上海世博会建筑技术及建筑材料应用

上海世博集团发展有限公司 吴跃东

上海久能能源科技发展有限公司 余 毅 宣海峰

1 前言

中国每年消耗的能源有1/3用于建筑。所以，建筑节能是非常重要的一个方面。2010年上海世博会以绿色建筑为标准的建筑节能方面有许多先进的技术和产品。以下分为场馆建筑技术和建筑材料两大部分进行详细介绍。场馆的建筑技术分为建筑技术、施工技术和辅助软件进行了总结。建筑材料分为无机材料、有机材料和复合材料进行了总结。

2 场馆建筑技术

2.1 建筑技术

2.1.1 循环式呼吸井（见图1A）

1）来源：日本馆

2）释义：循环呼吸柱是用铁管制成的圆筒状柱子，表层贴有ETFE薄膜，内带有反光剂，采光的地方为半透明或透明的膜。

3）技术点：

（1）循环式呼吸井可作为承重柱。由于日本馆的设计像一个“巨蛋”，其设计使用的六个循环式呼吸井可以作为建筑的承重柱，极大的节约了钢架的使用。

（2）自然通风。在炎热的夏季底部和顶部温差形成上升气流把地下的冷空气送到建筑物内，给室内空气降温。并由室内CO2传感器进行判断，当自然通风无法有效运作时，通过循环式呼吸孔道強制性地导入新风或使用空调。

（3）导光管的作用。可将室外光线引入室内，减少室内照明用电.

（4）收集雨水。在建筑物地下有一个集水井，一方面可用于室内降温，另一方面可供屋顶喷雾降温之用水.

4）应用：大跨度建筑物2.1.2光伏水幕墙（见图1B）

1）来源：法国阿尔萨斯案例馆

2）释义：光伏水幕系统从外到内有三个层面，外层为太阳能密闭舱，中间层为密闭舱的空气腔，最后太阳能电板和第一层玻璃形成一层为水幕和承载水幕的玻璃墙。

3）技术点：

（1）可开启式太阳能密闭舱。由电脑自动控制，根据情况将密闭舱打开或合上。

（2）在太阳能组件和玻璃幕墙之间形成气流和水流，通过调节角度，不但能有效满足采光需求，而且在炎热的夏日通过流水调节墙面温度，极大地降低了对空调的依赖。

（3）采用低压并网模式，在太阳能发电量不足的时候采用市电补充。

4）应用：建筑的幕墙

2.1.3 生态气候树（见图1C）

1）来源：马德里案例馆

2）释义：一座十边形的钢结构建筑，“树”上装有自动开户的百叶窗和直径7m的引风机，通风功能强大，“树”顶装有太阳能电池板，可实现内部能源自给。

3）技术点：

（1）装有太阳能电池板，实现能源自给。（2）利用百叶窗和引风机调节内部环境。4）应用：公共广场

2.1.4 外墙垂直绿化（见图1D）

1）来源：法国阿尔萨斯案例馆

2）释义：对建筑物外墙面进行垂直绿化，对建筑物起到装饰及调节作用。

3）技术点：

（1）采用专用种植箱和土袋盛装轻质种植土，自动控制微灌并施肥。全部模块化、标准化，安装拆卸方便，维护简单。

②减少二氧化碳，调节空气温度湿度。

（4）应用：任何建筑的外墙面

2.2 施工技术

2.2.1 双曲面铝板幕墙设计施工技术（见图2A）

1）来源：上汽-通用汽车馆

2）释义：由均为异形且尺寸不同的6000多块铝板组成的一万多平方米的，渐开线螺旋上升形式的幕墙，且所有铝板面板与面板之间的缝隙为5mm。

3）技术点：

（1）为了保证面板与面板之间的间隙为5mm，铝板幕墙采用反安装系统方式，突破常规铝板幕墙在外侧安装的系统形式。

（2）由于每一块铝板均为异形且为双曲面，常规做法则需制作相应的模具和焊接方式来保证加工双曲面，会大大的增加工程造价。为了降低成本并保证效果，采用了弧面板不折边的方式，折边采用焊接种钉连接拉弯型材的形式固定，铝板弧面采用定型铝板来控制。

4）应用：型形幕墙

2.2.2 单层网壳的半刚性结点设计（见图2B）

1）来源：阿联酋馆

2）释义：该半刚性节点为美国诺蓝公司（Novum Structure）所持专利，杆件间的连接均可拆卸。

3）技术点：

（1）网壳节点处，钢管的端部设置拧螺栓的施工孔，并焊有材性为ZG20SiMn的铸钢件，铸钢件上设置螺栓孔。

（2）对应铸钢件的上下部分分别设置一金属圆盘，材性为45号钢。

（3）铸钢件与金属圆盘通过10.9级的高强螺栓连接，螺栓规格主要为2M24，部分为2M27，并按照钢结构设计规范要求施加预紧力。

4）应用：连接件

2.3 辅助软件

2.3.1 IES VE环境能源整合分析软件

1）来源：新加坡馆

2）释义：IES VE是由英国IES公司所开发的一款非常成功的集成化模拟分析软件，集成了风环境、光环境和全年能耗模拟等等的功能。

3）技术点：

（1）该软件在做建筑性能模拟分析时体现出其巨大的优越性和灵活性，尤其在和一些绿色建筑标准体系，如LEED、BREAAM相结合时，就能够提供更多的评价内容。目前IES VE可以评价LEED体系中大约10多分的内容，未来有望发展成为一个LEED认证的平台，通过这个平台，可以对很多内容打分，并自动形成LEED评价报告。

（2）IES VE还提供了很多独创性的分析内容，如人员疏散模拟分析、投资运行费用分析、优化比选分析等，丰富了IES VE的软件架构，为未来进一步发展奠定了基础。

（3）IES VE在选择自己的核心算法时具有比较好的前瞻性，其核心模块——热模块和照明模块——的计算引擎都保证了足够的先进性，如热模块中空调系统模拟分析、自然通风模拟分析是很多软件所不具备的内容；再比如照明模块以Radiance为内核，确保了计算的权威性

4）应用：能源分析

2.3.2 XSTEEL钢结构辅助设计软件

1）来源：上汽-通用汽车馆

2）释义：芬兰Tekla公司开发的钢结构详图设计软件，它通过创建三维模型以后自动生成钢结构详图和各种报表。保证了钢结构详图深化设计中构件之间的正确性。同时Xsteel自动生成的各种报表和接口文件，可以服务于整个工程。

3）技术点：

（1）Xsteel是一个三维智能钢结构模拟、详图的软包。模型可以包括零部件的几何尺寸、材料规格、横截面、节点类型、材质、用户批注语等所有信息。

（2）能随时校核选中的几个部件是否发生了碰撞。模型能自动生成所需要的图形。

（3）模型中所有元素包括梁、柱、板、节点螺栓等都是智能目标，当构件的属性改变时相邻的节点也自动改变。可以使人为所引起的错误降低到最低限度。

（4）可以自动生成构件详图和零件详图。构件详图还需要在AutoCAD中进行深化设计；零件图可以直接或经转化后，得到数控切割机所需的文件，全部零件完全由数据设备加工，给生产带来革命性的改变。

（5）可以自动生成报表，如螺栓报表、构件表面积报表、构件报表、材料报表。

4）应用：建筑结构设计，特别是奇异形构件设施

2.4 小结

建筑的设计和制造技术对建筑节能有着重要的影响。以上提到了三个大方面共八项技术就是针对建筑的不同环节的新型技术，值得推广应用。氧化膜的厚度来取得动态色彩，Granex饰面可通过控制气泡的产在以在不锈钢及金属表面制造出粗糙度不同的饰面。

3）技术点：

（1）不锈钢具有自然的透明氧化膜，可以防腐蚀。

（2）光线在金属层和是氧化膜两个面层上进行反射、折射，氧化膜厚度不同造成不同的颜色。

（3）色彩不会受到紫外线破坏，不褪色；较厚的氧化膜提高了材料的防腐蚀性能。

4）应用：对建筑寿命及建筑外观有较高要求的场所。

3.1.2 新型耐候钢板（见图3B）

1）来源：澳大利亚馆、卢森堡馆

2）释义：通过在钢板中添加的合金来隔绝氧化层，从而提高耐候性，锈蚀过程将停滞在钢板表面部分。耐腐蚀性为一般钢材的4-6倍。比普通碳素钢的耐久性高4倍。

3）技术点：

3 新型建筑材料

3.1 无机材料

3.1.1 RIMEX Granex饰面（见图3A）

1）来源：阿联酋馆

2）释义：RIMEX通过将钢材浸在热的铬和硫酸中，增加

（1）在钢材中加入磷、铜、铬、镍等微量元素后，使钢材表面形成致密和附着性很强的保护膜，阻碍锈蚀往里扩散和发展。

（2）表层有自然的锈红色，可以给建筑外立面带来不同凡响的效果。而且抗腐蚀的性质可以使建筑外立面无需保护漆。

（3）耐候钢为热轧材料，最小屈服强度350MPa，具有良好的可焊性和可塑性，可与一般钢材或耐候钢焊接。厚度：3MM-20MM，强度：AS1365（澳标）。

4）应用：展馆、仿古建筑，甚至船运等3.1.3透明混凝土（见图3C）

1）来源：意大利馆

2）释义：由一种特殊的透明体和特殊的水泥组成。覆盖了意大利馆40%的面积。光线透过不同玻璃质地的透明混凝土照射进来，形成一个半透明的效果。

3）技术点：

（1）这种透明混凝土是由一种特殊的透明体和特殊的水泥组成。这种透明体能够很好地和水泥结合在一起，并提高抗折度和抗压度。

（2）这种水泥具有吸收二氧化碳和灰尘的特殊效果，根据加入透明体的多少控制透光度。

（3）A级阻燃，硬度强于一般水泥，制造弧形墙面的话可以弯曲。透光度佳、隔热性佳、无机材质、绿色环保、经久耐蚀、施工迅速、颜色多样。

（4）与一般玻璃相比，其优点主要有：这种材料水泥需要的煅烧量少，耗费能源少；它可以滤除红外线，这样就更易于控制室内温度。

图4 有机材料

4）应用：展馆、娱乐场所和仿古建筑的外墙，甚至是家具台面等。

3.2 有机材料

3.2.1 定向结构麦秸板（OSSB）（见图4A）

1）来源：万科馆

2）释义：定向结构麦秸板（OSSB）是以麦秸秆为原料生产的一种板材，具有天然木材的各种长处，又消除了天然木材横向强度低、易开裂的缺点；其物理特性、经济特性和环保特性均优于木质板。

3）技术点：

（1）麦秸是小麦收获后的废弃物，容易获得。OSSB内芯部分的麦秸横向排列，外部则纵向排列，因而比用木屑等材料制作的人造板（OSB）强度更大，性能更稳定。

（2）保温性能很好，可以降低房间取暖降温的能耗；不含甲醛；以麦秸取代木材制作板材，还能减少木材砍伐量。

4）应用：用于混凝土模板，承重／非承重墙体，室内装修等。

3.2.2 聚碳酸酯（PC）板（见图4B）

1）来源：石油馆、上海企业联合馆

2）释义：聚碳酸酯,简称PC。具有优良的物理机械性能，耐冲击性优异，拉伸强度、弯曲强度、压缩强度高,尺寸稳定；具有良好的耐热性和耐低温性，可在 -60～120℃下长期使用，阻燃及耐候性好。

3）技术点：

（1）石油馆四面采用了PC板材结合LED背景光源作为建筑外表皮，面积达到3600m2，这是国内首创采用大面积的异形PC板材作为建筑外表皮。

（2）上海企业联合馆的“透视装”的原材料是废旧光盘。上海每年产生的废旧光盘在3000万张以上，只有25%得到了回收与再利用。将这些光盘回收清洗，再造出新的聚碳酸酯塑料颗粒制成塑料管，并将“魔方”的技术设备管线容纳其中。

4）应用：建筑外墙面，其他物体外表面

3.2.3 ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）膜（见图4C）

1）来源：日本馆

2）释义：ETFE膜，非常薄（厚度小于200微米），每个膜都由红藤色和透明的双层膜构成，形似空气枕，中间通常被充入空气。

3）技术点：

（1）ETFE膜具有很强的伸缩性。

（2）采用这种轻量膜结构以后，可大大减轻建筑物自身的重量，可减少约30%～40%的用钢量；对基础的承重要求也大大降低。

（3）使用了片筏基础，有利于世博会后的场馆拆除，这种设计可以降低二氧化碳排放，减少混凝土的用量，因此比较环保。阻燃性好，燃烧性能等级为B1级。

4）应用：建筑表面、可移动屋顶结构等。

3.3 复合材料

3.3.1 鳞状花纹纸塑复合板建筑材料（见图5A）

1）来源：芬兰馆

2）释义：鳞状花纹纸塑复合板是一种新型高科技环保材料，由废纸和塑料制成，美观且物理化学特性优异，具有很好的应用前景。

3）技术点：

（1）由废纸和塑料制成的复合板。

（2）坚硬耐磨；水分含量低，自重轻，不褪色；拆卸方便可回收。

4）应用：外墙施工、家居装饰3.3.2织物立面建筑材料（见图5B）

1）来源：德国馆

2）释义：织物立面使用再生循环织物，并有可呼吸式防水补西墙系统。主要优点：通透性、结构轻盈、遮阳隔热、安装迅速、个性化等。

3）技术点：

（1）预应力技术，可以使织物的尺寸更稳定，涂层更厚，从而使材料更耐久。

（2）Texyloop技术，可以使织物更环保；去除PVC织物的废料；再生循环织物，得到100%可再生利用的织物，这种循环真正把材料回归到最原始的材料，质量不会变差。

（3）可呼吸式防水隔绝系统。这项技术通过墙面的一层膜（Stamisol复合材料）达到使墙体里的潮气排出室外，而外面的潮气却不会进入室内的功效，从而延长了建筑物的寿命，并且具有隔热性，80%-90%的热量被阻挡在建筑物外。

（4）具有良好的通透性；阻燃性好，燃烧等级B1级。

4）应用：广泛应用于体育设施、交通设施、商业中心、展览中心、会议和接待中心、仓储结构、建筑小品等建筑

3.3.3 特种隔音门

1）来源：上汽-通用汽车馆

2）释义：隔声效果达到降噪50dB，在国内同类产品中处于领先地位。

3）技术点：

（1）采用弹道式回归铰链。可以减小门在转动过程中的摩擦；铰链轴采用9度升角，使门扇开启后关闭自如；保证门扇在关闭后自动下降，与扇底部横框完全贴合，提高了门的密闭性；通过调节，控制门回归的速度。

（2）门扇内部采用多层材料填充，并加入新型的进口隔音毡,有效地反射和阻挡声波并降低声波的穿透力。

（3）扇与框、以及扇与扇接触面，采用大企口接触面，并在接触面上增加软质磁性胶条密封，使声波在穿过门体缝隙时被反射和消减，大大地提高门的密闭性和隔声性。

（4）双开门的次动扇顶部采用自动式暗插销。使门在开启时有主次顺序。同时增强双开门关闭后门体的稳定性。

（5）门框与门扇之间采用平面密封隔声机理（国际首创理论），国内外均采用锲型密封。

（6）特殊的门板内衬，能获得全频段极佳的隔声性能。

4）应用：影剧院、歌舞厅、体育馆等对内外环境声音隔离要求较高的建筑中。

3.4 小结

建筑材料对建筑节能的影响不可小觑。以上提到的各种材料都值得进一步推广应用。

4 结论

以上从建筑技术和建筑材料两大方面总结了2010年上海世博会的科技创新成果，均标明来源并对这些成果进行了释义，对每个成果的先进技术点以及可能的应用进行了说明。上述先进的建筑技术和新型建筑材料可供各界业内人氏和有关人员世博后继续学习和参改。