論工業建筑引領的建筑材料的創新與變革

文／劉暢 中國電子系統工程第四建設有限公司 北京 100070

引言：

區別于大部分民用建筑，工業建筑常常以超大超長的建筑尺度示人，工業建筑受生產環境、成本、能耗控制、建設周期、施工便捷性、環保、安全、防腐、防爆等需求影響，對材料選擇有嚴苛的要求，因此在建筑材料的選擇層面，工業建筑的設計遠比其他建筑類型復雜得多，而也正是因為這些要求，促使工業建筑的設計師們，對適合工業建筑的新型建筑材料進行不斷地的探索和實踐，越來越多的工業建筑材料被建筑師所了解、掌握和應用，工業建筑對建筑材料科學和建筑技術科學做出了卓越的貢獻。

1、現代主義建筑興起時的工業建筑材料

19世紀末，歐美國家受工業革命的影響，逐步由手工業社會步入工業化社會。這個時期工業革命創造的新建筑結構、建筑材料和建筑技藝，為近代建筑的發展開辟了廣闊的前途。鋼鐵、混凝土和玻璃，作為現代主義建筑標志性開端的建筑材料，最早被應用于現代工業建筑的內部結構和外部表征。這些建筑材料堅固、耐久、建設速度快，具有比傳統材料更優的強度和耐久性，同時能夠創造區別于古典建筑、符合當下審美的建筑形式，同時又能與工業化生產模式和全新的建筑類型和建筑需求相契合。最具代表性的是德國“青年派”建筑師彼得·貝倫斯設計的德國通用電氣透平機車間[1]（圖1），這座現代主義的工業建筑，應用了鋼、玻璃、混凝土等新型建筑材料，立面大片玻璃和屋頂天窗所帶來的良好采光能很好地滿足工業化機器生產的照明需求，鋼材所塑造的自下而上截面逐漸放大的門式鋼架結構所創造的完整高大的室內空間，滿足了工業化生產的空間適應性和靈活性，同時鋼材的快速安裝也縮短了建筑的建設周期。混凝土內外墻體在創造優異保溫性能的同時，大大縮短了建設周期和成本。這幾種建筑材料的組合，使得整個建筑形象摒棄了傳統建筑繁雜的裝飾，形成了明顯區別于其他建筑的獨樹一幟的建筑形象，開啟了建筑設計的新篇章，它也被譽為建筑史上第一座真正意義的現代主義建筑。

圖1 德國通用電氣透平機車間

1910年左右，瓦爾特·格羅皮烏斯設計了阿爾費爾德的法古斯鞋楦廠[2]，這座工業建筑的立面采用了大面積的玻璃幕墻系統和轉角處沒有任何支撐的轉角窗，這種充分發揮玻璃這種材料性能的設計是建筑史上的一大里程碑，它是世界上第一座采用玻璃幕墻的建筑，幕墻系統所塑造的輕盈建筑形象使其成為現代主義建筑的開山之作。

由此可見，在現代主義建筑興起之時，建筑師就力爭打破傳統建筑形式、建筑材料、建筑技藝的束縛，那個時代的工業建筑就出于適應工業化生產和需求，而創造出嶄新的建筑風格、建筑材料和技藝，工業建筑引領建筑史變革的傳統也從那個時代開始，一直延續至今。

2、當代新型工業建筑材料的發展

當代社會，工業建筑的類型更加多樣化，需求更加復雜化，因此需要更多的新型建筑材料去滿足其因工藝、功能、工期、造價、節能等因素導致的新需求，同時規避因為體量大、空間高等可能出現的設計或施工問題。在這一進程中，越來越多的新材料被應用于工業建筑的設計和施工之中。這些建筑材料，在工業建筑的實踐之中被發掘、應用、成熟，進而延伸應用至其他類型的建筑實踐之中。

2.1 新型墻體材料

工業建筑受建筑體量的影響，通常外立面面積較大，受生產工藝影響，建筑層高較高。基于這兩方面考慮，采用濕作業的砌塊墻自重大，且因穩定性較差無法達到較高的砌筑高度。同時，砌塊墻需要間隔設置圈梁、門窗過梁和構造柱等結構支撐體系，且砌塊墻兩面必須要做找平抹灰處理才能實現較為平整的效果，如果進行內外飾面處理則會耗費更多的時間，這些節點構造和施工時序延長了外墻系統的施工時間，這與工業建筑緊迫的工期和盡快投產的目標相悖。因此，工業建筑的設計師們為了縮短工期，實現墻體性能更優，開啟了新型墻體材料的實踐探索。

壓型鋼板、波紋板等材料自誕生之后最早被應用于工業建筑，但是由于產品質量不穩定，現場安裝粗糙，導致其實際使用性能不理想，經常發生漏水、腐蝕等問題，為設計師所詬病。因此雙側金屬板中間復合保溫材料的金屬巖棉夾芯板被開發設計，并逐漸替換原有的金屬板+保溫的外墻系統。相較于傳統的砌體外墻系統，金屬巖棉夾芯板本身為墻體與保溫、隔熱、裝飾一體化的外圍護墻體，厚度更薄、安裝更便捷、成本更低、且無濕作業，因此其自誕生起就被廣泛應用于工業廠房的建筑立面中。金屬巖棉夾芯板的優勢有如下幾點：一是外墻系統為幕墻系統，能夠與任何高度和跨度的主體結構相匹配，材料適應性強；二是質量輕、強度高、穩定性、抗沖擊性、耐腐蝕性均較好，能夠減輕外墻自重，同時能夠承受外界惡劣的自然環境；三是保溫隔熱性能好，能夠有效降低建筑整體能耗，節約能源，創造良好的室內生產環境；四是預制裝配化程度較高，現場均為干作業，符合國家近年來逐步推行的裝配式設計和施工，施工周期可以較傳統濕作業砌筑外墻系統提高40%以上。

京東方作為全球顯示產品龍頭企業在全國擁有眾多工廠，這些園區內部的生產廠房大部分都采用玻璃幕墻和金屬巖棉夾芯板，建筑立面平整光潔，玻璃和金屬夾芯板形成強烈虛實對比，極具現代感和“國之重器”的氣勢。

另外純平板的金屬夾芯板還可以與波紋板和壓型彩鋼板的夾芯板進行組合，提高建筑的形式感和韻律感，不同質感、肌理和顏色的金屬板組合能夠有效避免單一板材所帶來的枯燥感，賦予工業建筑立面豐富的視覺層次。京東方重慶第8.5代新型半導體顯示器件廠房（圖2）即是采用金屬夾芯純平板和波紋板對比的設計手法，整個立面自下而上形成三種層次，距離地坪最近處采用4m 高的淺灰色表面橫向小波紋夾芯板，中間一段是銀灰色表面純平板夾芯板，最頂部坡屋面的側墻處采用深灰色表面豎向小波紋夾芯板[3]。三種表面肌理和色彩不同的板材賦予整個建筑豐富的視覺體驗。

圖2 京東方重慶第8.5 代新型半導體顯示器件廠房

另一種最早被應用于工業建筑外立面實踐的是ALC 板，即輕質蒸壓加氣混凝土板，采用水泥、粉煤灰、石灰、煤矸石等為主要材料，按照一定比例混合配置，并添加適當發泡劑，經過澆筑、高溫高壓蒸汽養護、切割等生產過程而形成的多氣孔混凝土墻板。這是一種性能優異的墻板材料，密度小、質量輕、強度高、抗滲透性好、耐火耐熱性及耐腐蝕性好，安裝便捷、環保經濟，特別適合有保溫隔熱和有較大變形要求的墻體。

菜鳥智能骨干網是一家網點遍布全國輻射世界的高科技物流公司，他擁有遍布全國的物流網點和園區，園區內的倉儲建筑和轉運中心大部分墻體都采用ALC 板（圖3），這正是看中了它施工方便、施工周期短的材料優勢，只有不斷縮短每個環節的周期，才能加快中國快遞業的傳輸速度。ALC外墻板通過管卡、u 型卡、型鋼和螺栓固定在結構梁板柱上。墻板的外側可以做涂料、面磚、干掛板材等飾面，滿足不同的設計要求。ALC 板外墻能夠有效減輕建筑物自重，減小結構構件尺寸，滿足建筑物所需的綜合性能要求。作為自保溫墻體，能夠提高建筑物隔熱保溫性能。隨著國家裝配式建筑的變革，最早被應用于工業建筑之中的ALC 板也逐漸被應用于民用建筑之中。

圖3 菜鳥智能骨干網某物流園區建筑ALC 外墻板

2.2 新型防水密封材料

工業建筑超大的屋面面積、復雜的標高系統、龐雜的屋面設備和管道系統對建筑的屋面防水系統提出了較大的考驗。而生產工藝和環境的要求又對屋面的防水性能提出了嚴苛的要求，任何因為屋面熱脹冷縮拉扯、設備管線安裝等可能造成的漏水點都是不被允許的。因此抗老化、耐候性好，拉伸強度高、抗變形性好的TPO 防水卷材（熱塑性聚烯烴材料）逐漸被應用于工業建筑的屋面之中。TPO 卷材不添加增塑劑和其他試劑，使得TPO 成分不會遷移造成材料性質發生變化，使用壽命長，能夠長期穩定保持防水特性；卷材內部多維的加強筋讓卷材具備更優異的拉伸性能和耐疲勞性能；TPO 卷材的顏色以白色為主，表面光滑，能夠具有較高的陽光反射率，降低建筑能耗，節能效果明顯；可焊接和可機械固定這兩種安裝模式均可適用。材料組成中沒有氯等有害成分，這樣可以使其在生產和施工過程中，降低對人員和環境的危害[4]。

工業建筑的屋頂形式主要有三種，一種是鋼筋混凝土屋面，第二種是DECK 板屋面（壓型鋼板上澆筑混凝土的復合樓承板屋面），第三種是輕鋼屋面。TPO 卷材可以適應這三種不同的屋面結構形式，對于前兩種可以統一為鋼筋混凝土結構基層，上鋪隔氣層和保溫層后，可直接采用機械固定或滿粘的方式敷設TPO 防水卷材。而第三種輕鋼屋面可直接在壓型鋼板上鋪設隔氣層、保溫層和隔離層之后，采用機械固定或滿粘的方式敷設TPO 防水卷材，這種情況下，附加的TPO 防水卷材能夠大大提高彩鋼板屋面的防水性和耐久性。由此可見，TPO 防水卷材的材料性能和構造形式，特別適合大面積的工業建筑屋面，尤其適用于鋼結構支撐的彩鋼板屋面系統，通過精確的設計構造層次，能夠達到節能、降低屋面自重、防水防露等效果。

2.3 新型裝飾裝修材料

某些高精尖產業，（如航空航天和電子產業的生產廠房和數據機房等），對室內裝修具有防靜電要求，即需要采用摩擦不易產生靜電的裝修材料，因為非防靜電的裝修材料受到摩擦所產生的靜電，再大量累積后會產生不利于產品加工精度的靜電荷，同時靜電荷易吸附灰塵，會對生產產生特別不利的影響，靜電荷如果放電，還有可能引起自動控制的生產設備、數據機房等電子設備發生故障。因此這種廠房的室內裝修除了耐磨、防水、防潮、美觀以外，還對材料的防靜電性能提出的較高的要求。

通常我們常用的防靜電地坪材料主要有防靜電自流平材料，比如防靜電環氧樹脂自流平，自流平防靜電材料受環境影響易開裂、空鼓、起皮，從而對生產環境產生影響，尤其是對潔凈度有一定需求的生產空間[5]。防靜電自流平耐磨性、耐老化性較差，使用壽命6 個月～10年不等，同時其防靜電性能會隨使用年限的延長而衰減。另一種常用防靜電材料是防靜電PVC 地板，即防靜電聚氯乙烯地板。防靜電PVC的導電性能依賴其內部炭黑串聯成的導電網絡，其導電性能受溫度變化的影響較大，溫度的波動會造成炭黑顆粒之間間隙的變化，從而影響其導電性能。隨著使用年限的增長，材料內部老化易產生裂紋，形成電路斷點，造成整體防靜電性能失效，通常防靜電PVC 的使用壽命不會超過10年。

為了尋求防靜電效果更穩定，使用壽命更長的地坪材料，山東電盾科技股份有限公司研發了一種具備防靜電功能的陶瓷磚，這種陶瓷磚經過1200℃高溫燒結而成，在空氣溫度-50℃至480℃之間，空氣濕度0～100RH 之間電阻值不變[5]。防靜電陶瓷磚的防靜電性能永久有效，并同時具有抗老化、不起塵、不變形、防火耐磨性能好等優勢，可采取防靜電鋪貼與導電粉配合使用的方式直接鋪貼于地面基層之上，也可采用高架的方式形成防靜電活動地板，板與板之間的縫隙采用專用的導靜電材料進行填縫，保證整體地坪的防靜電性能。防靜電陶瓷磚近年來逐漸被應用于航天航空、醫療制藥、精密電子、高科技產品等行業的廠房內，同時也適用于民用建筑的集控室、通訊機房等室內地坪裝修。

由以上例子可見，工業建筑在墻體材料、防水密封材料、裝飾裝修材料等材料工程領域都做出了卓越的貢獻，促進了新材料、新結構、新技藝的發明創造。除了以上舉例之外，還有諸如輕型復合板材、建筑特種塑料制品、新型混凝土制品等也被應用于工業建筑的實踐之中，據相關統計，在現代工業建筑中傳統材料所占比例已經很小，甚至會低于30%，越來越多的新型建筑材料被應用于工業建筑之中。這些新建筑材料應用于工業建筑之后，或極大地改善了生產環境和建筑性能，或創造了一批極具工業建筑視覺屬性的現代建筑。

結語：

工業建筑超大超長的建筑體量、超高的建筑層高、生產工藝內部環境的需求，勢必會推動新型建筑材料的研究和應用，而新材料的誕生也勢必會推動建筑技術科學的發展。從這一方面來講，工業建筑對建筑材料科學和建筑技術科學的推動發展具有重要的意義。

工業建筑功能的多樣性和工藝的差異性要求設計師要全面思考不同性質的工業建筑所要求的不同的建筑材料性能，材料的選擇要滿足工藝、功能、施工周期等多方面的需求，為業主創造高效、實用、適宜的生產環境，以期望為企業帶來更多的經濟效益、社會效益和環境效益，推動社會的進一步發展。