建筑設計與建筑材料

宋曉航

（中海地產(青島)投資開發有限公司，山東 青島 266000）

建筑設計要實現堅固、適用、美觀的要求，需要有機的組織各種建筑材料來營造空間；選擇恰當的建筑材料能夠有效的延長建筑工程的使用壽命，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區別，選擇施工材料需要因地制宜，有賴于建筑設計。

1 建筑材料按設計功能分類

建筑材料按照建筑設計上的功能和用途進行分類，一般可以分為結構材料、圍護材料、功能材料三大類。

結構材料，主要指構成建筑物受力構件和結構所用的材料，如梁、板、柱、基礎、框架等構件或結構所使用的材料。其主要技術性能要求是具有強度和耐久性。常用的結構材料有混凝土、鋼材、石材等。

圍護材料，是用于建筑物圍護結構的材料，如墻體、門窗、屋面等部位使用的材料。常用的圍護材料有磚、砌塊、板材等。圍護材料不僅要求具有一定的強度和耐久性，而且更重要的是應具有良好的絕熱性，符合節能要求。

功能材料，主要是指擔負某些建筑功能的非承重用材料，如防水材料、裝飾材料、絕熱材料、吸聲材料、密封材料等。

2 建筑材料和設計的發展

原始社會，那時的建筑材料有泥、土、草、竹、木、石頭、土坯等。人們只能依靠天然洞穴或者“以樹為巢”，一切能利用的只有現成的天然材料。建筑設計嚴重受到建筑材料的限制。

古代社會，逐漸掌握了對火的使用，由最原創的土坯曬干后壘墻，慢慢發展為將土坯置于高溫燒制成耐水的黏土磚和瓦。建筑材料的提升，促進了著建筑設計的萌芽和發展，出現了城池、宮殿、廟宇、民居。(黏土磚持續發展，一直持續到21 世紀，部分地區仍在使用黏土磚，但大量燒制黏土磚，消耗了大量黏土，導致土地資源問題凸顯，黏土磚已經被新材料逐步替代，慢慢退出歷史舞臺。)

近代社會，1824 年英國人阿斯譜丁將石灰石和黏土置于石灰窯中高溫煅燒，制成水泥，主要成分是硅酸鹽。與石灰膠凝材料相比，水泥強度極高，同時水泥同于石灰屬于氣硬性材料，水泥屬于水硬性材料，在水中硬化并達到強度。

水泥與砂石和水拌和以后形成的混凝土為大規模建設房屋、道路、橋梁等基礎設計建設奠定了堅實的基礎。鋼筋屬于受拉能力強的材料，混凝土屬于受壓能力強的材料，兩者在建筑設計的組織下有機結合，成為當今建筑結構的最主要材料鋼筋混凝土。近代的建筑材料有鋼鐵、水泥、混凝土、鋼筋混凝土、平板玻璃、粘結劑、人造板材。

事實上水泥的發明有一個漸進的過程，并不是一蹴而就的，是一個建筑設計與建筑材料共同歷練和成長的過程，兩者砥礪前行，譜寫不朽史詩。水硬性石灰是現代水泥的里程碑，是現代水泥的萌芽和起點。18 世紀中葉，英國航海業已較發達，但船只觸礁和撞灘等海難事故頻繁發生。為避免海難事故，采用燈塔進行導航。當時英國建造燈塔的材料有兩種：木材和“羅馬砂漿”。然而，木材易燃，遇海水易腐爛；“羅馬砂漿”雖然有一定耐水性能，但尚經不住海水的腐蝕和沖刷。由于材料在海水中不耐久，所以燈塔經常損壞，船只無法安全航行，迅速發展的航運業遇到重大障礙。為解決航運安全問題，尋找抗海水侵蝕材料和建造耐久的燈塔成為18 世紀50年代英國經濟發展中的當務之急。被尊稱為英國土木之父的工程師史密頓(J.Smeaton)應聘承擔建設燈塔的任務。1756 年，史密頓在建造燈塔的過程中，研究了“石灰-火山灰-砂子”三組分砂漿中不同石灰石對砂漿性能的影響，發現含有黏土的石灰石，經煅燒和細磨處理后，加水制成的砂漿能慢慢硬化，在海水中的強度較“羅馬砂漿”高很多，能耐海水的沖刷。史密頓使用新發現的砂漿建造了舉世聞名的普利茅斯港的漩巖(Eddystone)大燈塔。用含黏土、石灰石制成的石灰被成為水硬性石灰。史密頓的這一發現是水泥發明過程中知識積累的一大飛躍，不僅對英國航海業做出了貢獻，也對阿斯譜丁的“波特蘭水泥”的發明起到了重要作用。在水泥萌發過程里，建筑設計極大的催發了建筑材料的變革出新，最終新型的建筑材料水泥誕生，它作為建筑的骨骼和血肉承載了無數設計大師的靈魂。建筑設計和建筑材料，兩者相輔相成，共同有機發展。

現代社會，以塑料為代表的有機高分子材料迅猛發展，用于建筑裝飾、防水、保溫隔熱、耐火、阻燃、絕緣、管線、環保節能等。新型建筑材料有塑料、鋁合金、不銹鋼、高性能混凝土、新型墻體材料、裝飾材料、節能材料等。新型的建筑材料孵育出更加豐富、更有想象力的建筑設計。

3 建筑設計和建筑材料的地域特點

建筑設計和建筑材料具有地域性。不同地域的氣候條件千差萬別，導致建筑設計對于建筑材料的要求不同。使得各地的一些建筑材料的參數有所差異，各地所需求的材料種類也不近相同，如中國南方比較潮濕，需要考慮防潮的材料、隔熱的材料；而中國北方比較干燥寒冷，需要著重考慮抗凍材料、保溫材料。

以保溫材料為例，夏熱冬冷地區的主流是保溫板，而夏熱冬暖地區宜選保溫砂漿。

外墻保溫起源于上世紀40 年代的瑞典和德國，按所使用的保溫材料可分為聚苯板、礦棉保溫板、膠粉聚苯顆粒保溫漿料等三類，其中最常用的是聚苯板外墻外保溫系統。由于外保溫系統的保溫層置于建筑物圍護結構外側，可有效緩沖結構的溫度/應力，而且提高建筑物的節能性能。夏季，高熱阻的外保溫層降低墻體對太陽輻射能量的蓄積，有效延遲室外熱流進入墻體；冬季，高熱阻的保溫層增加了外墻整體的傳熱阻，減少室內熱量向室外傳遞。所以，近年來外保溫系統在我國北京、天津、黑龍江、遼寧等嚴寒、寒冷省市，上海、江蘇、浙江、湖北、四川等夏熱冬暖地區省市相繼得到了廣泛的應用，成為國家目前大力推廣的一種墻體節能技術。廣東這類夏熱冬暖地區的建筑節能工作起步較晚，自然許多技術沿用北方的技術。外保溫技術也在近幾年被引進廣東，并在一些工程中被設計應用。但實際上，好幾個設計的工程最后都因為造價、施工工藝等原因而放棄了外保溫，導致建筑節能工程的實施不合格，不僅被通報批評，而且嚴重影響了工期。其實，在北方適用的外保溫技術，在夏熱冬暖地區未必適用，主要原因如下：1)外保溫系統的優點不突出。外保溫系統在北方應用的一個顯著的特點是有效減輕內保溫很難克服的“熱橋”問題，防止因“熱橋”而產生結露現象，同時又可消除“熱橋”造成的附加熱損失。北方冬天的結露主要是室內產濕，水汽從室內向室外遷移引起的；但夏熱冬暖地區，夏季的水汽是從室外向室內遷移引起的，而且溫差很小，所以可以不用考慮“熱橋”的結露問題，也不必太在意“熱橋”的附加傳熱問題；2)不經濟。在北方，為了達到節能標準，外保溫系統一般采用10cm 厚的聚苯板；但在夏熱冬暖地區，3cm 厚的聚苯板已可滿足標準，大幅度增加聚苯板厚度并不會再顯著提高建筑整體的節能性能，所以在實際應用中本地區僅采用3 厘米厚聚苯板。而為了這3cm 聚苯板，需要采用與10cm 厚保溫完全相同的構造；3)容易出現質量問題。廣東(夏熱冬暖地區)的氣候特點是炎熱、潮濕、陰雨天多。由于外保溫系統構造復雜，現場施工工序多，施工時對場地環境又有比較嚴格的要求，一般雨天或潮濕天氣不適合進行外保溫的施工，否則容易出現空鼓、虛貼等問題。另外，由于雨水較潮濕，一旦外保溫系統由于交接處或窗臺、女兒墻等部位裂縫，或者出現施工裂縫，水汽容易滲透到保溫層中，并隨外界溫度膨脹和收縮，輕則影響美觀，重則滲水、脫落；4)有安全隱患。廣東(夏熱冬暖地區)的建筑外墻很少用薄抹灰涂料飾面，一般都粘貼飾面磚。雖然外保溫系統應用前一般都要通過耐候性、系統抗拉強度和抗沖擊性等試驗的驗證，但目前國家只出臺了聚苯板薄抹灰和膠粉聚苯顆粒保溫漿料薄抹灰兩種外墻外保溫系統的行業標準，粘貼飾面磚的外保溫系統缺乏可依據的標準。尤其是在高層建筑中，應用外保溫系統更無完善的應用依據，其可靠性和耐久性沒有充分的保障。除了以上問題之外，聚苯板外保溫系統還有防火問題和使用年限問題。綜合這些原因，廣東(夏熱冬暖地區)使用外保溫技術時應慎重，不要輕易采用。

除外保溫外，墻體的保溫方式還有墻體自保溫和內保溫。對于保溫要求不高的夏熱冬暖地區，自保溫是值得重點發展的保溫方式。一般的18cm 厚外墻，只要對其熱工性能進行一定的改進，完全可以滿足標準的要求。對混凝土墻面積較多的建筑物或實施更高節能標準的建筑物，雖然其他地區的許多專家認為外墻內保溫不可用，但考慮到夏熱冬暖地區的具體情況，可以考慮采用內保溫，保溫材料建議采用無機的保溫砂漿。當然，外墻內保溫很容易在裝修時被破壞，住戶在二次裝修施工中應妥善處理。另外，由于夏熱冬暖地區的外墻節能關鍵在于減少太陽輻射引起的向室內傳熱，墻體節能性能不僅與墻體的保溫性能有關，還與外墻面的顏色、墻體的通風層等有關，所以可采用遮陽、通風和淺色外飾面等隔熱措施來實現墻體節能性能的提高。

以外墻飾面材料為例，夏熱冬冷地區的主流是防水涂料，平涂、彈涂、質感涂料、真石漆、巖彩等；而夏熱冬暖地區更宜選用瓷磚貼面。因為瓷磚很適合夏熱冬暖地區的潮濕氣候，可以防止外墻發霉、生苔，同時便于清理。而夏熱冬冷地區需要考慮冬季凍融的問題，當飾面材料和瓷磚吸水率控制不佳時，極易因凍融而脫落。

以地下車庫的入口坡道為例，對于開敞和半開敞式的地下車庫入口坡道，夏熱冬冷地區常采用礓碴、馬牙碴做法，或者有明顯的止滑鋼帶；夏熱冬暖地區則可以選用聚氨酯拋砂止滑地坪。因為聚氨酯拋砂止滑地坪有美觀、靜音的優點，同時也有缺陷，其被冰雪覆蓋時難以清理，在坡度較大時極易導致交通事故。

4 結語

為了適應建筑工程現代化的發展趨勢，為了滿足人們日益增長的建筑需求，建筑設計和建筑材料的發展需要有機結合，共同進步。建筑材料是建筑工程的基礎，是建筑工程的骨骼和血肉。建筑設計是建筑工程的靈魂。建筑材料根據不同的設計功能分類有其獨特性，不同地域的建筑工程所需建筑材料也有所區別，在選材時要有賴于建筑設計，因地制宜。建筑設計與建筑材料相輔相成，互為裨益，互相促進，共同發展。