生态建筑与材料技术

4.5　生态建筑与材料技术

建筑活动是人类作用于自然生态环境最重要的生产活动之一，也是消耗自然资源最大的生产活动之一。据统计，全球资源的50%是用于建筑的建造和使用过程的。

建筑对环境所产生的干扰，主要包括能源消耗、有毒气体排放和废弃物的产生等，这些负面的影响更多的都与构筑建筑物的实体——建筑材料有着直接或间接的关系，研究人类生存和发展所必需的材料及其工程技术与自然环境间的关系已经引起关注和重视，人们开始探索发展既有良好性能与功能、又对资源和能源消耗较低、并且与环境协调较好的材料，即生态建筑材料。

4.5.1　生态建筑材料概念

人们把那些无污染、低污染、可再生的建筑材料称为绿色建筑材料。虽然对生态建筑材料还没有一个科学、权威的定义，但其概念更为广泛，主要特征首先应该是节约资源和能源;其次是减少环境污染，避免温室效应与臭氧层的破坏;第三是容易回收和循环利用。

这类建筑材料环境协调性好，既具有优异的性能，又有益于人体健康。其主要特点:①具有优异的使用性能，资源效能高;②生产时少用或不用天然资源，大量使用废弃物作为再生能源;③使用过程中有益于人体健康，有益于生态环境改善并与环境相协调;④采用清洁的生产技术，废气、废水、废渣的排放量相对较少;⑤废弃后可以作为再生资源或能源加以利用，或能净化处理。

对于建筑师来说，在设计生态建筑时应选择恰当的建筑材料，来增加建筑节能效果，直接或间接地减少对环境的污染;使用地方建筑材料，减少经济消耗，提高建筑的地域文化品位;利用废弃的建筑材料，进一步节约资源，减少消耗。

4.5.2　生态建筑材料分类

自20世纪60年代开始，很多建筑师就开始使用生态建筑材料，尤其是欧美的一些发达国家，并且在生态建筑材料的研制方面取得了显著的成效。生态建筑材料主要包括天然材料、循环再生材料、低环境负荷材料、环境功能材料、多功能复合材料等。

1)天然材料

天然材料包括天然矿物、木材、剑麻等。木材这种有悠久历史的天然材料，再次显示出其生命力。近年来，在发达国家重新得到发展和应用。特别是经过特殊处理的胶合木，在保持了木材传统美观和设计强度的同时，还具有超强的耐火性、绝缘性、尺寸稳定性，可制作大跨度建筑物，成为一种很有前途且利于环保的新型建筑材料。

2)循环再生材料

循环再生材料是指可多次重复使用，废弃物可以作为可再生资源，即材料本身可循环再生的材料。它的使用具体表现在建筑配件(如门、窗等)和建筑结构材料(墙体、楼板、钢构件等)的使用上。

建筑材料的循环利用是针对那些无法再利用的材料，这些材料经过特殊的加工处理，可以用来生产新的建筑材料，进行循环利用。这样不但能够节约能源，还可以减少建筑废弃垃圾，减少对自然系统的破坏。现在使用的建筑材料的耐久性与以前相比，有了很大的提高，循环使用上不会有安全上的隐患。如旧建筑物改造，其实就属于建筑材料的循环使用，一方面会保护历史的延续性，另一方面又可以节约大量能源消耗。2004年在上海建成的生态示范楼中使用了一种叫“再生骨料混凝土”的材料，即把废矿建筑垃圾制成骨料，其再生混凝土新料用量只有普通混凝土的1/3，而强度却没有降低。

3)低环境负荷材料

低环境负荷材料是指在生命周期的整个过程中具有低的环境负荷，即对环境的负面影响相对最小的材料。

传统的建筑材料在生产过程中要消耗大量的能源、资源，环境负荷非常严重。减少环境负荷和利用工业废弃物，生产高性能的建筑材料是生态建筑材料的一个重要方面，具有代表性的新材料有节能、节约资源的环保性水泥，低水泥耗量的高性能绿色混凝土以及利用工业废弃物生产的高性能建筑材料等。其优点在于:以废弃物为原料，降低烧成温度，节约能源，同时减少CO₂、SO₂、烟尘等有害物质的排放量。

4)环境功能材料

环境功能材料在使用过程中具有净化、治理、修复环境，不形成二次污染，易于回收和再生等特点和功能。

在研究开发无害建筑材料的同时，人们希望进一步发展有益于身体健康和净化环境的生态建筑材料。目前这类材料有:光催化分解氮类氧化物;除臭、杀菌的生态建筑材料;抗菌、防霉的建筑卫生陶瓷和涂料;具有红外线保健功能的内墙涂料;可调节湿度的建筑内墙板;等等。

5)可再生资源的复合材料

可再生资源的复合材料是指玻璃材料、太阳能光电材料、特殊保温材料等。

4.5.3　玻璃材料

玻璃材料的保温技术是生态建筑节能的关键之一。玻璃保温技术经历了几个发展阶段。第一代的热反射中空玻璃由能够吸收或反射太阳热量的热反射玻璃(即镀膜玻璃)与普通玻璃复合而成，第二代的低辐射中空玻璃则应用了低辐射玻璃(Low-Emissivity Glass)对太阳光的高透过率和对长波辐射的高反射率来实现在寒冷地区的保暖作用。第三代低辐射－热反射中空玻璃，是将前两代产品复合而成的、同时具有双重保温性能的玻璃，目前在生态建筑设计中被广泛使用。随着科学技术的发展，建筑师可以将它们组合成各种复合的构造形式，来达到生态建筑的保温和采光要求。

1)安全玻璃

钢化玻璃、夹层玻璃、钛化玻璃等安全玻璃，能有效消除因玻璃炸裂、脱落而伤人等不安全因素。

(1)钢化玻璃的强度是普通玻璃强度的4～5倍，抗冲击强度也很高，能有效地抵抗风荷载和外来物的冲击作用，即使破碎，其碎片面积小、碎片呈蜂窝状，没有尖锐棱角，不易伤人，其热稳定也较好，在受剧冷、剧热作用时，不易发生炸裂;钢化玻璃还耐热冲击，最大安全工作温度为288℃，能承受204℃的温差变化。

(2)夹层玻璃是在两片或多片玻璃原片之间，用PVB树脂胶片，经过加热、加压黏合而成的平面或曲面的复合玻璃制品。其抗冲击性要比一般的玻璃高好几倍，由于存在塑性的有机中间层材料，它在发生破碎时能保持为一整体而被固定在框架上，不会发生脱落现象。

(3)钛化玻璃是将钛金箔膜紧贴在任意一种玻璃基材之上，使之结合成一体的新型玻璃，它具有高抗碎能力、抗冲击力、抗贯穿力，不破裂成碎片、无碎屑，同时具有防高温、防紫外线等性能。

(4)泡沫玻璃是一种整体充满微孔的玻璃材料，其气孔占总体积的80%～90%，是一种性能优良的隔热、隔音材料。与其他无机隔热材料相比，具有强度高、导热系数小、不燃、不吸水、不蚀损、不腐烂、可锯、可钉、可黏结加工成各种所需形状等优点，被广泛用作建筑物屋面、围护结构和地面隔热材料，尤其适用于保温的承重隔墙及必须承受重载和湿度的地面。

2)镀膜玻璃(热反射玻璃)

不同颜色的镀膜玻璃对可见光的透射率可在20%～65%的范围内变化，可以保证室内采光柔和，避免眩光，改善室内环境。它还具有良好的隔热性能，对太阳辐射热有较高的反射能力，其反射率可高达30%，而普通玻璃对太阳辐射热的反射只有7%～8%，因此使用镀膜玻璃能有效地屏蔽进入室内的太阳辐射能，在温、热带地区的建筑上使用能降低室内温度，减少空调能耗。

镀膜玻璃中的新产品——低辐射镀膜玻璃(Low-E玻璃)，具有较高的透过率，可以使70%以上的太阳可见光和近红外光透过，有利于自然采光，节省照明费用。这种玻璃的镀膜具有很低的热辐射性，来自室内物体的热辐射很难通过这种玻璃辐射出去，因而具有良好的保温效果。同时，Low-E玻璃还具有较强的阻止紫外线透射的性能，可以有效地防止室内陈设物品、家具等受到紫外线照射产生老化、褪色等现象。

3)吸热中空玻璃(或热反射中空玻璃)

吸热玻璃或热反射中空玻璃以吸收或反射的方式遮蔽太阳辐射热，但其传热系数却很高，将这种玻璃与普通玻璃组合，中间层封入特种气体，做成吸热中空玻璃或热反射中空玻璃。由于两层玻璃之间空气间层的保温作用，其传热系数可大大降低，因而具有良好的保温性能。加拿大的节能住宅中(如图4.59所示)，采用了四层玻璃窗，该窗由两层聚酶膜热反射镜组成，内侧的窗玻璃以低挥发性涂层覆盖，它还装有间隔条，窗层之间充以惰性气体(氪80%，氩20%)，这种窗的保温隔热性能可与一些传统建筑的墙壁相比。

图4.59　加拿大的节能住宅内景

(1)低辐射中空玻璃可由低辐射玻璃与普通玻璃复合而成，由于低辐射中空玻璃对于太阳光的高透过率和对于长波辐射热的高反射率，使其具有极好的保暖性能，特别适用于以采暖为主的寒冷地区。

(2)低辐射－热反射中空玻璃是将热反射玻璃放置在外侧，低辐射玻璃放置内侧，中间充以特种气体复合构成的，它既能极好地遮蔽太阳辐射热，又有极低的传热系数，是一种理想的组合。

4)硅气凝胶特种玻璃

硅气凝胶是一种聚合物，外观如同有机玻璃，轻质透明而坚硬，是一种效能很高的保温隔热材料，其保温性能比同样厚度的普通泡沫塑料高四倍，在未来的玻璃产品中掺入硅气凝胶，可使门窗的保温性能大幅度提高。

5)自洁净玻璃

自洁净玻璃是通过在玻璃表面镀制TiO₂的光催化复合薄膜，该复合簿膜是由TiO₂基的纳米复合微粒和纳米级微孔构成。在阳光的作用下，光催化剂以其特有的强氧化能力，可将其表面的几乎所有有机物完全氧化为H₂O及相应的无害无机物，而且对环境不造成二次污染;同时由于其表面特有的纳米结构、复合添加剂的吸水性和TiO₂本身的光致亲水性和亲油性的共同作用下使玻璃表面具有超亲水性，使其变得易滑洗、防雾和不易被再污染而保持洁净透明，同时具有消毒、杀菌、消除异味、清新空气等功能。

6)自动调光玻璃

自动调光玻璃有两种，一种是电致色调光玻璃，另一种是液晶调光玻璃。电致色调光玻璃可以通过改变玻璃内的电流方向自由地调节光的透过率;液晶调光玻璃通过改变液晶分子轴的排布方向，可在散射入射光的同时得到透明的视野。

纳米技术和纳米材料的推广应用，给传统的玻璃材料带来了一场深层次的技术革命。如在玻璃材料中加入某些材料的纳米离子后，玻璃的韧性变好，强度提高，又不影响透光性，还用来屏蔽紫外线和短波辐射，可用来替代传统的钢化玻璃和某些镀膜玻璃。

4.5.4　太阳能光电材料

在建筑中利用太阳能电池发电为建筑提供能源，既无污染，又无噪声，并由可再生能源提供燃料，它的初始原型是1908年由美国发明家弗兰克·舒曼(Frank Schuman)发明的，目前广泛应用于航天和电子装备上。但由于价格和效率的制约，在建筑中一直不能得到推广。太阳能发电目前仅在一些试验性的生态建筑中使用。

随着技术的日新月异，太阳能电池可与建筑材料和构件融为一体，形成一种崭新的建筑材料——太阳能光电材料，成为建筑材料整体的一部分。所谓太阳能光电材料简单来说，就是将太阳能电池与建筑材料复合而成的新型建材。如太阳能光电屋顶、太阳能电力墙(Powerwall)以及太阳光电玻璃。这三种材料有很多优点:它们可以获取更多的阳光，产生更多的能量，还不会影响建筑的美观，同时集多种功能于一身，如装饰、保温、发电、采光等，是未来生态建筑的生命型材料。

1)太阳能光电屋顶

太阳能光电屋顶是由太阳能瓦板、空气间隔层、屋顶保温层、结构层构成的复合屋顶。太阳能光电屋顶是太阳能光电池与屋顶瓦板相结合形成的一体化产品，它由安全玻璃或不锈钢薄板做基层，并用有机聚合物将太阳能电池包起来。这种瓦既能防水，又能抵御撞击。在建筑向阳的屋面上装上太阳能光电瓦板，既可得到电能，同时也可得到热能，但为了防止屋顶过热，在光电板下留有空气间隔层，并设热回收装置，以产生热水和供暖(如图4.60所示)。美国和日本的许多示范型太阳能住宅的屋顶上都装有太阳能光电瓦板，所产生的电力不仅可以满足住宅自身的需要，而且将多余的电力送入电网。

图4.60　太阳能光电屋顶

2)太阳能电力墙

太阳能电力墙是将太阳能光电池与建筑材料相结合，组成一种可用来发电的外墙贴面，既有装饰作用，又可为建筑提供电力能源，其成本与花岗石一类的贴面材料相当。坐落于瑞士斯特科波斯的一座42米高的钟塔两侧墙面便是由太阳能电力墙构成，它发出的电力足以支持巨大的时钟昼夜不停地运转。

3)太阳能光电玻璃

光电玻璃即用特殊的树脂将太阳能电池粘贴在玻璃上，镶嵌于两片玻璃之间。通过电池可将光能转化为电能，除发电这项主要功能外，光电玻璃还具有明显的隔热、隔音等功能。在建筑中，当今最先进的太阳能技术就是创造透明的太阳能光电池，用以取代窗户和天窗上的玻璃。随着现代科技不断发展，太阳能发电系统将在技术上取得突破，从而大大提高太阳能的发电效率。太阳能发电系统将拥有无限广阔的前景，将成为未来生态建筑不可缺少的一部分。

太阳能光电屋顶、太阳能电力墙和太阳能光电玻璃是目前已经在日本、德国和瑞士等国家得到应用的主要太阳能光电材料。它们不仅能吸收太阳热能，还能将其转换为电能，支持住宅内部用电，有些甚至还能将多余电力输入电网。随着太阳能技术不断取得进步，太阳能发电效率进一步提高，太阳能光电材料的前景一片光明。

4.5.5　特殊保温材料

1)TIM材料

20世纪90年代国际上已采用一种透明绝热材料(Transparent Insulated Material，简称TIM)。它是一种透明的绝热塑料，通常将其与外墙复合成为透明隔热墙(Transparent InsulatedWall，简称TIW)，减少因对流造成的热量损失，具有效率很高的保温隔热作用。TIW由保护玻璃、遮阳卷帘、TIM层、空气间层、吸热面层和结构墙体组成(如图4.61(a)所示)。TIW层做成透明蜂窝状，圆形的蜂窝状可最大限度地节约材料，蜂窝两侧粘有透明隔片，使蜂窝成密闭的透明孔，吸热面层不仅可以得到太阳辐射热，还可以得到TIM的反射能。在冬季，由聚碳酸酯(Polycarbonate)做成的透明绝热材料不仅能最大程度地吸收太阳热量，还能阻止室内热量的散失。在夏季，透明隔热墙中20毫米厚的空洞又可促进空气流通，配合TIM的反射性能，使房间中温度适宜，真正做到冬暖夏凉(如图4.61(b)所示)。据统计，使用TIM材料的建筑每年可以节约能耗200千瓦时/米²。

图4.61(a)　TIW的一般构造

2)屋面保温材料

屋面保温材料与墙体保温材料有很大的通用性。利用普通技术的屋面保温主要采用玻璃棉、岩棉、矿棉、发泡聚苯乙烯等保温材料。平屋顶一般采用外保温做法，将保温层设在屋面防水层之上;坡屋顶则可采用在阁楼内铺设保温材料的做法。

利用新技术的屋面保温可以采用自控光热屋面板与结构层复合而成的自控光热屋顶。自控光热屋面板是一种轻型的高热阻透明复合构件，主要由低发射率的透明隔热层、透明隔片、可变光栅板(板内充有可变透明度胶体)、充水贮热层以及密封构造与饰面等构成，它可以根据室内对太阳光、热的需求调节太阳辐射透入量。

图4.61(b)　TIW的保温隔热原理

从上述可以看出，生态建筑材料的发展趋势为多功能、复合化，传统建材与环境功能建材一体化。单一建材的特性和功能很难满足生态建筑对建材的综合性能要求，发展生态建筑材料是发展的根本途径。

生态建筑是在人与自然关系危机日益尖锐的背景下产生的，是近年来建筑界对可持续发展的回应，因而很快得到了全球广泛的响应和认同。目前，人类对生态建筑的设计方法仍在不断研究和探索。生态建筑涉及的面很广，是多学科、多门类、多工种交叉，是一门综合性的系统工程，它需要全社会的重视和参与，绝不是仅靠几位建筑师就可以实现的，更不是一朝一夕就能够完成的，但它代表了21世纪的方向，是建筑师应该为之奋斗的目标。