透明混凝土材料在建筑設計中的應用

劉克微 吉林建筑科技學院藝術設計學院公共藝術專業本科

蔡 宇 （通信作者） 吉林建筑科技學院講師

1 透明混凝土材料的特性與優勢

透明混凝土材料指的是將大量光學纖維（具備光線傳導效應）融入原有的建筑混凝土內部，旨在改造建筑材料性能，并且美化建筑結構外觀，大幅度提升材料抗凍性、抗腐蝕性與抗沖刷侵蝕性[1]。透明混凝土材料的形成并不是簡單疊加玻璃光學纖維及傳統混凝土材料，而是經過全面測算混凝土的各個建筑材料性能標準，從而達到準確控制光學玻璃纖維摻入比例的目標，確保從根本上優化建筑材料的外觀視覺展示效應[2]。

透明混凝土建筑物最為明顯的特點是建筑外形美觀、建筑設計節能、建筑室內區域透光良好[3]。當前，我國建筑設計領域已進入全新發展階段，以透明混凝土材料作為建筑結構主體的各種類型建筑物陸續誕生。在此基礎上，建筑設計人員必須深入了解透明混凝土材料的全新功能特性，運用科學規劃的思路來實施建筑設計，確保透明混凝土材料能在最大程度上展示新型建筑材料的優良性能。透明混凝土材料相比傳統混凝土材料的性能優化程度如表1所示。

2 透明混凝土材料運用于建筑設計的總體規劃方案

透明混凝土材料運用于工程建筑設計的基本規劃方案應包括建筑總體布局、建筑分區設計[4]。具體進行規劃設計時，建筑設計人員需要對混凝土的建筑區域空間進行準確的劃分，再運用模擬設計的方式來分析建筑結構特征。建筑設計人員必須對混凝土建筑的隱蔽空間重點進行規劃設計，運用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）來展示動態設計圖，尤其需要注意建筑管線交叉的特殊節點部位的設計。建筑設計人員對混凝土工程的建筑施工資源總量、施工資金成本及建筑工期等重要數據進行全面分析時，應結合建筑設計模型予以實現。因為建筑設計模型本身包含混凝土工程量的軟件分析數據，經過軟件分析得到的工程量基礎數據可以作為混凝土建筑的重要設計參考。

表1 透明混凝土材料的基本特性

混凝土建筑物節點的結構區域必須達到建筑安全性的性能標準，確保長期使用情況下的建筑連接部位不會出現節點連接松動現象，保證混凝土建筑的關鍵節點部位堅固性達標。建筑節點連接設計方案的合理選擇必須依靠信息化技術，展現立體化的建筑連接節點構造方案，防止在建筑結構的某些設計環節存在盲目性。BIM 技術具有動態建模控制的特征，客觀上允許建筑設計人員實時控制混凝土建筑設計效果，按照立體建筑模型的數據變化情況來進行必要的調整與糾正。例如，對于混凝土住宅建筑的山墻部位，需要搭建完整的承重樓板結構，合理控制承重樓板的最大荷載強度。

3 透明混凝土材料在建筑設計中的應用要點

從建筑材料的基本功能與特性角度來講，透明混凝土材料具有建筑設計節能、建筑外觀美化的重要實踐優勢，因此值得被推廣應用于工程建筑設計全過程。建筑設計人員在選擇透明混凝土作為建筑主體結構組成材料的前提下，應密切結合建筑功能分區來運用建筑設計材料，有效確保透明混凝土得到最大化應用，展現透明混凝土在節約建筑設計能耗、美化建筑結構外觀上的價值[5]。在具體實踐中，建筑設計人員針對透明混凝土材料可以從合理規劃建筑結構功能分區、有效節約建筑設計能源消耗量、優化建筑室內空間的采光效果以及建筑外觀視覺效應等角度出發把握建筑設計運用與實施要點（見表2）。

3.1 合理規劃建筑結構功能分區

工程設計人員應針對建筑功能分區進行合理的布置與規劃，合理劃分各個不同區域的建筑功能空間，并且適當運用透明混凝土來改造建筑墻體以及建筑各個功能空間的傳統材料設計方案。針對建筑室內臺階、房間分隔部位、公共樓梯空間、室內裝飾陳設以及各種家具的擺放空間區域，都要實現科學的設計與規劃，全面完善混凝土建筑的各個基本功能分區[6]。

例如，某大型世博會館的建筑主體結構由透明混凝土建成，上述建筑墻體雖然包含厚度較大的水泥承重結構，但是在透明混凝土的融合作用下，水泥承重墻體的外觀形狀傾向于透明的顏色，有效消除了建筑墻體外觀的厚重視覺感受。并且在墻體透光性能明顯改善的情況下，場館室內的人員可以觀看到完整的場館建筑外部各種物體形狀，顯著提高透過場館室內玻璃的光線照射強度。夜晚來臨時，場館建筑物的附近街道布滿了場館建筑室內投影的彩色燈光，帶給觀賞者非常美好的建筑物外觀視覺欣賞印象。

3.2 有效節約建筑設計能源消耗量

透明混凝土運用于工程建筑設計最為明顯的優勢就是實現建筑能耗全面節約的目標，合理分配與規劃建筑工程的各個組成部分能耗，展示混凝土建筑物的最佳節能設計綜合效益。在澆筑混凝土的重要工程實踐環節，設計人員應在透明混凝土的外部增加套管保護層，防止出現破壞光纖混凝土混合材料的后果。如果涉及密集程度較高的建筑鋼筋布置形狀與結構，那么工程設計人員必須準確計算工程材料機械性能及材料抗壓強度，合理選擇建筑結構鋼筋或者型鋼材料來完善建筑設計規劃。

建筑設計人員必須注意的是透明混凝土應被科學分配至各個建筑空間部位，尤其是針對混凝土墻體及建筑公共空間區域。但是實際上，某些建筑室內空間并不適合全面改造為透明混凝土結構，因此建筑設計人員需要考慮透明混凝土運用于建筑室內及建筑公共空間部位的適宜性，避免浪費建筑設計資源。

3.3 優化建筑室內空間的采光效果及建筑外觀視覺效應

建筑設計領域運用透明混凝土的重要實踐價值是優化建筑物的室內空間整體采光效果，對于建筑物的外觀視覺效應予以全面的優化。工程設計人員選擇與應用透明混凝土材料時，基本思路是改造墻體外觀效應，充分保證建筑墻體能透射外界的自然光線，美化建筑墻體外觀的視覺效應。

工程設計人員要最大限度地利用建筑室外的自然光源，借助透明混凝土特有的建筑光線透射性能來利用自然光源。白天，建筑室外的自然光源可以直接照射至建筑室內區域，明顯增強室內空間的建筑透光性；夜晚，建筑室內光源可以充分投影至建筑附近區域的廣場與道路覆蓋范圍，進而達到合理節約建筑采光能耗的目標，并提高建筑外觀美觀程度。

表2 建筑設計過程中透明混凝土材料實踐應用要點

4 結語

現階段，透明混凝土這種全新建筑結構材料已得到合理、科學運用，展現了透明混凝土材料在改造建筑物外觀形態、優化建筑節能綜合效益方面的重要實踐價值。但是從根本上來講，當前多數工程建設項目并沒有普遍應用透明混凝土，仍有待進一步加大推廣應用力度，因地制宜實現對于原有建筑設計材料的改造優化效果。