2010上海世博会建筑外层设计的材料研究

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【摘 要】2010上海世博会是城市的重要空间组成部分，世博园区在布局，建筑，公共设施，交通，服务等世博流程中的各个环节，坚持生态优先的原则，设计者在节能减排，节约资源和减少环境负荷上，采取了许多先进、有效而舒适的材料技术和材料产品，整个世博园的建设，都体现了低碳世博的理念，在建筑外层设计方面都有精心的集成和应用。本文以2010上海世博会新型建筑外层设计的材料为研究对象，希望通过此研究，对未来永久性建筑的发展以及建筑外层设计的材料选择和应用提供一定的借鉴作用。

【关键词】世博会；建筑材料；性能；应用

前言

本次世博会场馆建筑外层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，经过精心组织和安排，产生了美的建筑形式和节能低碳建筑外层。

1 材料类型

1.1 材质

（1）生物材料

这一类材料中，主要包括竹子、木材、藤条、绿化植被、麦秸砖、屋顶花园等等。这类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，往往是可回收利用、无污染的绿色材料。

（2）玻璃材料

玻璃是本次世博会应用比较广泛的一种建筑外层材料。绝大多数的展馆外墙以及门窗洞口等都有应用。除了最普通的玻璃之外，玻璃材料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，还精心设计了金属丝网和惰性气体，以起到更好的保温隔热作用。

（3）太阳能利用材料

很多场馆实现了太阳能利用技术与建筑外层设计的一体化。本次世博园展馆建筑中主要是对太阳能的主动式应用，主要方式是光伏发电技术和光热转化技术。如瑞士馆使用了11000块包含敏化太阳能电池的生物树脂悬挂在半透明的铝网结构帷幕上。这些树脂圆片与展馆周围的能量如阳光和相机的闪光发生反应，整个外墙呈现一种动态闪光的视觉效果，以此展示如何充分利用周围的能源。

（4）环保复合材料

这类材料一般具有可降解、可以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蜂窝复合墙体材料，因为其主要构成为纸，也被通俗的称为“纸砖”。经过特殊工艺的纸蜂窝材料，有防火、质轻、保温、隔音更能，并可降解。芬兰馆外层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。

（5）薄膜材料

本次世博会主要采用的膜结构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。除了PTFE膜和ETFE膜之外，还有其它一些环保可回收的薄膜材料在展馆建筑外层中得以应用。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。这种复合材料对太阳辐射能具有极高的反射作用。展览结束后建筑网膜还可以制成手提包、遮阳伞等进行重新利用。

（6）传统材料的新利用

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，大量的、颜色各异的树脂组合在一起可折射五彩斑斓的灯光，进一步加大了室内自然光照明的效果。

澳大利亚馆、卢森堡馆、智利馆都选用了耐候钢作为建筑外层材料，耐候钢在钢中加入磷、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，保护锈层下面的基体，以减缓其腐蚀速度。与普碳钢相比，耐候钢在大气中具有更优良的抗蚀性能。与不锈钢相比价格较为低廉。

水在本次世博会中也被巧妙的用于建筑外层设计。匈牙利馆外墙被垂直悬挂的无数的透明塑料水管包围，里面是流动的水，远看像是垂挂的线帘，近看能看到水流速度的不同和水管内的气泡。在美观外层的同时也能起到外墙面降温节能的作用。

（7）其它材料

除了上述几大类主要特殊材料之外，也有很多相对传统或者普通的材料在外层设计中得到了应用，主要包括塑料复合材料、金属材料、木材合成板材、瓷砖（马赛克）等等。塑料复合材料有PVC板材、塑料板、塑料片、橡胶等等。外层设计往往利用这些材料的形状易切割、色彩丰富等的特点。例如拉脱维亚馆外墙的十万个彩色塑料片。金属材料有不锈钢、铝合金板材、铝塑板、彩钢板等等，这类材料往往用于大面积的建筑外层装饰。此外还有部分场馆用传统的马赛克、瓷砖等面砖进行外层设计，如奥地利馆的红白两色马赛克，以色列馆仿石材的面砖等。

1.2 传统与新型材料

由于对节能、环保、实用、天然建筑材料的重视以及世博会场馆建筑的特殊性，传统的钢筋、水泥、混凝土、砖、瓦等建筑材料，不仅在建筑外层已经很少使用，在结构上的应用也比较少。场馆建筑较多地使用钢结构型材，少用混凝土，以便于日后拆卸和重复利用，减少建筑垃圾产生。大部分自建场馆都采用了一种或者多种新型材料，或者对传统材料进行改造和改进用于建筑外层设计。

1.3 材料类型应用比例与分析

经过现场调研以及资料分析发现，本次世博会园区建筑的外层材料类型主要存在以下几个特点：①场馆往往采用多种建筑材料综合应用以达到不同的作用和功能；②新型材料、高科技材料应用丰富；③建筑外层材料中复合材料、生物材料所占比例很大；④重视可回收材料的应用，绝大多数材料可以回收再利用。

2 材料性能与作用

2.1 展示作用

这里的展示包括空间上的建筑形体的展示，也包括对建筑文化和设计理念的展示。从材料应用角度来看，建筑外层材料的选择往往依据设计理念，有时只有选用某些特定的材料、材质才能够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。另外，从材料的颜色角度来看，很多材料本身的自然色可以更真实、自然的反应建筑原本的设计思想，与建筑形体相得益彰。

2.2 保温隔热性能

建筑外层设计的保温隔热性能主要可以通过两方面实现，一是材料本身以及材料的构造方式可以起到保温隔热的性能；二是建筑外层结构的设计方法，该方法主要采用双层空间设计，内部通常为普通的围护结构，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。利用外层结构构造起到保温隔热作用的有太阳能板、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。

2.3 采光与通风性能

建筑外层材料的采光性能主要通过三方面实现，一方面是利用了材料本身的透光性，这类材料主要为膜材。第二方面是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。第三方面是通过不透明材料的布置形式，采用孔隙式采光。

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，本次世博会场馆建筑中所应用的部分材料，同样具有良好的降噪性能。例如葡萄牙馆的外墙、内壁以及地板采用的软木来自于大自然，由软木做成的地板及墙板具有卓越的吸音、隔音和减震性能，为人们营造一个宁静祥和的空间。

2.5 能源生产功能

外层材料的能源生产功能主要由太阳能材料的发电装置提供。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250万度，大约相当于少用893吨标准煤，预计可减少二氧化碳排放量2374吨。

2.6 自洁性能

具有自洁性能的建筑外层材料以膜材料为主。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，还可以使膜免遭紫外线照射的老化作用。

3 建筑外层材料总结

3.1 材料性能的综合体现

本次世博会场馆建筑外层设计的特点就是，建筑外层不再是简单的内部与外部的分隔，而是要实现一系列功能，如通风、采光、隔热、保温、降噪、防火、安全、美学等等，并且根据建筑特定的功能要求、地域和环境特点等，可以强化或者弱化某项功能。建筑外层可以按照不同的功能等级划分为不同的功能层。绝大多数场馆建筑外层设计的材料选择，综合考虑了材料的不同功能，并对其进行了合理组合。一方面是一种材料往往兼有多种性能；另一方面是单个建筑上结合建筑设计运用多种材料以达到不同的效果和作用。

3.2 建筑外层材料的发展趋势

总结本次世博园区建筑外层材料的应用经验，可以为今后的展会型临时性场馆建筑以及新建建筑的外层材料提供借鉴，一些材料的运用方式也显示了建筑外层材料的发展趋势。

①建筑外层材料将趋于无害化，并重视节能环保；

②复合型材料得到越来越多的应用，尤其是环保复合材料；

③材料趋向于制成品或者半成品，很多材料可以进行重复利用和快速施工；

④重视可持续发展的理念，强调建筑外层的一体化、复合多功能。

参考文献

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