性能爆表的超级建筑材料速览

上期的行业前沿，我们分享了四种新型建筑材料——智能砖、透光混凝土、水泥毯和自修复混凝土。本期我们又整理了一些世界前沿超高性能的建筑材料，希望可以拓宽大家的设计思路。

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01

CLT（交叉层压木材）

CLT（交叉层压木材）——全称(cross-laminated timber)

CLT材料的优点：1.面积和厚度可定制；2.有极高的结构强度和耐火性，并兼具高柔韧性；3.在节能环保方面表现极佳；4.施工效率高。

CLT一种新型木建筑材料，被称为“未来的混凝土”。它采用木方正交叠放，胶合成实木板材。大块的CLT可以直接切割后作为建筑的外墙、楼板等，极大地提高了工程的施工效率。将横纹和竖纹交错排布的规格木材胶合在一起达到更佳的强度，可以用来替代混凝土材料。

 横纹和竖纹交错排布的胶合木材

CLT VS 一般胶合木

胶合木是将多层木材压合形成单个结构的构件；而CLT则通过垂直堆叠板材，实现板材或面层，甚至墙体的加工成品。它由多层板胶合成一个整体，由于在纵横层上交叉的走向，板材上木头的收缩和膨胀程度可忽略不计，同时静力荷载和形态的稳定性均有所提升。

CLT VS 混凝土

众所周知，混凝土是当今使用率最高的建筑材料。但相比于木材，混凝土的环境碳排放量十分巨大。每建造一立方米混凝土，会有一吨的二氧化碳排入大气中。相比之下，CLT具有“碳隔离”功能，或者说，在树木成长过程中，碳被储存在木头中，使得木材生产的碳排放量远远小于应排放量。因此，在环保性能上来讲，CLT要比混凝土材料更有优势。

  生产过程中不同建造方式的能源消耗(GJ/㎡)对比

CLT材料的耐火性能极佳。100mm厚的CLT墙体，即使是表面没有任何处理，耐火极限也可达到2小时（这种碳化处理过程是一种自然现象，是树木保护自身的一种方式）。

CLT材料在节能方面的表现也毫不逊色——1800mm厚混凝土墙体才可与100mm厚的CLT墙体达到同等程度的保温隔热效果（18/1比例）。

CLT还具有与钢筋混凝土同样的结构强度，并兼具高柔韧性，承载极大的变形才会崩塌。此外，1立方米的混凝土重约2.7吨，而1立方米的CLT仅重400千克，并具备与混凝土同样的承载力。

 斯德哥尔摩木质大楼：34层，高度近百米

CLT材料的缺点：1.需要定期刷涂料保护；2.安装精度要求较高。

CLT材料想要在国内实现全面应用还有较长的一段路要走。由于对安装精度要求较高，前期的设计和工厂制作阶段均需要仔细斟酌。目前在加拿大CLT板材仅能用于30层及以下的工程，芬兰则为40层及以下。

02

FRP复合材料

FRP复合材料——全称(Fiber Reinforced Polymer，或Fiber Reinforced Plastic)

FRP材料的优点：1.自重轻且结构强度高；2.可塑性极佳；3.耐受度强；4.有良好的绝缘性及高耐火性。

该材料是由增强纤维材料与基体材料经过缠绕、模压或拉挤等工艺形成的复合材料。具有轻质高强、成型方便、不易腐蚀、质感美观、色彩丰富等优点。根据增强材料的不同，常见的纤维增强复合材料分为玻璃纤维增强复合材料(GFRP)，碳纤维增强复合材料(CFRP)以及芳纶纤维增强复合材料(AFRP)。

  碳纤维增强复合材料(CFRP)材料

FRP的比重通常为1.4~2.2，仅为普通钢材的1/5~1/4，比金属铝还要轻1/3左右，而其机械强度可以达到甚至超过普通碳钢强度。FRP还可以根据构件的不同受力情况、合理地配置增强材料、变换增强材料的组成，以满足不同位置及不同方向上的应力变化。根据上述力学性能，FRP可很大程度减轻建筑自重，降低基础承载力。

极佳的可塑性使其可适用于双曲面形、球面形、拱形等形态复杂、重量轻且刚度大的结构构件；也可塑造造型复杂、流线型强的建筑及小型建筑制品，如由薄壳构造的建筑、凉亭、雕塑等。

  FRP室内装饰材料

FRP VS 玻璃

FRP材料易制作为透光性良好的材料，其性能远远优于玻璃。以采光屋面为例，厚度仅有1.2~1.5mm，不易破碎、便于安装且重量大大减轻。将结构设计、维护、采光三者相结合，且照射进室内的光线为散射光，光线柔和，光强分布均匀。FRP还可通过不同填料模拟出各种石材、仿金、仿铜和镀铝效果，也可以与其他镀层及材质混合使用，是极佳的饰面材料。

FRP材料是普通建筑材料热阻的2倍，可通过制造夹层结构的方式提升至4倍。同时，FRP材料具有良好的耐酸、耐碱、耐海水及耐化学腐蚀等性能，可用来代替不锈钢制造管道、泵、阀门、储罐等，且不需要采取防腐、防锈和防虫蛀等措施，适用于化工建筑、地下工程和水下特殊工程等。

  FRP外立面材料

除此之外，FRP材料还有良好的绝缘性，低吸水低，低透湿性，高耐火性等优点。人民大会堂屋顶维修工程就采用了此种材料。

03

渗水陶瓷

渗水陶瓷——全称（Hydroceramics）

渗水陶瓷的优点：1.能智能感知外部刺激，提高建筑热学性能；2.是建筑节能的低成本替代技术性。

该材料是一种由水凝胶气泡组成的蒸发冷却装置，可以在降低温度的同时为建筑内部空间增加湿度。这种水凝胶气泡在水中可以扩大到原体积的500倍，球面吸收的液体遇到炎热的环境便开始向周围空气中蒸发，从而起到降温的作用。

 曲线渗水陶瓷样本

渗水陶瓷将“凝胶”类材料嵌入到建筑环境中，通过数字仿真、建构技术设计、完善智能建筑系统等，提高建筑的热学性能。使得建筑环境成为了一个生命体——作为自然的一部分，而不是与自然相排斥。建筑构件也如同生态系统中生物，与周边环境有机互动。

渗水陶瓷是典型的智能材料，是一种能感知外部刺激，判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料之所以能成为继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是因为其具有七大功能——传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。我们之前提到过的自修复混凝土，体现的就是智能材料的自修复能力和自诊断能力。

渗水陶瓷则是通过对敏感材料的使用，实现了智能材料的反馈功能、信息识别及响应功能——通过水凝胶的工作原理（蒸发散热），形成一种蒸发冷却装置，使其发挥降低温度与增加湿度的作用。这种独特的嵌入式智能系统可以使室内温度与室外成正比，在炎热的环境下将室内空气温度降低五到六度。同时，当没有水份蒸发时，系统则不为室内空间降温，实现了温度的可控性。

  “凝胶”可吸收和保留500倍于自身重量的水质

该项目可以帮助节省的能耗是传统空调总耗电量28%，并且由于原材料（粘土和水凝胶）在价格上的优势，该项目成果可以作为建筑节能的一种良好的低成本替代技术。

04

写在最后

所谓超级材料的诞生，其本质还是在传统材料的基础上进行迭代和创新。科学家们通过对合成材料和跨领域材料性质的深度挖掘，创造出了这些性能爆表的超级建筑材料。这些材料的出现，也从根本上解决了一些掣肘设计师们多年的问题。

参考文献

1《CLT交叉层压木板会在未来取代混凝土吗？》——作者 José Tomás Franco | 译者 Milly Mo

2 《浅谈FRP复合材料在建筑中的应用》——作者：周初梅（武汉工业大学）

3《渗水陶瓷：一种建筑被动降温系统》——设计邦

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微信号 : JJT-2019

景观与建筑设计文化的传播者，设计思维全民普及的践行者

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