论工业建筑引领的建筑材料的创新与变革
刘畅
【摘要】工业建筑是一种生产工艺、内部空间、结构形式、室内装修均比较复杂的建筑类型，因此其对建筑材料的选择有着严苛的要求，这包括但不仅限于生产环境、成本控制、能耗控制、建设周期、施工便捷性、建筑美学、环保、安全、防腐、防爆等的要求，因此越来越多的工业建筑材料被掌握和应用，这些建筑材料，在工业建筑的实践之中被发掘、应用、成熟，进而延伸应用至其他类型的建筑实践之中，因此，工业建筑对建筑材料科学和建筑技术科学的推动发展具有重要意义。
【关键词】工业建筑;新型建筑材料
【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.12.023
引言：
区别于大部分民用建筑，工业建筑常常以超大超长的建筑尺度示人，工业建筑受生产环境、成本、能耗控制、建设周期、施工便捷性、环保、安全、防腐、防爆等需求影响，对材料选择有严苛的要求，因此在建筑材料的选择层面，工业建筑的设计远比其他建筑类型复杂得多，而也正是因为这些要求，促使工业建筑的设计师们，对适合工业建筑的新型建筑材料进行不断地的探索和实践，越来越多的工业建筑材料被建筑师所了解、掌握和应用，工业建筑对建筑材料科学和建筑技术科学做出了卓越的贡献。
1、现代主义建筑兴起时的工业建筑材料
19世纪末，欧美国家受工业革命的影响，逐步由手工业社会步入工业化社会。这个时期工业革命创造的新建筑结构、建筑材料和建筑技艺，为近代建筑的发展开辟了广阔的前途。钢铁、混凝土和玻璃，作为现代主义建筑标志性开端的建筑材料，最早被应用于现代工业建筑的内部结构和外部表征。这些建筑材料坚固、耐久、建设速度快，具有比传统材料更优的强度和耐久性，同时能够创造区别于古典建筑、符合当下审美的建筑形式，同时又能与工业化生产模式和全新的建筑类型和建筑需求相契合。最具代表性的是德国“青年派”建筑师彼得·贝伦斯设计的德国通用电气透平机车间[1]（图1），这座现代主义的工业建筑，应用了钢、玻璃、混凝土等新型建筑材料，立面大片玻璃和屋顶天窗所带来的良好采光能很好地满足工业化机器生产的照明需求，钢材所塑造的自下而上截面逐渐放大的门式钢架结构所创造的完整高大的室内空间，满足了工业化生产的空间适应性和灵活性，同时钢材的快速安装也缩短了建筑的建设周期。混凝土内外墙体在创造优异保温性能的同时，大大缩短了建設周期和成本。这几种建筑材料的组合，使得整个建筑形象摒弃了传统建筑繁杂的装饰，形成了明显区别于其他建筑的独树一帜的建筑形象，开启了建筑设计的新篇章，它也被誉为建筑史上第一座真正意义的现代主义建筑。
1910年左右，瓦尔特·格罗皮乌斯设计了阿尔费尔德的法古斯鞋楦厂[2]，这座工业建筑的立面采用了大面积的玻璃幕墙系统和转角处没有任何支撑的转角窗，这种充分发挥玻璃这种材料性能的设计是建筑史上的一大里程碑，它是世界上第一座采用玻璃幕墙的建筑，幕墙系统所塑造的轻盈建筑形象使其成为现代主义建筑的开山之作。
由此可见，在现代主义建筑兴起之时，建筑师就力争打破传统建筑形式、建筑材料、建筑技艺的束缚，那个时代的工业建筑就出于适应工业化生产和需求，而创造出崭新的建筑风格、建筑材料和技艺，工业建筑引领建筑史变革的传统也从那个时代开始，一直延续至今。
2、当代新型工业建筑材料的发展
当代社会，工业建筑的类型更加多样化，需求更加复杂化，因此需要更多的新型建筑材料去满足其因工艺、功能、工期、造价、节能等因素导致的新需求，同时规避因为体量大、空间高等可能出现的设计或施工问题。在这一进程中，越来越多的新材料被应用于工业建筑的设计和施工之中。这些建筑材料，在工业建筑的实践之中被发掘、应用、成熟，进而延伸应用至其他类型的建筑实践之中。
2.1新型墙体材料
工业建筑受建筑体量的影响，通常外立面面积较大，受生产工艺影响，建筑层高较高。基于这两方面考虑，采用湿作业的砌块墙自重大，且因稳定性较差无法达到较高的砌筑高度。同时，砌块墙需要间隔设置圈梁、门窗过梁和构造柱等结构支撑体系，且砌块墙两面必须要做找平抹灰处理才能实现较为平整的效果，如果进行内外饰面处理则会耗费更多的时间，这些节点构造和施工时序延长了外墙系统的施工时间，这与工业建筑紧迫的工期和尽快投产的目标相悖。因此，工业建筑的设计师们为了缩短工期，实现墙体性能更优，开启了新型墙体材料的实践探索。
压型钢板、波纹板等材料自诞生之后最早被应用于工业建筑，但是由于产品质量不稳定，现场安装粗糙，导致其实际使用性能不理想，经常发生漏水、腐蚀等问题，为设计师所诟病。因此双侧金属板中间复合保温材料的金属岩棉夹芯板被开发设计，并逐渐替换原有的金属板+保温的外墙系统。相较于传统的砌体外墙系统，金属岩棉夹芯板本身为墙体与保温、隔热、装饰一体化的外围护墙体，厚度更薄、安装更便捷、成本更低、且无湿作业，因此其自诞生起就被广泛应用于工业厂房的建筑立面中。金属岩棉夹芯板的优势有如下几点：一是外墙系统为幕墙系统，能够与任何高度和跨度的主体结构相匹配，材料适应性强;二是质量轻、强度高、稳定性、抗冲击性、耐腐蚀性均较好，能够减轻外墙自重，同时能够承受外界恶劣的自然环境;三是保温隔热性能好，能够有效降低建筑整体能耗，节约能源，创造良好的室内生产环境;四是预制装配化程度较高，现场均为干作业，符合国家近年来逐步推行的装配式设计和施工，施工周期可以较传统湿作业砌筑外墙系统提高40%以上。
京东方作为全球显示产品龙头企业在全国拥有众多工厂，这些园区内部的生产厂房大部分都采用玻璃幕墙和金属岩棉夹芯板，建筑立面平整光洁，玻璃和金属夹芯板形成强烈虚实对比，极具现代感和“国之重器”的气势。
另外纯平板的金属夹芯板还可以与波纹板和压型彩钢板的夹芯板进行组合，提高建筑的形式感和韵律感，不同质感、肌理和颜色的金属板组合能够有效避免单一板材所带来的枯燥感，赋予工业建筑立面丰富的视觉层次。京东方重庆第8.5代新型半导体显示器件厂房（图2）即是采用金属夹芯纯平板和波纹板对比的设计手法，整个立面自下而上形成三种层次，距离地坪最近处采用4m高的浅灰色表面横向小波纹夹芯板，中间一段是银灰色表面纯平板夹芯板，最顶部坡屋面的侧墙处采用深灰色表面竖向小波纹夹芯板[3]。三种表面肌理和色彩不同的板材赋予整个建筑丰富的视觉体验。
另一种最早被应用于工业建筑外立面实践的是ALC板，即轻质蒸压加气混凝土板，采用水泥、粉煤灰、石灰、煤矸石等为主要材料，按照一定比例混合配置，并添加适当发泡剂，经过浇筑、高温高压蒸汽养护、切割等生产过程而形成的多气孔混凝土墙板。这是一种性能优异的墙板材料，密度小、质量轻、强度高、抗渗透性好、耐火耐热性及耐腐蚀性好，安装便捷、环保经济，特别适合有保温隔热和有较大变形要求的墙体。
菜鸟智能骨干网是一家网点遍布全国辐射世界的高科技物流公司，他拥有遍布全国的物流网点和园区，园区内的仓储建筑和转运中心大部分墙体都采用ALC板（图3），这正是看中了它施工方便、施工周期短的材料优势，只有不断缩短每个环节的周期，才能加快中国快递业的传输速度。ALC外墙板通过管卡、u型卡、型钢和螺栓固定在结构梁板柱上。墙板的外侧可以做涂料、面砖、干挂板材等饰面，满足不同的设计要求。ALC板外墙能够有效减轻建筑物自重，减小结构构件尺寸，满足建筑物所需的综合性能要求。作为自保温墙体，能够提高建筑物隔热保温性能。随着国家装配式建筑的变革，最早被应用于工业建筑之中的ALC板也逐渐被应用于民用建筑之中。
2.2新型防水密封材料
工业建筑超大的屋面面积、复杂的标高系统、庞杂的屋面设备和管道系统对建筑的屋面防水系统提出了较大的考验。而生产工艺和环境的要求又对屋面的防水性能提出了严苛的要求，任何因为屋面热胀冷缩拉扯、设备管线安装等可能造成的漏水点都是不被允许的。因此抗老化、耐候性好，拉伸强度高、抗变形性好的TPO防水卷材（热塑性聚烯烃材料）逐渐被应用于工业建筑的屋面之中。TPO 卷材不添加增塑剂和其他试剂，使得TPO成分不会迁移造成材料性质发生变化，使用寿命长，能够长期稳定保持防水特性;卷材内部多维的加强筋让卷材具备更优异的拉伸性能和耐疲劳性能;TPO 卷材的颜色以白色为主，表面光滑，能够具有较高的阳光反射率，降低建筑能耗，节能效果明显;可焊接和可机械固定这两种安装模式均可适用。材料组成中没有氯等有害成分，这样可以使其在生产和施工过程中，降低对人员和环境的危害[4]。
工业建筑的屋顶形式主要有三种，一种是钢筋混凝土屋面，第二种是DECK板屋面（压型钢板上浇筑混凝土的复合楼承板屋面），第三种是轻钢屋面。TPO卷材可以适应这三种不同的屋面结构形式，对于前两种可以统一为钢筋混凝土结构基层，上铺隔气层和保温层后，可直接采用机械固定或满粘的方式敷设TPO防水卷材。而第三种轻钢屋面可直接在压型钢板上铺设隔气层、保温层和隔离层之后，采用机械固定或满粘的方式敷设TPO防水卷材，这种情况下，附加的TPO防水卷材能够大大提高彩钢板屋面的防水性和耐久性。由此可见，TPO防水卷材的材料性能和构造形式，特别适合大面积的工业建筑屋面，尤其适用于钢结构支撑的彩钢板屋面系统，通过精确的设计构造层次，能够达到节能、降低屋面自重、防水防露等效果。
2.3新型装饰装修材料
某些高精尖产业，（如航空航天和电子产业的生产厂房和数据机房等），对室内装修具有防静电要求，即需要采用摩擦不易产生静电的装修材料，因为非防静电的装修材料受到摩擦所产生的静电，再大量累积后会产生不利于产品加工精度的静电荷，同时静电荷易吸附灰尘，会对生产产生特别不利的影响，静电荷如果放电，还有可能引起自动控制的生产设备、数据机房等电子设备发生故障。因此这种厂房的室内装修除了耐磨、防水、防潮、美观以外，还对材料的防静电性能提出的较高的要求。
通常我们常用的防静电地坪材料主要有防静电自流平材料，比如防静电环氧树脂自流平，自流平防静电材料受环境影响易开裂、空鼓、起皮，从而对生产环境产生影响，尤其是对洁净度有一定需求的生产空间[5]。防静电自流平耐磨性、耐老化性较差，使用寿命6个月～10年不等，同时其防静电性能会随使用年限的延长而衰减。另一种常用防静电材料是防静电PVC地板，即防静电聚氯乙烯地板。防静电PVC的导电性能依赖其内部炭黑串联成的导电网络，其导电性能受温度变化的影响较大，温度的波动会造成炭黑颗粒之间间隙的变化，从而影响其导电性能。随着使用年限的增长，材料内部老化易产生裂纹，形成电路断点，造成整体防静电性能失效，通常防静电PVC的使用寿命不会超过10年。
为了寻求防静电效果更稳定，使用寿命更长的地坪材料，山东电盾科技股份有限公司研发了一种具备防静电功能的陶瓷砖，这种陶瓷砖经过1200℃高温烧结而成，在空气温度-50℃至480℃之间，空气湿度0～100RH之间电阻值不变[5]。防静电陶瓷砖的防静电性能永久有效，并同时具有抗老化、不起尘、不变形、防火耐磨性能好等优势，可采取防静电铺贴与导电粉配合使用的方式直接铺贴于地面基层之上，也可采用高架的方式形成防静电活动地板，板与板之间的缝隙采用专用的导静电材料进行填缝，保证整体地坪的防静电性能。防静电陶瓷砖近年来逐渐被应用于航天航空、医疗制药、精密电子、高科技产品等行业的厂房内，同时也适用于民用建筑的集控室、通讯机房等室内地坪装修。
由以上例子可见，工业建筑在墙体材料、防水密封材料、装饰装修材料等材料工程领域都做出了卓越的貢献，促进了新材料、新结构、新技艺的发明创造。除了以上举例之外，还有诸如轻型复合板材、建筑特种塑料制品、新型混凝土制品等也被应用于工业建筑的实践之中，据相关统计，在现代工业建筑中传统材料所占比例已经很小，甚至会低于30%，越来越多的新型建筑材料被应用于工业建筑之中。这些新建筑材料应用于工业建筑之后，或极大地改善了生产环境和建筑性能，或创造了一批极具工业建筑视觉属性的现代建筑。
结语：
工业建筑超大超长的建筑体量、超高的建筑层高、生产工艺内部环境的需求，势必会推动新型建筑材料的研究和应用，而新材料的诞生也势必会推动建筑技术科学的发展。从这一方面来讲，工业建筑对建筑材料科学和建筑技术科学的推动发展具有重要的意义。
工业建筑功能的多样性和工艺的差异性要求设计师要全面思考不同性质的工业建筑所要求的不同的建筑材料性能，材料的选择要满足工艺、功能、施工周期等多方面的需求，为业主创造高效、实用、适宜的生产环境，以期望为企业带来更多的经济效益、社会效益和环境效益，推动社会的进一步发展。
参考文献：
[1]罗小未.外国近现代建筑史[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.
[2]黄兴元.工业建筑的文化表现——欧洲工业建筑一瞥[J].建筑学报，2005（12）：9-12.
[3]从晓军，晁阳.超大体量高科技厂房——京东方重庆第 8.5 代新型半导体显示器件厂房设计手记[J].建筑与文化，2015（3）：072-077.
[4]蒋艳军，宋海波，王海成.TPO防水卷材在上海家化青浦基地迁建项目中的应用[J].中国建筑防水，2020（1）：28-39.
[5]王占坡.水泥基自流平防静电地坪材料的研究[D].武汉：武汉工程大学，2017.
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