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由智能建筑到生态智能建筑

admin 2002-12-27 来源:景观中国网
  跨世纪之时,有关建筑领域出现了一些新概念,如智能、生态、绿色建筑等。智能建筑已呼唤多年,但真正的智能建筑样板是什么样,我国消费者尚未能目睹及体验。本文作者从材料和技
  跨世纪之时,有关建筑领域出现了一些新概念,如智能、生态、绿色建筑等。智能建筑已呼唤多年,但真正的智能建筑样板是什么样,我国消费者尚未能目睹及体验。本文作者从材料和技术上阐述了这方面的进程,我们进行了摘编,提供给读者参阅。 ——编 者

  (一) 智能建筑和智能建材

  智能建筑是20世纪30年代以来出现的一类新型建筑。它的内容与含义随着科技的发展也不断延伸。

  随着电动恒温器的出现,人们可以自动调控室温。50、60年代,电子技术蓬勃发展,出现了能够显示室内温度、气压、湿度读数并监控所有机电设备的中央电子控制电路。

  20世纪70年代电子计算机的出现使智能建筑进入全新境界。至21世纪初,建筑的智能显著提高。这主要表现在如下两个方面:(1) 数字式通信网络。这个网络综合了话音、数据传输及电信传输,可以为建筑内每个房间提供通信(传真、电子邮件)和数据处理功能(文字处理、列表、会计、贮存、辅助设计)。(2) 自动控制系统。电脑、传感器和控制装置组成的系统可以有效控制建筑物的各项操作。例如,根据阳光强弱调整室内灯光明暗,关闭无人房间的灯光和电器,侦测并且清除室内有毒气体、浓烟、火灾和盗警时采取紧急处理措施,并通告公安、消防部门等等。

  随着材料科学的进步和人们环保意识的增强,人们认识到智能建筑不仅需要计算机控制,也需要相应功能的智能建材的配合。智能建材(有人称为机敏建材-Smart建材),它是指除作为某种建筑结构外,还具有一种或数种功能的建筑材料。例如,调节温度、湿度,是智能建筑的两个主要功能,如仅仅依靠计算机控制空调供暖、去湿,干燥设备或增加墙体厚度、重量,耗费很大;而具有呼吸功能、可自动吸收和释放热量、水气的墙体涂料和日本开发出能感应温度的玻璃(在气温上升时玻璃透明度变小、阻挡阳光照射、温度下降时恢复透光),具有皮肤功能的外墙外保温饰面板(即水气能够渗出,不能进入,如哈尔滨——美罗门哈斯公司的美哈斯板),这些具有一定智能的建筑材料可降低计算机系统复杂性、节能投资和能耗。

  又如德国播明公司生产的感光指示牌在“9·11”事件断电时依然发亮,大批围困在高楼中的游客在其指引下沿安全通道脱离险境。还有计算机系统和传统建筑材料对诸如电磁、噪音等指标的控制力不从心。美国彭萨科拉海军航空站实验室声学博士格里·托马斯等人用环氧树脂、硅凝胶、聚氨酯泡沫体、塑料、硅基、碳基橡胶等制成防低频噪音合成材料,使声音在不同粒子不同材料交汇处丧失能量,从而将声音阻绝能力提高50%至1000%。北工大开发的高导电率电磁屏蔽涂料、上海得善意大利文原格玛公司隔声板材效果很好。而使用碳纤维、钢纤维、玻璃纤维镀金属纤维,导电高聚物纤维制成的轻质屏蔽墙体也能较好防止电磁波的干扰。

  (二) 新型建材和生态建材

  顾名思义,新型建材应是有别于砖瓦沙石、水泥等“旧”建筑材料的材料。新型建材由初始的墙布、窗帘、铝合金门窗、塑料地板等迅速发展为新型墙体材料、防水材料、化学建材、金属建材等种类繁多的家族,并以可以预制、大规模生产为特征。

  进入21世纪,人们通过反思自觉认识到人与自然和谐的重要。设计理念及文化观、价值观随之重新调整。对智能建筑而言,智能不是目的,而应是通过智能使建筑更加符合利于人居、利于生态环境保护的要求;对建筑的要求也不仅是智能,而是功能、环保、节能、艺术和智能各个方面的统一。这种新的思维方式,对建筑材料提出新的要求,新型建材概念扩展为生态建材。

  生态建材概念于1988年第一届国际材料科学研究会首次提出,1992年给予明确定义,1993年国际建筑协会采纳使用可以再生、避免高蕴能量、破坏环境的可持续的建材材料细则。在全新消费概念推动下,生态建材发展突飞猛进。

  生态建材与传统建材、新型建材不同之处,在于它不是一种单纯建材品种,而是一种“环境调和材料”,除作为建筑材料的基本用途外,还在于维护人体健康,保护环境。

  智能和生态是今日社会对建筑材料的两大需求,在实际中必须配合互补,不能顾此失彼,智能建筑设计与同时具有智能、生态功能的建材的使用,会出现一种全新的生态智能建筑(暂定名)。这应该是智能建筑发展史上的一个新的阶段,也是21世纪世界建筑与建材的发展趋势。

  (三) 生态智能建筑近期目标

  生态智能建筑应是一种既保护生态环境,又使居住舒适健康的建筑,它的近期目标是:

  (1)零采暖能耗。我国学者和北新建材等企业已经探讨对外围护结构(含屋面、地板)和绝热材料的合理利用,对建筑自由热(含阳光、家用电器、人体代谢、废热水等热回收)的有效利用储存实现在采暖期平均室外温度大于等于-9℃,保持室温18℃和0.5次/时换气次数时建筑的零采暖能耗。

  (2)造就使人舒适、利于健康的居室小环境。当前中外科技人员在这方面都做了大量工作,已开发灭菌健康卫生材料、电磁波屏蔽材料、防辐射涂料、电致自然光发生材料、防雷防火材料、能吸收分解甲醛、SO2、NoX的光催化学材料等生态智能建筑。

  (3)应用废弃物或回收物代替部分或全部天然资源,或用新工艺制造,达零排放。国内开发较多者如利用粉煤灰等工业废渣,化学石膏,免烧或低温烧成技术生产砌块、墙体材料,以天然纤维(稻草麦秸)生产轻型保温墙体材料。

  (4)建筑结构及形状的改进。生态建筑,尤其轻质、绝热材料的使用,能够产生传统建材只能望洋兴叹、无法企及的建筑形式,从而提高建筑的节能和智能水准。德国埃森布PWE集团总部和杜伊斯堡商促中心大厦形如梭状透镜内充氩气,可调光线、空气的智能幕墙、比利时布鲁塞尔马蒂尼大厦可以利用光能、风能的建筑,因为采用表面双层结构,夏日遮阳、减少制冷负荷,冬季采光、预热空气并创造一种垂直日光层叠效应,可从室内抽排废气。美国奥杜本大楼、荷兰阿姆斯丹ING大厦和马来西亚一些类似建筑,电力节省更达70%~90%。而一些材料,例如拉挤玻璃纤维增强筋虽然在强度胜过钢材,耐水泥碱性侵蚀,作为增强筋材性能很好,无疑是一种新型建材,但无法回收使用,除非基本性能改变,不能作为智能生态建筑的材料。

  (四) 发展生态智能建筑的关键技术

  智能生态建筑应是21世纪建筑的方向,而光学纤维技术、纳米技术、光电转换技术应是发展智能生态建筑的关键技术之一。

  光学纤维技术

  随着计算机体积变小,运算速度和功能增强,传感器的作用亦相应增加。除承担建筑与外界的全部信息联系外,光学纤维在建筑中的传感作用日益重要。在生态智能建筑中计算机光纤系统承担对材料和建筑监测、控制、修复的作用。碳素纤维复合材料与光导纤维结合形成的结构,具有可以判断内部温度场分布情况和利用电热效应加热功能,形成所谓温敏混凝土和自适应混凝土。

  光导纤维传感器,微型电子芯片等形状记忆材料或在电压作用下能够从液体转变成固体而自动加固的电流变材料,使混凝土具有自我修补功能;其中比较成熟者是玻纤环氧树脂中埋入镍钛记忆合金、光导纤维等。它们可以检测材料中受损部位,通过电脑控制的执行系统对受损部位记忆合金加热,激发其产生相变,使结构中受力状态自动适应原有设计要求。

  光导纤维传感器、光导纤维拉格光栅传感器和光敏管结构,可以通过光强度变化测定建筑结构受载和应力变化,也可测定混凝土在固化前后强度变化。

  光导纤维位移极限信号装置可以连续可靠测定建筑沿水平方向和垂直方向的收缩膨胀及建筑整体位移状态。

  有效利用自然能源(太阳光、风能、化学能等)取得经济、没有污染的能源,是生态智能建筑关键技术之一,是众多国家研究热点,我国科技人员也取得一批成果。如南京玻纤院在院长、中国工程院院士张耀明主持下,攻克了太阳光自动跟踪、高效聚光采集、太阳光低损耗光纤传输等技术,成功研制成全自动跟踪太阳采集器,主要性能指标居国外同类产品先进水平。该技术可使人在不见阳光的房间、地下、隧道中享受日光浴,植物在多种角度阳光照射下正常生长。

  纳米材料

  纳米材料因近似大分子水平的粒径,具有极大比表面积和很高的表面活性,故化学催化和光催化能力很强。纳米建材可以获得同时憎水、憎油特性,将抗菌成分银、铜、锌等离子及其化合物结合于纳米材料,使其依靠自身能量激活周围水或空气中氧产生活性,使表面具有自清洁、防霉、防毒、抗菌、净化环境等功能,有利于环保和人体健康。

  光电转换材料,将太阳能直接转换为电能的设施

  从能量角度来看建筑可分为正能耗建筑、空能耗建筑和负能耗建筑3类。以往任何建筑都是数量多少不同的正能耗建筑。从健康角度来看,材料可以分为有害材料、无害材料、有益材料三代,以往建筑材料都是程度不等的有害、无害健康材料,光纤照明、纳米材料和太阳能瓦使得建筑历史以来第一次达到真正意义上的负能耗(产能)、建筑材料达到有益健康的目标。莱格特博士房屋发出的电力大于自身所需电力的45%(多余部分自动进入电网)。而按生态智能建筑的观念,这些能量又可进行垃圾加工分解,非饮用水重新净化或饮用水,空气中有害气体的消除分解等已经初见成效的项目。

  建筑材料一直是人类产量最大、用量最多的材料,建筑活动一直是人类基本生产活动之一。随着高新技术向建材、建筑领域渗透,建筑功能日益多样,尤其家庭居室已由单一居住功能扩展为居住、健康、美术、工作、购物、进修、娱乐等综合功能,而实现上述目标的生态智能建筑正成为21世纪建筑的主流。
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