为例,探讨这 2 种新材料的特点和实际应用,发掘新型材料应用潜能。关键词:新型发泡陶瓷;新型透光混凝土;建筑空间;环境保护中图分类号:TU5文献标识码:B文章编号:1004-2660(2023)03-0062-07Research on the Application of New Materials in Architectural SpaceZHENG Mengru,WANG Diefan(Changzhou University,Changzhou,Jiangsu 213000,China)Abstract:Under the background that the pace of life gradually becomes faster,with the continuous develop-ment and scientific and technological innovation of the times,new materials are needed to meet the needs of use in the era.It is necessary to research and develop new materials.Taking foam ceramics and light transmitting concrete as examples,this paper discusses the characteristics and practical applications of these two new materi-als and explores the applications potential of new materials.Keywords:New foam ceramic;New light transmitting concrete;Building space;Environmental protection0 引 言目前,科技不断稳定发展,人们的生活水平逐渐提升,越来越多的新材料被研发1,越来越多的新技术被用来解决生活中所遇到的问题,目前大气、水、土壤等污染不断发生,人们追求的建筑是集实用性、美观性和环保性为一体的建筑作品。然而,传统建筑材料在各方面应用极为广泛,例如木材的运用导致了大量树木被砍伐,大量钢材的应用加剧污染气体的排放,在发电方面,国家尽量使用可再生能源发电从而减少对环境的污染。那么,如何减少环境污染是当今时代的一个重要议题,各行各业都提倡环保,作为建筑师了解建筑材料特性,将新材料应用到现代生活中,解决并优化建筑材料中所遇到的问题也是至关重要的。1 新型发泡陶瓷在建筑空间中的应用1.1 新型发泡陶瓷的特点1.1.1 新型发泡陶瓷具有隔音性新型发泡陶瓷是一种由高温烧制或者压制成型的多孔陶瓷材料,内部具有大量闭孔所以具有较好隔音效果。在建筑设计中,新型发泡陶瓷材料适合应用到多种空间,最常见的是应用在有隔音需求的墙体上,传统的隔音墙使用的材料大多为空气砖、泡沫隔板、砖墙等材料。传统隔音墙材料不仅在使用中繁琐,隔音效果也不佳,然而发泡陶瓷材料在使用中一方面隔音效果极好,在郑梦茹,王堞凡:新型材料在建筑空间中的应用研究硬度方面,发泡陶瓷的硬度也满足混凝土的硬度能够在正常生活中使用,可以随意切割造型和厚度。1.1.2 新型发泡陶瓷具有防水防潮性能在建筑中,材料的防水性能总是备受关注,发泡陶瓷的密度为 400 kg/m3,它的密度远小于水的密度,并且发泡陶瓷材料是由无数密闭的气孔组成,胚体内部完全是闭口的气孔,吸水率小于 0.5 以下,几乎不吸水。因此就发泡陶瓷的防水性能可以应用到多方面,例如应用在墙体结构、水利方面、道路交通方面、海洋开发、沙漠治理、管道容器、环境保护和国防治理等等方面。其中水利方面的应用要求是多样的,例如要求满足防冲刷、抗渗漏的需求同时也能满足生态绿化的功能。在传统河渠水库的护坡、堤坝领域,沙石和水泥是被使用量最大的材料。因为发泡陶瓷的内部有很大的结构性微孔且比水泥的成分含钙量低,发泡陶瓷的孔都是密闭的发泡孔。因此,发泡陶瓷的吸水率和渗透性比水泥、沙石好,从而在水利修筑方面被水冲垮的风险性减少,因此,发泡陶瓷因其具有良好的防水防潮性能更适合应用于水利修筑方面。另外,就比较而言,水泥、沙石在抗冲刷、防渗漏、耐冻融等特性方面虽然满足基本需求,但是使用寿命不长,而发泡陶瓷材料在水利方面中,它的防冲刷、抗渗漏、耐久性更强,虽然一次性造价略高于水泥沙石材料,但是不易受到破坏,对比于水泥沙石来说,长期综合效益会更高。1.1.3 新型发泡陶瓷具有防火阻燃性能新型发泡陶瓷是由 1 200 以上的高温煅烧而成,因此其防火性能满足绝大部分的需求。新型发泡陶瓷由于其硬度很高,耐老化、耐久性好,所以可以用作外墙建设或者防火隔离带所需材料。例如燃煤炉对防火阻燃性能有很高的要求,目前燃煤炉通常采用的是硅藻土砖和保温砂浆材料,硅藻土砖的隔热性能和传统保温砂浆材料二者的保温性能都能达到既耐高温又能隔热的砌筑材料,而发泡陶瓷的导热系数为 0.08 0.10W/(MK),比传统的保温砂浆的导热系数大几十倍。另外新型发泡陶瓷的造型可以随意切割,这样满足人们日常生活对造型的需求。在新技术、新材料不断被研发的时代中,各行各业使用新型材料也成了必然的趋势。1.2 在墙体结构内的应用现代建筑外墙体一般是由基本承载体、保温层和装饰层 3 层结构拼合而成。基本承载体一般为砖或混凝土,保温层一般是由各种保温板构成,装饰层一般为涂料或石材构成。相较于传统的混凝土墙面,发泡陶瓷材料是可以通过用废石料、废陶瓷等废旧材料发泡制作而成,这一制作手法可以很大程度上减少环境污染从而可以达到绿色环保的效果。设计师在充分了解发泡陶瓷的特性之后通过对建筑图纸的分析还有设计理念的融合确定发泡陶瓷所能应用的地方。在建筑设计中,发泡陶瓷可以运用在墙体结构内,例如人们常见的隔断墙,通过对发泡陶瓷的隔音特性的把握,可以运用于一切需要隔音的场所,例如在 KTV 空间的使用,因为 KTV 噪音大,房间空间小,因此需要空间具有很好的隔音效果。目前 KTV 场所大多是使用混凝土墙体,同时再加上泡沫喷胶或者泡沫板的构造以此来进行隔音。这样的双层墙面设计在施工方面不仅费时间同时还浪费金钱,最重要的是最后的隔音效果并没有达到预期的那样好。然而新型发泡陶瓷材料能够很好的解决这一问题,将发泡陶瓷做成颗粒状放置于混凝土中砌块成砖或者直接生产成砖状进行使用,在建筑过程中只需要砌墙这一道工序,从而能够降低施工成本。新型发泡陶瓷不仅具有很好的隔音性能,就其保温性能在实际的建筑中也是备受关注的。不同的地域对建筑材料都有不同的要求,例如南方的天气多雨潮湿,在这样的气候下,建筑关注的是室内温度的保温性能和室内室外的防漏水性能。新型发泡陶瓷材料的防水性能是极佳的,因为发泡陶瓷的密度为 400 kg/m3小于水的密度,并且发泡陶瓷材料是由无数密闭的气孔组成,胚体内部完全是闭口的气孔吸水率小于 0.5 以下可以说几乎不吸水。所以在南方建筑中新型发泡陶瓷材料用于防止墙面渗水的材料是适宜的。那么新型发泡陶瓷材料的保温性相较于传统的混凝土墙面材料来说就极具优势。1.3 在建筑装饰中的应用新型发泡陶瓷材料在室内装饰方面的应用也多样的,可以在别墅线条、建筑外墙装饰、背景墙弧形曲面、背景浮雕,见图 1,天花吊顶,见图 2,和隔断屏风等方面应用,在天花吊顶中的36有色金属设计第 50 卷运用中由于发泡陶瓷的防火性能非常好,所以它相较于木质吊顶来说既可以作为吊顶设计所需要的花纹造型,也具有极强的防火性能满足需求。发泡陶瓷在别墅的室内外应用是非常广泛的,在别墅外部可以做屋顶罗马柱造型,再进行颜色的喷绘,最终形成别墅所需要的风格。在室内房梁上可以制作装饰线条例如洛可可、巴洛克风格的装饰线条、eps 外墙装饰线脚、柱上的装饰纹样等等。与此同时,相较于传统的木线条,发泡陶瓷材料制作的装饰线条具有重量轻、硬度大、防火耐高温、防水防潮并且可以随意切割的优势,因此发泡陶瓷材料完全可以取代普通木线条、石膏线条,塑料装饰线条和不锈钢装饰线条的制作材料。图 1 背景浮雕Fig.1 Relief of the background图 2 天花吊顶Fig.2 Ceiling2 新型透光混凝土在建筑空间中的应用2.1 新型透光混凝土的特点2.1.1 新型透光混凝土的成型性关于透光混凝土有 3 种施工安装方法。(1)小面积施工一般采用灯箱结构的安装方法:在 200 mm 的灯箱中,灯箱内部墙面一面附有 LED 贴片凸起灯珠,在有 LED 灯珠面的对面内部有 12 mm 的钢化玻璃,在钢化玻璃上面加 1层透明结构胶固定,最外层就是连接透光混凝土板,这样的结构适用于小型的装置上面,而且效果也可以满足使用者的需求进行定制。(2)大面积使用透光混凝土一般采用钢结构、钢挂件的安装方法,见图 3。在墙面上进行分区域组装,首先在墙面上分布好 LED 贴片凸起灯珠,在灯珠上层装订好方钢龙骨结构,在龙骨上分段式安装不锈钢挂件,最后分块面安装透光混凝土墙面。(3)采用架空结构做地台的安装方法:这种方法是在地面上安装灯带、LED 灯带或者其他的发光装置,其次在地面上层安装方钢骨架结构,再在方钢骨架上方安装钢化玻璃,最后在透明钢化玻璃上层置入透光混凝土结构。这 3 种透光混凝土的安装成型方法,充分满足了人们生活中的需求。图 3 钢结构、钢挂件的安装方法Fig.3 Installation method of steel structure and steel pendant2.1.2 新型透光混凝土的透光性透光混凝土是由混凝土和光导纤维制作而成,见图 4。透光混凝土的光导纤维是通过人造光或者自然光照射其中一面呈现发光效果,这就使其具有透光性。充分了解不同材料的不同用途从各个角度来分析材料在设计作品中的可能性,从而能有效的应用于环境设计中。传统混凝土暗淡无光的建筑随着现代新技术的加入正在改头换46郑梦茹,王堞凡:新型材料在建筑空间中的应用研究面。2010 年上海世博会设计的意大利馆,见图 5,首次采用了混凝土挂板进行外墙装饰在白天有阳光照耀的情况下光线透过建筑照入室内,而当夜晚灯光亮起时,建筑外立面又能隐约透出室内景象,让冰冷的建筑富有生机。采用条状透光材料与混凝土混合应用于室内隔断中,无论白天还是夜晚都能够聚光,白天依靠室外的自然光进行聚光能够给室内提供光照,而夜间室内的灯光也可以通过墙面映射到室外,让室外的人看墙面的同时不会显得单调。图 4 透光混凝土制作Fig.4 Fabrication of light transmitting concrete图 5 上海世博会意大利馆Fig.5 Italy pavilion of shanghai world expo2.1.3 新型透光混凝土的艺术性透光混凝土能够发光是将光导纤维排列其中,在制作的时候可以使用亚克力材质等透明材料,再根据设计需求进行造型和形状的设计,形成透光混凝土不一样的形式美。在没有光照的时候就是一个没有图案平面,当有光照射的时候就会出现预先设计的图案从而营造出神秘又有科技感的视觉体验。目前市面上的透光混凝土散布形状大致分为点状、线形以及定制散布状,透光混凝土可以设计出不同的花纹,主要花纹有点状花纹、条形花纹、流动性花纹,例如博物馆中所使用的条形花纹给人一种理性而又流动的视觉效果,这种流动性美感的展现是由于条形花纹多次重复应有,而理性美感的呈现是由于条形花纹的重复间距是等距的,因此给人具有条理感。另外满天星花纹的应用也是非常多的,见图 6。满天星花纹给人一种随意自然的美感,即使是随意的纹理也是有进行设计的,从而达到凌而不乱的视觉效果。如图7 所示波浪纹的应用也是广泛的,波浪纹的设计研习了设计美学中的多方连续的手法,例如将如图 8 所示的波浪纹进行二方连续和四方连续形成大体量的设计效果,在视觉上满足人们的需求,同时还可以根据需求定制的纹理。2.2 在装饰背景墙应用新型透光混凝土可以应用在室内外形象装饰背景墙,设计师可以根据室内的装修风格和设计理念进行设计,如酒店内部装饰墙,见图 8,或者住宅楼的门厅入口应用,见图 9,都是具有趣味的。不仅如此,透光混凝土可以切割成砖块,以砖的形式堆砌装饰,见图 10。在设计中不仅可以设计成为静态的装饰背景墙,与此同时,透光混凝土背景墙通过控制光的角度和动静设计成为动态的背景墙,见图 11,根据人的行为与人进行互动,将材料进行人性化处理,真正做到为人服务。例如上海世博会意大利馆,内部的光源通过光导纤维让外面连接的墙也可以在无光照的情况下形成外部发光。与传统混凝土设计的背景墙相比,透光混凝土墙面可以在无电能发电的情况下,通过自然光让墙面发亮从而呈现出不同的空间、视觉、造型效果。从环保角度来说,透光混凝土材料可以节约光能使用,从而减少光学能源的消耗。从美学角度来说,斑驳光影效果达到了一种朦胧美的视觉效果。56有色金属设计第 50 卷图 6 满天星花纹Fig.6 Gypsophila pattern图 7 波浪纹Fig.7 Wave pattern图 8 多方连续的波浪纹Fig.8 Polygonal continuous wave pattern图 9 酒店内部装饰墙Fig.9 Interior decorative wall of hotel图 10 住宅楼的门厅入口Fig.10 Entrance hall of residential building图 11 砖的形式堆砌装饰Fig.11 Form,stacking and decoration of bricks图 12 动态的背景墙Fig.12 Dynamic background wall2.3 在桌椅摆件上的应用随着时代的需求,人们对于新鲜事物的需求也是迫切的,而人们每天大多数时间的活动场所是在建筑中,因此新型材料在建筑中的应用需要考量设计中桌椅摆件的应用,可以直接将透光混凝土设计成为室内的餐桌、室内的办公桌等一些家具的定制,所示的灯具见图 12。工装空间可以设计成大厅前台、展示空间的展示台等等造型。透光混凝土材质也可以设计成如图 13 所示景观中的树木围栏、广场中心的雕塑作品、公园发光座66郑梦茹,王堞凡:新型材料在建筑空间中的应用研究椅(图 14)、景观墙、定制户内外家具坐具和桌面等4。在户外设计中较为典型的是位于德国的慕尼黑机场航站楼外广场的立方体,见图 15。散落的星星点点的装饰立方体,这样的立方体给广场增加几分装饰效果也具有趣味性,既满足了来往人群物品暂放的使用功能,也节约了大型机场对于电能损耗,在电能的消耗上面尽可能的做到消耗最小,将自然能源二次利用3。图 13 所示的灯具Fig.13 Luminaire图 14 景观中的树木围栏Fig.14 Tree fence in landscape图 15 公园发光座椅Fig.15 Luminous seats in the park图 16 德国的慕尼黑机场航站楼外广场的立方体Fig.16 Cube in the square outside the terminal at munich airport,germany2.4 在地面中的应用在建筑地面上透光混凝土的应用也是极具特色的。在地面应用的场所多为展览中心地面、公园步道或者楼梯台面等等方面5,见图 16。应用在楼梯立面或踏步装饰,在地面上用到架空结构安装方法,在习以为常的楼梯立面上设计独特的造型,楼梯立面内部铺设灯带可以起到与装饰灯带同等作用,相较于传统混凝土而言,透光混凝土材料不仅具有传统混凝土的硬度和耐磨度,同时也可以将毫无装饰感可言的台阶改造出具有科技感与神秘感并存的设计。除了在楼体立面的应用,还可以直接用于地面,位于德国的 BABORI亚琛总部办公室外景的地面过道就使用了透光混凝土(图 17),线性的条状造型,铺满整个地面,在夜间呈现出流动明亮的线性效果。另外,三亚的亚琛总部(图 18)也运用了透光混凝土砖块进行地面的指引与装饰。就相比较传统在地面内部做装饰灯带而言,透光混凝土是只要有一点光源或自然光就可以发亮的材质,相反就传统在地面整面铺设灯带而言,在地下灯带需要做好防水措施这一点是极耗费工程量。当今时代对创新的需求量逐渐变大,因此透光混凝土在地面的使用也是一个趋势。76有色金属设计第 50 卷图 17 楼梯踏步装饰Fig.17 Decoration of stair steps图 18 德国的 BABORI 亚琛总部Fig.18 BABORI headquarters in aachen,germany图 19 三亚的亚琛总部Fig.19 Aachen headquarters in sanya3 结 语建筑设计是美与理性并存的,建筑的设计是需要多方思考的,而材料的考量就是其中一个方面,新型材料的应用也是时代发展的趋势,新型材料在不同的领域赋予设计师不同的使命,殊途同归的是设计师在使用材料的时候应当明确新材料的特点,将使用性和美观性赋予设计作品中。随着现代建筑不断崛起,设计师也都各具自己独特的风格和理念,有日本建筑师隈研吾研究材料无限可能性的“微建筑”思想还有与周围环境融于一体的“负建筑”理念,也有中国第一位获得普利兹克奖建筑师王澍将废旧材料二次使用的环保理念等等,他们都有自己的设计理念,然而他们都必然对材料的思考和了解是到位的,例如隈研吾对材料的使用会就地取材,在注重当地文化的同时也把握材料的特性将其材料特性应用于设计中。目前,新型材料的研发是至关重要的,建筑与人的生活息息相关,设计师必须从设计风格以及施工所用的材料还有美观度等多方面出发,尽可能发掘建筑材料在设计中的可能性。参考文献:1梁岩.创新视角下材料在家具设计中的应用J.包装工程,2021,42(06):295-298.DOI:10.19554/ki.1001-3563.2021.06.042.2None.发泡陶瓷应用领域简介J.砖瓦,2019(08):79-80.3卢亚,余玲.透光混凝土在景观设计中的应用J.绿色科技,2021,23(17):59-63.DOI:10.16663/ki.lskj.2021.17.017.4杨晓亮.透光混凝土材料的创意摆件设计研究D.四川师范大学,2019.5卢亚,余玲.透光混凝土在景观设计中的应用J.绿色科技,2021,23(17):59-63.(上接第 49 页)25Silva B L,Reinhart G,Nguyen-Thi H,et al.Microstructural development and mechanical properties of a near-eutectic directionally solidified Sn-Bi solder alloyJ.Materials Characterization,2015,107(504):43-53.26梁东成,陈东东,张欣,等.冷却方式对 SAC305 无铅焊料合金组织性能的影响J.昆明理工大学学报(自然科学版),2022,47(01):16-21.27Quan G,TongY,Zhou J.A Study on the critical damage factor of AZ80 magnesium alloyunder different tempera-ture and strainratesJ.Journal of Functional Materials,2010,41(5):892-898.28张黎,冼爱平,王中光,等.应变速率对 Sn-9Zn 共晶合金拉伸性能的影响J.金属学报,2004,11:1151-1154.29张臻,邓运来,郭辉,等.应变速率对 Al-Zn-Mg 合金室温拉伸性能的影响J.功能材料,2017,48(07):7215-7220.30Huang Y,Deng Y,Chen L,et al.Micro-structure,texture and property of extruded 7N01 aluminum alloy platesJ.Chinese Journal of Materials Re-search,2014,28(7):541-548.86