新型建筑材料在上海世博会建筑表皮中的应用

■ 王卓琳 Wang Zhuolin

0 引言

建筑表皮对于建筑就像衣服对于人，关系到自我展示的整体形象。随着现代建筑技术与材料的发展，建筑表皮正逐渐从建筑主体结构上分离出来，不同建筑材料组成的建筑表皮不仅展现建筑的姿态，同时也体现建筑师的设计理念，改善建筑、人、环境三者之间的相互关系。上海世博会的场馆建筑中，建筑师注重建筑表皮的设计构成及材料表现方式的探索，重视新型建筑材料的使用，以及传统材料的创新性应用，使展馆体现出独特的视觉识别性、展示性、表现性及个性化。本文针对建筑表皮的材料构成问题，对新型建筑材料在上海世博会建筑表皮中的应用情况进行分析，希望可对未来各类永久性建筑表皮设计提供启示意义。

1 世博会建筑表皮材料运用情况

本次世博会场馆建筑表皮材料的选择主要基于以下几个需求：①作为围护结构的基本功能性要求；②展示自身文化特色、产业特色；③重视节能、环保、低碳和可持续发展；④与周边建筑或者园区整体环境和谐相处。基于这几个主要依据，建筑师利用不同材料在形状、色彩、质感、性能上的特点，经过精心设计，产生了美的建筑形式和节能低碳的建筑表皮。

1.1 材料运用类型

本次世博会建筑表皮材料主要有生物材料、玻璃、太阳能利用材料、环保复合材料、薄膜材料、传统材料的新利用等几种形式。

1.1.1 生物材料

主要包括竹子、木材、藤条、绿化植被、麦秸砖、屋顶花园等等。生物材料往往注意与当地的原生性材料相结合，将当地资源丰富的原材料作为建筑外层设计，并且都是可回收利用、无污染的绿色材料。在建筑外层的观感上也往往能体现出回归自然的感觉。如以竹子作为建筑表皮材料的越南馆(图1)、印度尼西亚馆(图2)等，以木材作为建筑表皮材料的挪威馆(图3)、加拿大馆(图4)、葡萄牙馆(图 5)。西班牙馆(图 6)以藤条作为建筑表皮材料，建筑师希望通过中国历史悠久的传统材料和编织手法创造出新的美感。万科馆采用天然麦秸板作为建筑表皮，不仅环保，还考虑麦秸板经过日晒雨淋的逐渐老化过程，以展示“岁月留痕”的哲理意义。绿化植被是场馆建筑中应用比较多的生物材料，包括印度馆、香港馆、中国馆、法国馆、卢森堡馆的顶部，主题馆、加拿大馆的侧壁等等。这些绿色植物或为植物挂板，或为屋顶花园。

1.1.2 玻璃材料

玻璃材料的应用往往与一定技术或科技手段相结合，主要希望达到低辐射、低耗能、保温隔热的效果。例如澳门馆等采用的低辐射双层中空玻璃；世博中心的双层玻璃幕墙中含有金属丝网和惰性气体，以起到更好的保温隔热作用(图7)。爱尔兰馆的多层玻璃之间夹有零碳酸酯，可起保温隔热作用(图8)。世博轴的“阳光谷”由三角形夹胶玻璃组成巨型圆锥状幕墙，可以进行主动采光(图9)。意大利馆的玻璃幕墙可以吸收太阳辐射，降耗发电。智利馆的玻璃中掺入65%～70%的废旧玻璃，透光不透视，并且有保温隔热作用。英国馆外层设计选用亚克力(有机玻璃)材料(图10)，形成60 000多根可以摆动的有机玻璃“触须”，造型独特且有一定的透光作用。

在线缆上取最低点和固定点两个有代表性的区域进行分析。在跨接线缆的最低点位置，P与T近似为水平方向，两者方向相反，且与G达到平衡状态。因此处的平衡状态可维持不变，故其受力对线缆的疲劳寿命影响可以忽略。

1.1.3 太阳能利用材料

本着节能、低碳的设计理念，很多场馆实现了太阳能利用技术与建筑表皮设计的一体化。从建筑开始设计的时候，就将太阳能系统包含的所有内容作为建筑不可或缺的元素加以考虑，巧妙地将太阳能系统的各个部件融入建筑中，使太阳能系统成为建筑不可分割的一部分。

本次世博会建筑中太阳能的利用方式主要是光伏发电技术和光热转化技术等主动式应用技术。如中国馆的屋面和外墙均设有新型太阳能光电板，为了不影响整个屋顶的艺术效果，太阳能电池组件采用间隔方式铺设。澳门馆外墙的上半部为一排排百叶形的太阳能板，既可以发电还可以遮阳(图11)。主题馆屋面上24个巨型菱形铺设了太阳能光电板，年发电量可达250万kWh(图12)。意大利馆采用了太阳能集热板。上海企业联合馆的屋顶布置太阳能集热屏，上面布满热水管道，采用了低温热水发电新技术。

1.1.4 环保复合材料

此类材料一般具有可降解、可循环利用的特点并且有别于以上几种材料。如联合国馆外墙所采用纸蜂窝复合墙体材料“纸砖”，有质轻、防火、保温、隔音、可降解功能。芬兰馆表皮的新型纸塑复合材料，以标签纸和塑料的边角余料为主要原料，表面坚硬耐磨，水分含量低、自重低、不褪色(图13)。石油馆采用可循环再利用的新型绿色石油衍生品PC板材，结合LED背景光源作为建筑外表皮(图14)。

1.1.5 薄膜材料

本次世博会采用的膜材料大多为聚四氟乙烯(PTFE)薄膜和乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)膜材。这两种膜材的共同特点是轻薄高强，使用温度范围广；具有高透光率和高热能反射率；特有抗黏着表面具有高抗污、易清洗的特点，通常雨水即可清除主要污垢；使用寿命较高，适用于永久性多层可移动屋顶结构；材料可再循环利用，再次生产新的膜材料。

除了PTFE膜和ETFE膜之外，还有其它一些环保可回收的革新薄膜材料在展馆建筑表皮中得以应用。德国馆外墙采用的是一种网状的、透气性能良好的革新性建筑布料，表层织入了一种金属性的银色材料(图17)，对太阳辐射能具有极高的反射作用。韩国企业联合馆外立面采用合成树脂膜材做成，属于可回收、可降解材料(图18)。

1.1.6 传统材料的新利用

有很多相对传统或者普通的材料在外层设计中得到了创新应用，如混凝土、金属材料、塑料复合材料、木材合成板材等。

意大利馆的透明混凝土源自于一种特殊的树脂与水泥的混合，可折射五彩斑斓的灯光，并进一步加大室内自然光照明的效果(图19)。澳大利亚(图20)、卢森堡馆(图21)、智利馆都选用耐候钢作为建筑外层材料。耐候钢的钢材表面有着致密和附着性很强的保护膜，可以阻碍锈蚀扩散和发展，且与不锈钢相比价格较为低廉。这些场馆利用耐候钢的特殊颜色演绎山峦、岩石、沙漠等当地的壮丽色彩和形象。

金属材料还有不锈钢、铝合金板材、铝塑板、彩钢板等，主要利用其造型性强、颜色多变的特点，用于大面积的建筑表皮装饰。俄罗斯馆塔楼采用白、红、金三种颜色的钢板分别代表俄罗斯文化中的美丽、繁荣和纯洁(图22)。瑞典馆的钢板外墙，钢板的不同大小、形状、间隔与钢板上大量孔洞组成了首都斯德哥尔摩市中心的地图(图23)。阿联酋馆大面积应用玫瑰色不锈钢板营造出沙漠的自然色彩(图24)。沙特阿拉伯用银色的铝塑板营造出“月亮船”的船体。世博文化中心的超曲面金属表皮由两层金属板组成，外层为铝合金蜂窝板，内层为铝镁锰合金直立锁边板，内衬隔声和保温层，且其表面涂料颜色对阳光有反射作用。

1.2 建筑材料对建筑表皮功能的实现

1.2.1 展示作用

既包括空间上的建筑形体展示，也包括建筑文化和设计理念的展示。建筑表皮材料的选择往往依据设计理念，有时需要选用某些特定的材料、材质，或者利用材料本身的自然色，以达到建筑师对建筑外层形态的塑造效果以及建筑文化内涵的展示。例如澳大利亚馆的锗红色耐候钢表皮是对澳大利亚广袤的红色土壤的最好诠释。世博轴采用的超大索膜结构，利用膜材可以自由塑造形状的特色，塑造出像花瓣一样的轻盈体态。主题馆太阳能光电板是深蓝偏紫的颜色，与其对应的菱形是颜色相对较浅的屋面和天窗，水平的光电板和有一定倾斜角度的天窗，生动地体现出城市弄堂纵横交错，凹凸起伏的立体肌理。

1.2.2 保温隔热性能

建筑表皮的保温隔热性能主要可以通过两个方面实现，一是建筑材料本身可以起到保温隔热的性能；二是建筑外围护结构的设计方法采用双层空间设计(内部通常为普通围护结构，外层为展示层)，通过两层材料之间的间隔并利用空气流通等措施起到保温隔热的作用。

利用材料本身起到保温隔热性能的有绿色植被、屋顶覆土技术的花园、双层中空玻璃、木材等等。绿色植物墙面可通过植物的水汽蒸发过程，降低环境温度，减轻市区热岛效应；并且可使周围风速降低，延长外墙使用寿命。屋顶花园可以减少太阳光反射面和热力吸收平面，有明显的隔热效果和对建筑的保护作用。加拿大馆的红杉木本身含有大量的细胞孔状结构，里面充满空气，具有很强的隔热能力，其热绝缘效果远远超过砖头、水泥和钢材。

利用外层结构构造起到保温隔热作用的还有太阳能板、膜材、水幕等。如主题馆屋面太阳能板与建筑防水等结构措施相结合，设置双层构造，以起到保温隔热作用。意大利馆内部有双层ETFE膜，中间的空气层具有优越的保温隔热性能。德国馆外墙的高科技革新网膜，以50~150cm的距离包装起来，就像是展馆建筑的第二层皮，为德国馆遮阳。匈牙利馆和阿尔萨斯馆则利用建筑外层设置的水幕和水流带走热量。

1.2.3 采光与通风性能

建筑表皮材料的采光性能主要通过三方面实现，①利用材料本身的透光性，这类材料主要为膜材。如万科馆顶部的ETFE膜，日本馆的发电膜，挪威馆顶部的PTFE膜等。②对玻璃材料进行一定的处理，以达到特殊的采光效果。如智利馆的玻璃中掺入65%～70%的废旧玻璃，能起到透光不透视的作用。③通过不透明材料的布置形式，采用孔隙式采光。如加拿大馆利用间隔设置的杉木条、新加坡馆在外层设置不同的开缝线条进行采光。该方法还可以加速孔洞、隔缝之间、馆内外的空气流通，往往可以同时起到通风的作用。

1.2.4 降噪性能

除了目前应用已经比较广泛的双层中空玻璃(如澳门馆)可以起到降噪的作用外，一些自然材料同样具有良好的降噪性能。葡萄牙馆的外墙、内壁以及地板采用的软木具有卓越的吸音、隔音和减震性能。印度馆竹制穹顶上的楠竹网格与钢筋混凝土的使用织就了一个吸音天花板。绿色植被墙上柔软的植物能吸收低频噪声，也可以有效的隔绝噪音。

1.2.5 能源生产功能

表皮材料的能源生产功能主要由太阳能发电装置大型光伏发电系统提供。以主题馆的屋面太阳能板为例，其面积达3万m2，年发电量约250万kWh，大约相当于少用893t标准煤，预计可减少二氧化碳排放量2 374t[2]。上海企业联合馆屋顶布置2 200m2的太阳能集热屏，借助低温热水发电新技术，输出电功率超过200kW以上。

1.2.6 自洁性能

具有自洁性能的建筑表皮材料以膜材料为主。如中国航空馆的PVC膜表面有一层二氧化钛光触媒的涂层，表面不易附着污物，同时可分解附着在表面的灰尘和有机物，并能够吸收紫外光，使膜免遭紫外线照射老化。阳光谷的表层涂有特殊材料，可以由雨水冲刷清洗。

2 世博会建筑表皮材料运用的主要特色

2.1 具有鲜明的文化内涵和识别性

世博会建筑一般有两种价值取向：一种是体现现代美学和未来美学，概念较为抽象，有鲜明的识别性和未来感。比如日本通过发电膜材料，造型和颜色透露出一种人类面向未来生活的智慧和幽默。英国馆用6万根光导纤维组成了蒲公英造型，极富视觉冲击力。另一种价值取向就是体现文化或展示各国各地区不同的价值观和民族风情。马来西亚馆、尼泊尔馆、泰国馆、非洲馆、印度馆等等都是这样的典范。

2.2 取材自然，体现人与自然的和谐

本次世博会“和谐城市”的理念立足于人与自然，强调人与自然的和谐，强调城市对保护环境的重要性。因此，很多场馆建筑的外层设计都选用了原生态的材料，诸如竹子、木材、绿色植被等。这些材料不仅是参展国或者中国当地比较丰富的资源，同时也是可回收的。

2.3 因地制宜，结合上海地区气候条件

上海属于北亚热带海洋性季风气候，光、降水、江水资源等都很丰富，各类场馆的表皮设计对这些资源进行了充分利用。如主题馆、中国馆屋面铺设大量的太阳能面板，不仅能吸收太阳能发电，还可以减少二氧化碳排放量。澳大利亚馆外墙采用耐候钢，在上海湿润的气候中可以呈现渐变的效果，从最初的银灰色逐渐过渡到浓重的红赭石色。

2.4 处处体现节能低碳的环保思想

通过建筑表皮的材料选择与技术应用等可以实现节能低碳的环保思想。如部分场馆采用半透明的薄膜材料，覆盖于建筑顶层，尽量采用自然采光而减少室内照明用电；有些场馆在屋顶以及外墙覆盖绿色植被，达到保温隔热的作用；而有很多场馆的外层所采用的材料本身就是环保可回收的。

2.5 新的建筑表皮设计理念已不同与传统的展馆建筑特色

本次世博会倡导低碳环保，使得很多展馆建筑不再是一个简单的密闭空间，其建筑表皮和建筑形体、内部展示物已经融为一体，同时强调建筑表皮与内部展馆空间的自然采光、遮阳以及空气流通等方面的合理结合。建筑表皮不再是简单的建筑主体与围护结构的分隔，而是要具有更强的气候调节功能，且在材料与构造上的表达更为充分和自由。

3 建筑表皮材料的应用发展趋势

材料是建筑产生的物质基础，也是建筑表皮的必备条件。它既可以是建筑空间的外界面和传达信息的物质载体，也可以是建筑外层具有围护和防护作用的表皮。建筑表皮通过材料的运用，可以具有多种表现形态。不同颜色和质感的表皮材料赋予了建筑不同的风格，而不同材料的不同组合和构造方式又为表皮功能提供了多种可能。总结本次世博会建筑表皮材料的应用特点，可以为今后的展会型临时性场馆建筑以及新建建筑的表皮材料提供借鉴，揭示建筑外层材料的发展趋势。

(1)重视可持续发展的理念，强调建筑外层的一体化、多功能。建筑表皮不再是简单的内外部的分隔，而是要根据建筑特定的功能要求、地域和环境特点等，强化或者弱化某项功能，如通风、采光、隔热、保温、降噪、防火、安全、美学等等。建筑表皮材料的选择，需要综合考虑材料的不同功能，并对其进行合理组合。目前最常见的就是将太阳能发电材料与建筑外层结合设计，以及将玻璃幕墙的采光性能与保温隔热性能相结合。

(2)生态性、地方性的自然材料逐步回归。材料受自然环境与自身性能的局限，在不同的地理环境与气候环境下产生不同的建筑形式，形成了明显的地域特征。对地域性、生态性、可再生材料(如木材、竹材等)的利用，可以大大降低对高能耗不可循环利用建材的依赖，越来越成熟的材料加工处理技术也极大地促进了原生材料以及地方性材料的回归。

(3)传统建筑材料将得到越来越多的创新性应用。新时代下，传统材料的运用不仅延续传统的构造和使用方法，更有一些创新性运用，使得传统的材料焕发新的时代特色，令人耳目一新。

(4)环保型、复合型材料的研发和使用越来越多。以节约能源和有效利用可再生资源为目的，在建筑材料功能更加完善的同时，也极大地扩展了建筑的表现力。如发电膜、自洁膜、低辐射双层中空玻璃、太阳能面板、石油衍生品板材、纸塑复合材料等新型建筑表皮材料的革新与研发，使得原来单一材料的表皮构筑模式将逐步被热工性能优良、适应气候变化的复合式外表所取代。

[1]上海市世博科技促进中心.中国2010年上海世博会场馆科技视点[C]. 上海:上海市世博科技促进中心, 2010.

[2]上海世博会事务协调局，上海市城乡建设和交通委员会[M].上海世博会建筑.上海:上海科学技术出版社, 2010.