建筑设计与建筑材料

宋晓航

（中海地产(青岛)投资开发有限公司，山东 青岛 266000）

建筑设计要实现坚固、适用、美观的要求，需要有机的组织各种建筑材料来营造空间；选择恰当的建筑材料能够有效的延长建筑工程的使用寿命，提高建筑工程的安全性；不同地域采用的建筑材料可能有所区别，选择施工材料需要因地制宜，有赖于建筑设计。

1 建筑材料按设计功能分类

建筑材料按照建筑设计上的功能和用途进行分类，一般可以分为结构材料、围护材料、功能材料三大类。

结构材料，主要指构成建筑物受力构件和结构所用的材料，如梁、板、柱、基础、框架等构件或结构所使用的材料。其主要技术性能要求是具有强度和耐久性。常用的结构材料有混凝土、钢材、石材等。

围护材料，是用于建筑物围护结构的材料，如墙体、门窗、屋面等部位使用的材料。常用的围护材料有砖、砌块、板材等。围护材料不仅要求具有一定的强度和耐久性，而且更重要的是应具有良好的绝热性，符合节能要求。

功能材料，主要是指担负某些建筑功能的非承重用材料，如防水材料、装饰材料、绝热材料、吸声材料、密封材料等。

2 建筑材料和设计的发展

原始社会，那时的建筑材料有泥、土、草、竹、木、石头、土坯等。人们只能依靠天然洞穴或者“以树为巢”，一切能利用的只有现成的天然材料。建筑设计严重受到建筑材料的限制。

古代社会，逐渐掌握了对火的使用，由最原创的土坯晒干后垒墙，慢慢发展为将土坯置于高温烧制成耐水的黏土砖和瓦。建筑材料的提升，促进了着建筑设计的萌芽和发展，出现了城池、宫殿、庙宇、民居。(黏土砖持续发展，一直持续到21 世纪，部分地区仍在使用黏土砖，但大量烧制黏土砖，消耗了大量黏土，导致土地资源问题凸显，黏土砖已经被新材料逐步替代，慢慢退出历史舞台。)

近代社会，1824 年英国人阿斯谱丁将石灰石和黏土置于石灰窑中高温煅烧，制成水泥，主要成分是硅酸盐。与石灰胶凝材料相比，水泥强度极高，同时水泥同于石灰属于气硬性材料，水泥属于水硬性材料，在水中硬化并达到强度。

水泥与砂石和水拌和以后形成的混凝土为大规模建设房屋、道路、桥梁等基础设计建设奠定了坚实的基础。钢筋属于受拉能力强的材料，混凝土属于受压能力强的材料，两者在建筑设计的组织下有机结合，成为当今建筑结构的最主要材料钢筋混凝土。近代的建筑材料有钢铁、水泥、混凝土、钢筋混凝土、平板玻璃、粘结剂、人造板材。

事实上水泥的发明有一个渐进的过程，并不是一蹴而就的，是一个建筑设计与建筑材料共同历练和成长的过程，两者砥砺前行，谱写不朽史诗。水硬性石灰是现代水泥的里程碑，是现代水泥的萌芽和起点。18 世纪中叶，英国航海业已较发达，但船只触礁和撞滩等海难事故频繁发生。为避免海难事故，采用灯塔进行导航。当时英国建造灯塔的材料有两种：木材和“罗马砂浆”。然而，木材易燃，遇海水易腐烂；“罗马砂浆”虽然有一定耐水性能，但尚经不住海水的腐蚀和冲刷。由于材料在海水中不耐久，所以灯塔经常损坏，船只无法安全航行，迅速发展的航运业遇到重大障碍。为解决航运安全问题，寻找抗海水侵蚀材料和建造耐久的灯塔成为18 世纪50年代英国经济发展中的当务之急。被尊称为英国土木之父的工程师史密顿(J.Smeaton)应聘承担建设灯塔的任务。1756 年，史密顿在建造灯塔的过程中，研究了“石灰-火山灰-砂子”三组分砂浆中不同石灰石对砂浆性能的影响，发现含有黏土的石灰石，经煅烧和细磨处理后，加水制成的砂浆能慢慢硬化，在海水中的强度较“罗马砂浆”高很多，能耐海水的冲刷。史密顿使用新发现的砂浆建造了举世闻名的普利茅斯港的漩岩(Eddystone)大灯塔。用含黏土、石灰石制成的石灰被成为水硬性石灰。史密顿的这一发现是水泥发明过程中知识积累的一大飞跃，不仅对英国航海业做出了贡献，也对阿斯谱丁的“波特兰水泥”的发明起到了重要作用。在水泥萌发过程里，建筑设计极大的催发了建筑材料的变革出新，最终新型的建筑材料水泥诞生，它作为建筑的骨骼和血肉承载了无数设计大师的灵魂。建筑设计和建筑材料，两者相辅相成，共同有机发展。

现代社会，以塑料为代表的有机高分子材料迅猛发展，用于建筑装饰、防水、保温隔热、耐火、阻燃、绝缘、管线、环保节能等。新型建筑材料有塑料、铝合金、不锈钢、高性能混凝土、新型墙体材料、装饰材料、节能材料等。新型的建筑材料孵育出更加丰富、更有想象力的建筑设计。

3 建筑设计和建筑材料的地域特点

建筑设计和建筑材料具有地域性。不同地域的气候条件千差万别，导致建筑设计对于建筑材料的要求不同。使得各地的一些建筑材料的参数有所差异，各地所需求的材料种类也不近相同，如中国南方比较潮湿，需要考虑防潮的材料、隔热的材料；而中国北方比较干燥寒冷，需要着重考虑抗冻材料、保温材料。

以保温材料为例，夏热冬冷地区的主流是保温板，而夏热冬暖地区宜选保温砂浆。

外墙保温起源于上世纪40 年代的瑞典和德国，按所使用的保温材料可分为聚苯板、矿棉保温板、胶粉聚苯颗粒保温浆料等三类，其中最常用的是聚苯板外墙外保温系统。由于外保温系统的保温层置于建筑物围护结构外侧，可有效缓冲结构的温度/应力，而且提高建筑物的节能性能。夏季，高热阻的外保温层降低墙体对太阳辐射能量的蓄积，有效延迟室外热流进入墙体；冬季，高热阻的保温层增加了外墙整体的传热阻，减少室内热量向室外传递。所以，近年来外保温系统在我国北京、天津、黑龙江、辽宁等严寒、寒冷省市，上海、江苏、浙江、湖北、四川等夏热冬暖地区省市相继得到了广泛的应用，成为国家目前大力推广的一种墙体节能技术。广东这类夏热冬暖地区的建筑节能工作起步较晚，自然许多技术沿用北方的技术。外保温技术也在近几年被引进广东，并在一些工程中被设计应用。但实际上，好几个设计的工程最后都因为造价、施工工艺等原因而放弃了外保温，导致建筑节能工程的实施不合格，不仅被通报批评，而且严重影响了工期。其实，在北方适用的外保温技术，在夏热冬暖地区未必适用，主要原因如下：1)外保温系统的优点不突出。外保温系统在北方应用的一个显著的特点是有效减轻内保温很难克服的“热桥”问题，防止因“热桥”而产生结露现象，同时又可消除“热桥”造成的附加热损失。北方冬天的结露主要是室内产湿，水汽从室内向室外迁移引起的；但夏热冬暖地区，夏季的水汽是从室外向室内迁移引起的，而且温差很小，所以可以不用考虑“热桥”的结露问题，也不必太在意“热桥”的附加传热问题；2)不经济。在北方，为了达到节能标准，外保温系统一般采用10cm 厚的聚苯板；但在夏热冬暖地区，3cm 厚的聚苯板已可满足标准，大幅度增加聚苯板厚度并不会再显著提高建筑整体的节能性能，所以在实际应用中本地区仅采用3 厘米厚聚苯板。而为了这3cm 聚苯板，需要采用与10cm 厚保温完全相同的构造；3)容易出现质量问题。广东(夏热冬暖地区)的气候特点是炎热、潮湿、阴雨天多。由于外保温系统构造复杂，现场施工工序多，施工时对场地环境又有比较严格的要求，一般雨天或潮湿天气不适合进行外保温的施工，否则容易出现空鼓、虚贴等问题。另外，由于雨水较潮湿，一旦外保温系统由于交接处或窗台、女儿墙等部位裂缝，或者出现施工裂缝，水汽容易渗透到保温层中，并随外界温度膨胀和收缩，轻则影响美观，重则渗水、脱落；4)有安全隐患。广东(夏热冬暖地区)的建筑外墙很少用薄抹灰涂料饰面，一般都粘贴饰面砖。虽然外保温系统应用前一般都要通过耐候性、系统抗拉强度和抗冲击性等试验的验证，但目前国家只出台了聚苯板薄抹灰和胶粉聚苯颗粒保温浆料薄抹灰两种外墙外保温系统的行业标准，粘贴饰面砖的外保温系统缺乏可依据的标准。尤其是在高层建筑中，应用外保温系统更无完善的应用依据，其可靠性和耐久性没有充分的保障。除了以上问题之外，聚苯板外保温系统还有防火问题和使用年限问题。综合这些原因，广东(夏热冬暖地区)使用外保温技术时应慎重，不要轻易采用。

除外保温外，墙体的保温方式还有墙体自保温和内保温。对于保温要求不高的夏热冬暖地区，自保温是值得重点发展的保温方式。一般的18cm 厚外墙，只要对其热工性能进行一定的改进，完全可以满足标准的要求。对混凝土墙面积较多的建筑物或实施更高节能标准的建筑物，虽然其他地区的许多专家认为外墙内保温不可用，但考虑到夏热冬暖地区的具体情况，可以考虑采用内保温，保温材料建议采用无机的保温砂浆。当然，外墙内保温很容易在装修时被破坏，住户在二次装修施工中应妥善处理。另外，由于夏热冬暖地区的外墙节能关键在于减少太阳辐射引起的向室内传热，墙体节能性能不仅与墙体的保温性能有关，还与外墙面的颜色、墙体的通风层等有关，所以可采用遮阳、通风和浅色外饰面等隔热措施来实现墙体节能性能的提高。

以外墙饰面材料为例，夏热冬冷地区的主流是防水涂料，平涂、弹涂、质感涂料、真石漆、岩彩等；而夏热冬暖地区更宜选用瓷砖贴面。因为瓷砖很适合夏热冬暖地区的潮湿气候，可以防止外墙发霉、生苔，同时便于清理。而夏热冬冷地区需要考虑冬季冻融的问题，当饰面材料和瓷砖吸水率控制不佳时，极易因冻融而脱落。

以地下车库的入口坡道为例，对于开敞和半开敞式的地下车库入口坡道，夏热冬冷地区常采用礓碴、马牙碴做法，或者有明显的止滑钢带；夏热冬暖地区则可以选用聚氨酯抛砂止滑地坪。因为聚氨酯抛砂止滑地坪有美观、静音的优点，同时也有缺陷，其被冰雪覆盖时难以清理，在坡度较大时极易导致交通事故。

4 结语

为了适应建筑工程现代化的发展趋势，为了满足人们日益增长的建筑需求，建筑设计和建筑材料的发展需要有机结合，共同进步。建筑材料是建筑工程的基础，是建筑工程的骨骼和血肉。建筑设计是建筑工程的灵魂。建筑材料根据不同的设计功能分类有其独特性，不同地域的建筑工程所需建筑材料也有所区别，在选材时要有赖于建筑设计，因地制宜。建筑设计与建筑材料相辅相成，互为裨益，互相促进，共同发展。