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第50章 新材料技术(6)

贝聿铭设计的另一座倒金字塔式建筑是美国达拉斯市市政厅,该建筑正面宽170米,高61米,向前倾斜角度达到34°,由最高一层布置的一组高强度钢缆索拉牢向外倾斜的梁和柱框架。倒金字塔形可以为正面的门窗遮阴,在夏季酷热的南方城市达拉斯,具有节约能源的效果。现代化的大城市发展迅速,土地价格日趋昂贵,倒金字塔式建筑是这种背景下人类智慧的结晶。建筑倒金字塔式建筑,可以更加科学地使用土地,体现了时代的精神。

你了解盒子建筑吗

一个时期以来,建筑速度成为建筑业追求的主要目标,尤其是战后重建或自然灾害后的重建,更刺激了建筑业向高效建筑发展。第二次世界大战后,许多为战争毁坏的城市亟须重建,大大刺激了建筑业的工业化进程。

1947年法国建筑设计师勒·柯布西埃就开始设想在建筑工厂中预先生产出一批同规格的房间,然后统一运至建筑工地组装、堆叠。这就是现代盒子建筑的最初概念。其实预制部分建筑材料,早在古代罗马和中国古代建筑中就已经被掌握运用,当时用手工制作的“标准化”大理石部件和木结构构架已得到广泛的采用。17世纪开始出现预制木框架板墙的整座建筑。建筑师们就早希望,建筑房屋如果能像制造其他产品一样,直接在工厂里又快又方便地大量生产。

他们是这样设想的:可以先把组成房屋的“零件”,如柱子、梁、楼板、门窗等的尺寸和形式统一,并预先把“零件”加工生产出来。在建筑房屋时,可以像搭积木一样,把这些“零件”组装成房子。

这些预先加工生产的零件称为“预制件”。预制件使建筑的速度提高很多。如果把某些预制件尺寸放大,如楼板由十几块合并成一大块,墙壁也可做成完整的一块墙板。建筑房屋时,可先把钢或钢筋混凝土框架筑好,再把墙板、楼板吊装固定上去,这样一座建筑很快就能造好。

这种建筑称为“装配式盒子建筑”。1967年加拿大建筑师赛弗第等设计的一栋盒子住房在蒙特利尔国际博览会上引起了轰动,吸引了众多的参观者。这栋住宅共有15个房型,158套住房,每套住房都由2~3只盒子组成。数百只盒子相互堆叠,最后合成12层高的一栋住宅。其设计之精巧,令所有参观者叹为观止。

更为精巧的是,这栋建筑的所有住房都是用354种零件组合而成。这些零件可相互搭配,最后吊装叠合。而这些零件本身也在施工现场制作。建筑师进而想到了,把整个房间作为一个预制件来处理,在工厂里就制作完成,然后只要运到工地上吊装叠加起来,这就是“整体式盒子建筑”。不仅房间的“外壳”可以预先做好,连内部的装潢和设备管线都可以事先安排好。这样的建筑物可以在工厂里大批量地生产,使建筑实现工业化。

这是真正勒·柯布西埃式的设想,1972年建成的日本东京“中银舱体楼”,就是由140个规格一致的“舱体”组成的。舱体单元是受宇宙空间舱启发而来的,它们像平放的饼干箱,金属的外壳内有电冰箱似的隔热保温层,卫生间、厨房设施也布置得十分紧凑合理。盒子建筑的最大优点就是建筑速度快,但它的缺点也很明显,那就是形式比较单调。从建筑的趋势看,目前人们更喜欢形式精致、外形别致、功能齐全的个性化住宅。盒子建筑的未来发展,还应往这个方向努力。

塑料也能造房屋吗

多少年来,人们居住的房屋,大多是用木料、土坯或石料建造起来的。在现代建筑中,取代传统建筑材料的是坚硬沉重的钢筋水泥结构,是目前房屋建造的主要材料。可是,科技的发展同时在创造着神话,如今轻巧的塑料也能用来造房子!

最近,美国的一家塑料制品公司,为了向人们展示塑料的多功能和塑料产品的多用途,用了20吨塑料材料,建造了一座塑料房屋。这座房屋的屋顶,是由塑料树脂和玻璃纤维合成的盖板,它不但重量很轻,而且拼接安装十分简单,还具有极好的防火性能。

屋子的墙面材料,是由聚氯乙烯塑料压制而成的墙板,外面涂上了一层高性能树脂,以耐受风吹雨淋。这种墙面不但色彩多样,十分美观,还富有弹性,具有极大的强度和承受重压的能力,并且更换方便。

房子里用塑料制造的各种建筑材料,更是琳琅满目。室内的墙板,是由塑料树脂和木质纤维化合制成的一种波纹板。波纹板的外面覆有一层漂亮的泡沫塑料,它具有很好的绝热和隔音效果,并能加强墙体的牢固程度。这种内墙材料不必再涂刷涂料,当然也不用再粘贴壁纸了。地板材料选择了硬质的塑料,既具有木质地板的弹性,又绝不会出现裂缝或凹凸,平整耐磨,用水擦洗也不会有腐烂。

室内设施也选择了多种性能不同的塑料。如各种管线采用了聚丁烯管道,它的特点是柔韧性极好,可以方便地自由安置,还不会有普通自来水管锈蚀、渗漏的烦恼。厨房里的装置全部采用了具有防火特性的塑料,而卫生间的浴具,则由塑料通过吹模法一次成型,轻巧牢固,而且成本比目前的玻璃钢材料低得多。

用塑料来建造房屋的形式虽然尚未普及,但新型塑料所具有的各种特性,使建筑师们在考虑房屋建造的方式时,多了一种选择。其多功能、低成本的特性,对于建筑临时性建筑或装饰性强且低成本的建筑,是十分有利的。

合成纸屋是一种既经济又方便的建筑吗

中国人常说,“纸褙的”,意即不牢固。纸张大多又薄又软,不近水火。这样的材料如何造得了房屋呢?

其实,用来建筑房屋的纸,并非平时用做书写、印刷和包装的普通纸张,而是一大类新颖的合成纸。合成纸的原料并不是天然纤维,而是以合成树脂为原料,因而在强度、柔韧性、耐水性、耐折性、耐光性、耐高温性及耐腐蚀性等方面,都比普通纸强。从本质上来说,合成纸实际上是一种具有纸张形式和功能(如书写、印刷)的薄膜。

20世纪70年代以后,国外出现了用纸造的房屋。这种纸屋的板壁,是经过特殊处理的波纹状或夹层式纸板,厚度约为5厘米。纸板外涂有合成树脂和玻璃纤维,使其强度大大超过了同样厚度的木板,而且能耐受高温、虫蛀和水浸。

科学家还在空心的纸夹板外涂上聚氨酯涂层,用它做的墙壁,保温隔热性比砖墙还好;合成纸中加入芳香族聚酰胺,不但比重轻,而且绝缘性极好,熔点也高达400℃以上;纸板用料中加入硫以后,既能增加强度,也提高了防水性能;用乙烯材料、普通纸、铝箔制成的多层复合型合成纸,具有出色的保温性,用它做房屋的墙壁,能节约20%的空调能耗。

美国一家造纸公司建造的一间“纸屋”,有效使用面积为61米×62米,整个纸屋重量仅为204千克。安装时,不需使用钉、铆、焊、栓,只需用胶粘剂粘接就能解决问题了,三人仅花了5个小时就安装完毕;拆卸后,纸板可被装在两个大纸盒里,搬迁十分方便。

一种用聚氨酯做夹心的合成纸房屋,其外壳结构预先折叠成型,造屋过程十分简单,只要把纸房拉开就行了,当然,搬迁时也只要把它推紧缩拢,就可以装车运走。据测算,合成纸屋的使用寿命可长达10年以上。它建筑方便,成本低廉,非常适合林场、牧区、旅行或野外工作者居住,也适合作临时仓库、售货亭之用,当遇到自然灾害如水灾、地震时,还能用纸屋来解决一时的住房问题。这真是既经济又方便的建筑,作为临时性的过渡住房,它的前途大有可为。

薄壳建筑的特点是什么

许多球面曲体建筑都是薄壳建筑,它们是用钢筋混凝土建造的一种曲面壳体建筑,可以单独作为屋顶,也可以连墙壁整体都是薄壳,由于它的厚度相对于建筑的空间跨度来说是很薄的,因此被称为薄壳。一般而言,数十米跨度的薄壳结构,厚度只有4~5厘米,这个比例甚至比鸡蛋壳还薄。

薄壳结构通常用混凝土浇制而成,采用木或钢模板,可以很容易地建造各种曲面的壳体,塑造出一些十分优美的建筑造型,有的像球形,有的像波浪起伏,有的像花朵。印度新德里建筑的一座教堂,因其薄壳建筑的造型像一朵正在开放的莲花,因而被称为莲花教堂。著名的悉尼歌剧院,是用球面壳板组装而成的一种薄壳建筑,优美的造型就像一组海滩上的贝壳。目前世界上跨度最大的薄壳建筑,是法国巴黎的法国工业技术中心展览馆,它是一个三角形的建筑,每边跨度达到218米,高48米,总面积9万平方米,采用双层薄壳,壳的厚度仅601~121厘米,底部厚顶部薄,厚度只有跨度的1/2 000左右。

薄壳结构的优点有:

因为薄,比同样跨度的其他结构的重量要轻得多,因此可以节约很多材料。薄壳是曲面壳体,比同样厚度的平面板刚度要大很多,而且能把所受的压力,均匀地扩散到整个曲面上,因而荷载量大。就像很薄的蛋壳,可以承受相对体重很大的母禽,在孵化过程中不会被压破一样。

薄塔是整体连续的屋盖结构,比用小块材料砌成的拱券结构整体性要强很多,对抗地震十分有利。薄壳的模板也可以在地面上制作,待薄壳屋顶在地面上浇筑完成达到要求的强度后,再用一种称为“顶升法”的施工方法,用千斤顶将其升高到设计要求的位置上,因而可以在地面大量制造,节省建筑时间。目前,世界上的大型展览馆、歌剧院以及一部分公共建筑多采用薄壳建筑形式。

垃圾建筑是如何变废为宝的

用垃圾来建筑,真是匪夷所思,可世上却真有这样的事。当今世界,人口越来越多,自然资源日渐枯竭,而由工业和生活过程产生的垃圾却与日俱增。“变废为宝”已从一种问号变成人们的实际行动。20世纪90年代后,废品的回收利用又有了新的发展。人们用工业废物和汽车废弃零件制作高尔夫球,用回收的空罐头来生产制动OS部件和离合器杆。如今,回收的垃圾在建筑房屋中又派上了用场,这就是所谓的“垃圾建筑”。美国爱达荷州一家小型的建筑和房地产开发公司,用回收的废物建造了一套能够利用太阳能的房屋:墙壁是用回收的轮胎和铝质罐头建筑的;屋架所用的大部分钢料是从破旧的汽车和桥梁上回收来的,这样不但减少了木料的使用,而且更加坚固安全,并可避免招引白蚁;铺地面用的不是胶合板,而是锯末和碎木加上20%的聚乙烯制成的;有趣的是,废报纸成了屋顶的主要原料,还作为墙面的绝缘体,使房屋能更有效地利用能源。垃圾住房的屋外草坪下还埋了一些废弃的铜片,用以吸收地热,有利于在冬天保持建筑周围的温度。建筑师们在330平方米的地面上建筑起了这栋垃圾建筑,包括四间住房、两间浴室以及宽大的停车房,室内的设施非常齐全。这栋新式房屋引起了人们的广泛兴趣,并荣获了美国住宅营建商协会颁发的“住宅风格奖”,被正式命名为“资源保护屋”。用回收的垃圾来建筑住宅,不但积极地利用了废弃的金属、纸板和木料等,而且开创了节俭住宅风气,这对贫困的国家和地区来说,意义尤为重大。

弹性建筑可有效地防止地震吗

地震是一种严重的自然灾害,尤其是对于高楼林立的现代化城市来说,如何使建筑物具有良好的抗震性能,是现代建筑中的一个难题。近年来,国外建筑科学家采用了一系列高新科技成果,设计出一种“弹性建筑”,其防震效果极佳,应用前景广阔。

美国加州著名的硅谷,也兴建起一座特别的电子工厂大厦。这座高大建筑物的每根柱子和承重墙体下,都安放了大量不锈钢滚珠,由这些滚珠来支撑整个大楼的重量,而纵横交错的钢梁则同地基紧固地结合在一起。当地震发生时,富有弹性的钢梁能略微伸缩,起到弹性防震作用;而整座建筑则会在密密的滚珠上,轻微而平衡地前后左右滑动,从而使地震波的破坏力大大减弱。

日本是一个多地震的国家。在日本东京,建有12座弹性防震大楼。这种新型建筑物的建筑结构不是直接建造在地面上的,而是承压在一种特别的弹性隔离体上,隔离体由分层橡胶、硬钢板和阻尼器等组成。阻尼器由螺旋体钢板组成,能较大缓冲楼体垂直方向的震动作用,就好像给大楼装上了“弹簧脚”,其减震效果达到60%~75%。在东京地区里氏66级的地震中,这些弹性建筑经受了考验,减震效果十分明显。

日本科学家又在建筑物“弹簧”的设计应用方面大动脑筋,使建筑物主体与地基分离。地震时,无论地基如何摇晃,强力弹簧都能吸收大量地震冲击力,保证建筑物的稳定。在平时,一些大型车辆行驶时给地面带来的震动,也会在建筑“弹簧”的缓冲区消失得无影无踪,弹性建筑里的居民丝毫感觉不到地面上的震动。

随着人类对地震规律、成因的认识提高,以及材料技术和其他高新技术的发展,人类的抗震手段将越来越丰富。新型的抗震建筑将会越来越多。这些建筑能有效地抵抗地震灾害,保障人们的安居乐业。

何谓抗风建筑

鳞次栉比的高楼大厦,大街上车水马龙,已成为典型的都市形象。不过,俗话说:树大招风。楼越高,风对楼体的横向推力也越大。摩天大楼高层部分受的风力比低层部分要高几倍,风的冲击力是随建筑物的高度呈几何级数增加的,如100层的高楼顶部受风的冲击力是50层大楼顶部所受风力的4倍。所以对于高层建筑来说,其抗风能力成为设计中的主要难题之一。据统计,若采用钢结构,建筑物为抵抗风力而耗用的钢材,约占整个钢材消耗量的一半。可见,在建筑上选择合理的抗风造型和结构方式有着重要的经济意义,它关系着大楼的稳固与否。抗风建筑正是从这两方面来设计的。

抗风大厦的第一个特点是抗风造型。高层建筑的造型非常丰富,通常有一字形、方柱形、圆柱形、三角形、棱形、锥形、风车形、三叶形,等等。建筑造型中抗风性能最好的是锥形,就像金字塔一样。圆锥形当然是不错,但施工比较复杂,因而多数采用角锥形,如旧金山的泛美大厦是瘦长的金字塔形,芝加哥的汉考克大厦是没有尖顶的角锥形。它的变化形式就是曾为世界最高建筑的西尔斯大厦,后者采用9个方柱体组合,愈到上面柱体愈少,最后形成两个方筒体到顶,既避免了角锥形在施工上的困难,又达到角锥形对抗风有利的目的。

圆柱体比方柱形有更好的抗风能力,它可以降低风的压力约40%,采用圆柱形的著名建筑有美国亚特兰大桃树中心广场饭店,它是世界最高的旅馆,还有上海的锦江饭店新楼等。另外,草叶形、风车形、十字形等造型,都仿照照相机三脚架撑开的方式,显然能使建筑的抗风能力大大增强。

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