新技術推動建筑革新

2015-04-29 00:00:00張河山

科學導報 2015年58期

建筑只是為人們遮風避雨的庇護所嗎？對于未來建筑而言，這只是最基本的功能。隨著納米技術、生物技術、機器人、3D打印等新科技融入建筑中，未來的房屋將會讓人們大吃一驚——它們或可自我愈合、或能“呼吸”并產生能源、或能被快速打印出來、或耐得住強烈地震……可以說，隨著科技的不斷進步，現代人對居住環境的所有要求，都將在未來建筑中得以實現。

1 會“自我修復”的房子

英國倫敦大學材料學教授馬克·米奧多尼克預言，隨著納米技術的發展，能夠自我修復“缺陷”損傷的建筑材料將在不久后問世。未來的建筑不但可以吸收太陽能發電，并且還能自我修復身上的“損傷”，這些智能建筑還可以根據氣候變化自動打開和關閉窗戶。

目前，英國牛津大學和劍橋大學的科學家們正在研制一種特殊的半導體，它的分子能夠“自我組織”成最佳結構來吸收太陽能，并將其轉化成電荷。這種半導體將親水性分子和厭水性分子組合在了一起，這兩種分子的特性意味著它們“水火不容”，總想分開，但它們之間的分子鏈接卻阻止它們分離，所以它們會自發地組成一種立體結構，從而能很好地吸收太陽能并轉化為電能。英國科學家相信，這種能夠自發組成最佳結構的半導體不僅可以用于制造太陽能電池，并且還能用作整幢建筑的外部材料，如果將來每個家庭的住宅外墻都能涂上這種“太陽能電池”材料，那么全球的能源問題將得到很大的解決。不過，對這種納米材料的使用不僅限于發電，它還能讓建筑“感覺”氣候的冷暖變化并具有自我修復的能力，就像我們的身體細胞能夠探測到燙傷、疼痛和裂口一樣，未來的建筑也將具有這種如同人體細胞般感知和修復“自身損傷”的能力。

2 能“呼吸”的摩天大樓

德國漢堡正在建造世界上第一座藻類發電建筑。這座建筑由西班牙Arup工程公司設計，其正面鑲嵌的玻璃裝有生物反應器，內有微藻類可產生熱量，整座建筑隔熱保溫、隔離噪音。目前，這座建筑已安裝了129臺生物反應器，這些反應器由一個可收集太陽熱量的能量管理中心控制。建筑正面可利用陽光發電，有機LED等元件可在夜間提供照明，讓凈能耗的人工照明成為一種可能。

Arup公司還對2050年的城市建筑進行了預測——噴氣動力機器人維修工、摩天農場和光電油漆都將用于未來的建筑，而這些現在都處在研發階段。他們認為未來的摩天樓將是“活建筑”，由于外墻采用了光電油漆、風力渦輪機以及可產生生物燃料的藻類，未來的建筑產生的資源要超過消耗的資源。綠色空間將分布在整座建筑內，水資源系統將兼具回收再利用和過濾功能，可減少影響環境的污染物質。

令人難以置信的是，他們認為未來建筑將成為類似大腦的智能建造系統的受益者，能夠利用有關能源消耗、天氣和居民需求的數據自動進行調節。未來的摩天大樓采用模塊式設計，使用噴氣動力的維修機械臂置換模塊。這種模塊式組件可以用于住宅或者商業建筑，也可用于食品生產設施，牧場、漁場或者蔬菜種植園。

Arup公司未來建筑顧問約瑟夫·哈格拉夫指出：“未來的建筑將從被動的殼子變成具有適應能力以及能夠對外界變化做出反應的生物——能夠呼吸的活建筑將支撐城市的明天。”

3 3D打印房屋

不要一磚一瓦，只要一臺3D打印機，就能在24小時內“興建”10間房？這是近日出現在我國上海的3D打印房屋。

3D打印房屋的過程有些類似奶油裱花，由一個巨大的噴頭不斷噴出灰色的油墨，油墨呈“Z”字形排列，層層疊加，很快便可砌起一面高墻。之后，墻與墻之間還可用鋼筋水泥進行二次“打印”灌注，連成一體。整個打印過程，只需要一張圖紙、一臺電腦和足夠的“油墨”，就可以在24小時內打印出10幢200平方米的建筑。

在3D打印房屋時，門窗的位置會預留出來，并且根據需要安裝預埋件。打印墻體所用的油墨是一種特殊的材料——建筑垃圾，這些建筑垃圾通過處理、加工、分離，形成了3D打印建筑“油墨”的原材料。盡管這種“油墨”是一種經過特殊玻璃纖維強化處理的混凝土材料，其理論強度和使用年限大大高于鋼筋混凝土，但其剛度和耐久性等綜合性能還待驗證。未來，這種空心墻體的結構可以大量應用在橋梁、簡易工房、劇院等建筑中。

用3D打印機來造房，可以說是世界各國建筑師的夢想。此前，俄羅斯曾建造一幢3D打印建筑，其原理是打印一個個像樂高積木一樣的配件，然后通過組裝做成建筑的墻體。荷蘭則打印了名為莫比烏斯環的景觀房建筑，這個建筑是通過用沙子和黏合劑的方式打印若干個模塊進行組裝的。

也許在不遠的未來，人們看中了哪棟建筑，或者喜歡哪套品牌家具，只要用照相機拍下來，將設計圖紙輸入電腦，很快就可不走樣地打印出來。

4 抗震“智能屋”

有數據顯示，在地震中，95%以上的人身傷亡都因建筑物受損或倒塌所致，此時，人們的庇護所反而成了危及生命的“元兇”。為了對抗這種危害巨大的自然災害，世界各國都積極研究抗震建筑。

希臘是地震多發的國家，因而研究抗震的方法一直是當地科研人員的重要課題，新型“智能減震屋”就是最新研究成果。據研究人員介紹，這座“智能屋”的最大特色就是能夠進行“自我保護和修復”?！爸悄芪荨崩锇惭b了多種傳感設備，即便是對最輕微的震動也會有所察覺，并可借助屋內設備減少甚至抵消地震帶來的震動?！爸悄芪荨辈捎玫牟牧暇哂凶詣有迯凸δ?，一旦墻體在地震中出現裂縫，液態修補材料可以像膠水一樣，粘住裂縫并迅速固化，從而防止房屋倒塌。室內傳感器還能迅速感知到溫度的變化。一旦室溫瞬間升高到一定程度，傳感器就會通過互聯網或衛星信號，自動通知附近居民并向消防部門報警，從而降低地震引發火災給人們帶來的傷害。研究人員介紹說首個“智能屋”將在一周內搭建完畢，他們將在接下來的時間里對它的實用性進行檢驗。

日本大京公司一座號稱日本最高（地上55層、高185米）的公寓，使用了與美國紐約世界貿易中心相同的168根鋼管的結構，確保了抗震強度。另外，該公寓還使用了剛性結構抗震體。如遇阪神大地震級別的地震發生時，柔性結構的建筑一般要搖動1米左右，而剛性結構建筑只搖動30厘米。日本的三井不動產公司在東京出售的一座免震結構公寓高達93米，這個建筑物的外圍使用了新研制的高強度16積層橡膠，建筑物的中央部分也使用了由天然橡膠生產的積層橡膠。這樣，在6級地震發生時，就可將建筑物的受力減少至二分之一。日本已向市場投放40棟這種建筑。