上海世博會建筑技術及建筑材料應用

上海世博集團發展有限公司 吳躍東

上海久能能源科技發展有限公司 余 毅 宣海峰

1 前言

中國每年消耗的能源有1/3用于建筑。所以，建筑節能是非常重要的一個方面。2010年上海世博會以綠色建筑為標準的建筑節能方面有許多先進的技術和產品。以下分為場館建筑技術和建筑材料兩大部分進行詳細介紹。場館的建筑技術分為建筑技術、施工技術和輔助軟件進行了總結。建筑材料分為無機材料、有機材料和復合材料進行了總結。

2 場館建筑技術

2.1 建筑技術

2.1.1 循環式呼吸井（見圖1A）

1）來源：日本館

2）釋義：循環呼吸柱是用鐵管制成的圓筒狀柱子，表層貼有ETFE薄膜，內帶有反光劑，采光的地方為半透明或透明的膜。

3）技術點：

（1）循環式呼吸井可作為承重柱。由于日本館的設計像一個“巨蛋”，其設計使用的六個循環式呼吸井可以作為建筑的承重柱，極大的節約了鋼架的使用。

（2）自然通風。在炎熱的夏季底部和頂部溫差形成上升氣流把地下的冷空氣送到建筑物內，給室內空氣降溫。并由室內CO2傳感器進行判斷，當自然通風無法有效運作時，通過循環式呼吸孔道強制性地導入新風或使用空調。

（3）導光管的作用。可將室外光線引入室內，減少室內照明用電.

（4）收集雨水。在建筑物地下有一個集水井，一方面可用于室內降溫，另一方面可供屋頂噴霧降溫之用水.

4）應用：大跨度建筑物2.1.2光伏水幕墻（見圖1B）

1）來源：法國阿爾薩斯案例館

2）釋義：光伏水幕系統從外到內有三個層面，外層為太陽能密閉艙，中間層為密閉艙的空氣腔，最后太陽能電板和第一層玻璃形成一層為水幕和承載水幕的玻璃墻。

3）技術點：

（1）可開啟式太陽能密閉艙。由電腦自動控制，根據情況將密閉艙打開或合上。

（2）在太陽能組件和玻璃幕墻之間形成氣流和水流，通過調節角度，不但能有效滿足采光需求，而且在炎熱的夏日通過流水調節墻面溫度，極大地降低了對空調的依賴。

（3）采用低壓并網模式，在太陽能發電量不足的時候采用市電補充。

4）應用：建筑的幕墻

2.1.3 生態氣候樹（見圖1C）

1）來源：馬德里案例館

2）釋義：一座十邊形的鋼結構建筑，“樹”上裝有自動開戶的百葉窗和直徑7m的引風機，通風功能強大，“樹”頂裝有太陽能電池板，可實現內部能源自給。

3）技術點：

（1）裝有太陽能電池板，實現能源自給。（2）利用百葉窗和引風機調節內部環境。4）應用：公共廣場

2.1.4 外墻垂直綠化（見圖1D）

1）來源：法國阿爾薩斯案例館

2）釋義：對建筑物外墻面進行垂直綠化，對建筑物起到裝飾及調節作用。

3）技術點：

（1）采用專用種植箱和土袋盛裝輕質種植土，自動控制微灌并施肥。全部模塊化、標準化，安裝拆卸方便，維護簡單。

②減少二氧化碳，調節空氣溫度濕度。

（4）應用：任何建筑的外墻面

2.2 施工技術

2.2.1 雙曲面鋁板幕墻設計施工技術（見圖2A）

1）來源：上汽-通用汽車館

2）釋義：由均為異形且尺寸不同的6000多塊鋁板組成的一萬多平方米的，漸開線螺旋上升形式的幕墻，且所有鋁板面板與面板之間的縫隙為5mm。

3）技術點：

（1）為了保證面板與面板之間的間隙為5mm，鋁板幕墻采用反安裝系統方式，突破常規鋁板幕墻在外側安裝的系統形式。

（2）由于每一塊鋁板均為異形且為雙曲面，常規做法則需制作相應的模具和焊接方式來保證加工雙曲面，會大大的增加工程造價。為了降低成本并保證效果，采用了弧面板不折邊的方式，折邊采用焊接種釘連接拉彎型材的形式固定，鋁板弧面采用定型鋁板來控制。

4）應用：型形幕墻

2.2.2 單層網殼的半剛性結點設計（見圖2B）

1）來源：阿聯酋館

2）釋義：該半剛性節點為美國諾藍公司（Novum Structure）所持專利，桿件間的連接均可拆卸。

3）技術點：

（1）網殼節點處，鋼管的端部設置擰螺栓的施工孔，并焊有材性為ZG20SiMn的鑄鋼件，鑄鋼件上設置螺栓孔。

（2）對應鑄鋼件的上下部分分別設置一金屬圓盤，材性為45號鋼。

（3）鑄鋼件與金屬圓盤通過10.9級的高強螺栓連接，螺栓規格主要為2M24，部分為2M27，并按照鋼結構設計規范要求施加預緊力。

4）應用：連接件

2.3 輔助軟件

2.3.1 IES VE環境能源整合分析軟件

1）來源：新加坡館

2）釋義：IES VE是由英國IES公司所開發的一款非常成功的集成化模擬分析軟件，集成了風環境、光環境和全年能耗模擬等等的功能。

3）技術點：

（1）該軟件在做建筑性能模擬分析時體現出其巨大的優越性和靈活性，尤其在和一些綠色建筑標準體系，如LEED、BREAAM相結合時，就能夠提供更多的評價內容。目前IES VE可以評價LEED體系中大約10多分的內容，未來有望發展成為一個LEED認證的平臺，通過這個平臺，可以對很多內容打分，并自動形成LEED評價報告。

（2）IES VE還提供了很多獨創性的分析內容，如人員疏散模擬分析、投資運行費用分析、優化比選分析等，豐富了IES VE的軟件架構，為未來進一步發展奠定了基礎。

（3）IES VE在選擇自己的核心算法時具有比較好的前瞻性，其核心模塊——熱模塊和照明模塊——的計算引擎都保證了足夠的先進性，如熱模塊中空調系統模擬分析、自然通風模擬分析是很多軟件所不具備的內容；再比如照明模塊以Radiance為內核，確保了計算的權威性

4）應用：能源分析

2.3.2 XSTEEL鋼結構輔助設計軟件

1）來源：上汽-通用汽車館

2）釋義：芬蘭Tekla公司開發的鋼結構詳圖設計軟件，它通過創建三維模型以后自動生成鋼結構詳圖和各種報表。保證了鋼結構詳圖深化設計中構件之間的正確性。同時Xsteel自動生成的各種報表和接口文件，可以服務于整個工程。

3）技術點：

（1）Xsteel是一個三維智能鋼結構模擬、詳圖的軟包。模型可以包括零部件的幾何尺寸、材料規格、橫截面、節點類型、材質、用戶批注語等所有信息。

（2）能隨時校核選中的幾個部件是否發生了碰撞。模型能自動生成所需要的圖形。

（3）模型中所有元素包括梁、柱、板、節點螺栓等都是智能目標，當構件的屬性改變時相鄰的節點也自動改變。可以使人為所引起的錯誤降低到最低限度。

（4）可以自動生成構件詳圖和零件詳圖。構件詳圖還需要在AutoCAD中進行深化設計；零件圖可以直接或經轉化后，得到數控切割機所需的文件，全部零件完全由數據設備加工，給生產帶來革命性的改變。

（5）可以自動生成報表，如螺栓報表、構件表面積報表、構件報表、材料報表。

4）應用：建筑結構設計，特別是奇異形構件設施

2.4 小結

建筑的設計和制造技術對建筑節能有著重要的影響。以上提到了三個大方面共八項技術就是針對建筑的不同環節的新型技術，值得推廣應用。氧化膜的厚度來取得動態色彩，Granex飾面可通過控制氣泡的產在以在不銹鋼及金屬表面制造出粗糙度不同的飾面。

3）技術點：

（1）不銹鋼具有自然的透明氧化膜，可以防腐蝕。

（2）光線在金屬層和是氧化膜兩個面層上進行反射、折射，氧化膜厚度不同造成不同的顏色。

（3）色彩不會受到紫外線破壞，不褪色；較厚的氧化膜提高了材料的防腐蝕性能。

4）應用：對建筑壽命及建筑外觀有較高要求的場所。

3.1.2 新型耐候鋼板（見圖3B）

1）來源：澳大利亞館、盧森堡館

2）釋義：通過在鋼板中添加的合金來隔絕氧化層，從而提高耐候性，銹蝕過程將停滯在鋼板表面部分。耐腐蝕性為一般鋼材的4-6倍。比普通碳素鋼的耐久性高4倍。

3）技術點：

3 新型建筑材料

3.1 無機材料

3.1.1 RIMEX Granex飾面（見圖3A）

1）來源：阿聯酋館

2）釋義：RIMEX通過將鋼材浸在熱的鉻和硫酸中，增加

（1）在鋼材中加入磷、銅、鉻、鎳等微量元素后，使鋼材表面形成致密和附著性很強的保護膜，阻礙銹蝕往里擴散和發展。

（2）表層有自然的銹紅色，可以給建筑外立面帶來不同凡響的效果。而且抗腐蝕的性質可以使建筑外立面無需保護漆。

（3）耐候鋼為熱軋材料，最小屈服強度350MPa，具有良好的可焊性和可塑性，可與一般鋼材或耐候鋼焊接。厚度：3MM-20MM，強度：AS1365（澳標）。

4）應用：展館、仿古建筑，甚至船運等3.1.3透明混凝土（見圖3C）

1）來源：意大利館

2）釋義：由一種特殊的透明體和特殊的水泥組成。覆蓋了意大利館40%的面積。光線透過不同玻璃質地的透明混凝土照射進來，形成一個半透明的效果。

3）技術點：

（1）這種透明混凝土是由一種特殊的透明體和特殊的水泥組成。這種透明體能夠很好地和水泥結合在一起，并提高抗折度和抗壓度。

（2）這種水泥具有吸收二氧化碳和灰塵的特殊效果，根據加入透明體的多少控制透光度。

（3）A級阻燃，硬度強于一般水泥，制造弧形墻面的話可以彎曲。透光度佳、隔熱性佳、無機材質、綠色環保、經久耐蝕、施工迅速、顏色多樣。

（4）與一般玻璃相比，其優點主要有：這種材料水泥需要的煅燒量少，耗費能源少；它可以濾除紅外線，這樣就更易于控制室內溫度。

圖4 有機材料

4）應用：展館、娛樂場所和仿古建筑的外墻，甚至是家具臺面等。

3.2 有機材料

3.2.1 定向結構麥秸板（OSSB）（見圖4A）

1）來源：萬科館

2）釋義：定向結構麥秸板（OSSB）是以麥秸稈為原料生產的一種板材，具有天然木材的各種長處，又消除了天然木材橫向強度低、易開裂的缺點；其物理特性、經濟特性和環保特性均優于木質板。

3）技術點：

（1）麥秸是小麥收獲后的廢棄物，容易獲得。OSSB內芯部分的麥秸橫向排列，外部則縱向排列，因而比用木屑等材料制作的人造板（OSB）強度更大，性能更穩定。

（2）保溫性能很好，可以降低房間取暖降溫的能耗；不含甲醛；以麥秸取代木材制作板材，還能減少木材砍伐量。

4）應用：用于混凝土模板，承重／非承重墻體，室內裝修等。

3.2.2 聚碳酸酯（PC）板（見圖4B）

1）來源：石油館、上海企業聯合館

2）釋義：聚碳酸酯,簡稱PC。具有優良的物理機械性能，耐沖擊性優異，拉伸強度、彎曲強度、壓縮強度高,尺寸穩定；具有良好的耐熱性和耐低溫性，可在 -60～120℃下長期使用，阻燃及耐候性好。

3）技術點：

（1）石油館四面采用了PC板材結合LED背景光源作為建筑外表皮，面積達到3600m2，這是國內首創采用大面積的異形PC板材作為建筑外表皮。

（2）上海企業聯合館的“透視裝”的原材料是廢舊光盤。上海每年產生的廢舊光盤在3000萬張以上，只有25%得到了回收與再利用。將這些光盤回收清洗，再造出新的聚碳酸酯塑料顆粒制成塑料管，并將“魔方”的技術設備管線容納其中。

4）應用：建筑外墻面，其他物體外表面

3.2.3 ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）膜（見圖4C）

1）來源：日本館

2）釋義：ETFE膜，非常薄（厚度小于200微米），每個膜都由紅藤色和透明的雙層膜構成，形似空氣枕，中間通常被充入空氣。

3）技術點：

（1）ETFE膜具有很強的伸縮性。

（2）采用這種輕量膜結構以后，可大大減輕建筑物自身的重量，可減少約30%～40%的用鋼量；對基礎的承重要求也大大降低。

（3）使用了片筏基礎，有利于世博會后的場館拆除，這種設計可以降低二氧化碳排放，減少混凝土的用量，因此比較環保。阻燃性好，燃燒性能等級為B1級。

4）應用：建筑表面、可移動屋頂結構等。

3.3 復合材料

3.3.1 鱗狀花紋紙塑復合板建筑材料（見圖5A）

1）來源：芬蘭館

2）釋義：鱗狀花紋紙塑復合板是一種新型高科技環保材料，由廢紙和塑料制成，美觀且物理化學特性優異，具有很好的應用前景。

3）技術點：

（1）由廢紙和塑料制成的復合板。

（2）堅硬耐磨；水分含量低，自重輕，不褪色；拆卸方便可回收。

4）應用：外墻施工、家居裝飾3.3.2織物立面建筑材料（見圖5B）

1）來源：德國館

2）釋義：織物立面使用再生循環織物，并有可呼吸式防水補西墻系統。主要優點：通透性、結構輕盈、遮陽隔熱、安裝迅速、個性化等。

3）技術點：

（1）預應力技術，可以使織物的尺寸更穩定，涂層更厚，從而使材料更耐久。

（2）Texyloop技術，可以使織物更環保；去除PVC織物的廢料；再生循環織物，得到100%可再生利用的織物，這種循環真正把材料回歸到最原始的材料，質量不會變差。

（3）可呼吸式防水隔絕系統。這項技術通過墻面的一層膜（Stamisol復合材料）達到使墻體里的潮氣排出室外，而外面的潮氣卻不會進入室內的功效，從而延長了建筑物的壽命，并且具有隔熱性，80%-90%的熱量被阻擋在建筑物外。

（4）具有良好的通透性；阻燃性好，燃燒等級B1級。

4）應用：廣泛應用于體育設施、交通設施、商業中心、展覽中心、會議和接待中心、倉儲結構、建筑小品等建筑

3.3.3 特種隔音門

1）來源：上汽-通用汽車館

2）釋義：隔聲效果達到降噪50dB，在國內同類產品中處于領先地位。

3）技術點：

（1）采用彈道式回歸鉸鏈。可以減小門在轉動過程中的摩擦；鉸鏈軸采用9度升角，使門扇開啟后關閉自如；保證門扇在關閉后自動下降，與扇底部橫框完全貼合，提高了門的密閉性；通過調節，控制門回歸的速度。

（2）門扇內部采用多層材料填充，并加入新型的進口隔音氈,有效地反射和阻擋聲波并降低聲波的穿透力。

（3）扇與框、以及扇與扇接觸面，采用大企口接觸面，并在接觸面上增加軟質磁性膠條密封，使聲波在穿過門體縫隙時被反射和消減，大大地提高門的密閉性和隔聲性。

（4）雙開門的次動扇頂部采用自動式暗插銷。使門在開啟時有主次順序。同時增強雙開門關閉后門體的穩定性。

（5）門框與門扇之間采用平面密封隔聲機理（國際首創理論），國內外均采用鍥型密封。

（6）特殊的門板內襯，能獲得全頻段極佳的隔聲性能。

4）應用：影劇院、歌舞廳、體育館等對內外環境聲音隔離要求較高的建筑中。

3.4 小結

建筑材料對建筑節能的影響不可小覷。以上提到的各種材料都值得進一步推廣應用。

4 結論

以上從建筑技術和建筑材料兩大方面總結了2010年上海世博會的科技創新成果，均標明來源并對這些成果進行了釋義，對每個成果的先進技術點以及可能的應用進行了說明。上述先進的建筑技術和新型建筑材料可供各界業內人氏和有關人員世博后繼續學習和參改。