由智能建筑到生態(tài)智能建筑

　　跨世紀(jì)之時，有關(guān)建筑領(lǐng)域出現(xiàn)了一些新概念，如智能、生態(tài)、綠色建筑等。智能建筑已呼喚多年，但真正的智能建筑樣板是什么樣，我國消費(fèi)者尚未能目睹及體驗(yàn)。本文作者從材料和技術(shù)上闡述了這方面的進(jìn)程，我們進(jìn)行了摘編，提供給讀者參閱。 ——編 者

　?。ㄒ唬?智能建筑和智能建材

　　智能建筑是２０世紀(jì)３０年代以來出現(xiàn)的一類新型建筑。它的內(nèi)容與含義隨著科技的發(fā)展也不斷延伸。

　　隨著電動恒溫器的出現(xiàn)，人們可以自動調(diào)控室溫。５０、６０年代，電子技術(shù)蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了能夠顯示室內(nèi)溫度、氣壓、濕度讀數(shù)并監(jiān)控所有機(jī)電設(shè)備的中央電子控制電路。

　?。玻笆兰o(jì)７０年代電子計算機(jī)的出現(xiàn)使智能建筑進(jìn)入全新境界。至２１世紀(jì)初，建筑的智能顯著提高。這主要表現(xiàn)在如下兩個方面：（１） 數(shù)字式通信網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)綜合了話音、數(shù)據(jù)傳輸及電信傳輸，可以為建筑內(nèi)每個房間提供通信（傳真、電子郵件）和數(shù)據(jù)處理功能（文字處理、列表、會計、貯存、輔助設(shè)計）。（２） 自動控制系統(tǒng)。電腦、傳感器和控制裝置組成的系統(tǒng)可以有效控制建筑物的各項(xiàng)操作。例如，根據(jù)陽光強(qiáng)弱調(diào)整室內(nèi)燈光明暗，關(guān)閉無人房間的燈光和電器，偵測并且清除室內(nèi)有毒氣體、濃煙、火災(zāi)和盜警時采取緊急處理措施，并通告公安、消防部門等等。

　　隨著材料科學(xué)的進(jìn)步和人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，人們認(rèn)識到智能建筑不僅需要計算機(jī)控制，也需要相應(yīng)功能的智能建材的配合。智能建材（有人稱為機(jī)敏建材－Ｓｍａｒｔ建材），它是指除作為某種建筑結(jié)構(gòu)外，還具有一種或數(shù)種功能的建筑材料。例如，調(diào)節(jié)溫度、濕度，是智能建筑的兩個主要功能，如僅僅依靠計算機(jī)控制空調(diào)供暖、去濕，干燥設(shè)備或增加墻體厚度、重量，耗費(fèi)很大；而具有呼吸功能、可自動吸收和釋放熱量、水氣的墻體涂料和日本開發(fā)出能感應(yīng)溫度的玻璃（在氣溫上升時玻璃透明度變小、阻擋陽光照射、溫度下降時恢復(fù)透光），具有皮膚功能的外墻外保溫飾面板（即水氣能夠滲出，不能進(jìn)入，如哈爾濱——美羅門哈斯公司的美哈斯板），這些具有一定智能的建筑材料可降低計算機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜性、節(jié)能投資和能耗。

　　又如德國播明公司生產(chǎn)的感光指示牌在“９·１１”事件斷電時依然發(fā)亮，大批圍困在高樓中的游客在其指引下沿安全通道脫離險境。還有計算機(jī)系統(tǒng)和傳統(tǒng)建筑材料對諸如電磁、噪音等指標(biāo)的控制力不從心。美國彭薩科拉海軍航空站實(shí)驗(yàn)室聲學(xué)博士格里·托馬斯等人用環(huán)氧樹脂、硅凝膠、聚氨酯泡沫體、塑料、硅基、碳基橡膠等制成防低頻噪音合成材料，使聲音在不同粒子不同材料交匯處喪失能量，從而將聲音阻絕能力提高５０％至１０００％。北工大開發(fā)的高導(dǎo)電率電磁屏蔽涂料、上海得善意大利文原格瑪公司隔聲板材效果很好。而使用碳纖維、鋼纖維、玻璃纖維鍍金屬纖維，導(dǎo)電高聚物纖維制成的輕質(zhì)屏蔽墻體也能較好防止電磁波的干擾。

　?。ǘ?新型建材和生態(tài)建材

　　顧名思義，新型建材應(yīng)是有別于磚瓦沙石、水泥等“舊”建筑材料的材料。新型建材由初始的墻布、窗簾、鋁合金門窗、塑料地板等迅速發(fā)展為新型墻體材料、防水材料、化學(xué)建材、金屬建材等種類繁多的家族，并以可以預(yù)制、大規(guī)模生產(chǎn)為特征。

　　進(jìn)入２１世紀(jì)，人們通過反思自覺認(rèn)識到人與自然和諧的重要。設(shè)計理念及文化觀、價值觀隨之重新調(diào)整。對智能建筑而言，智能不是目的，而應(yīng)是通過智能使建筑更加符合利于人居、利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求；對建筑的要求也不僅是智能，而是功能、環(huán)保、節(jié)能、藝術(shù)和智能各個方面的統(tǒng)一。這種新的思維方式，對建筑材料提出新的要求，新型建材概念擴(kuò)展為生態(tài)建材。

　　生態(tài)建材概念于１９８８年第一屆國際材料科學(xué)研究會首次提出，１９９２年給予明確定義，１９９３年國際建筑協(xié)會采納使用可以再生、避免高蘊(yùn)能量、破壞環(huán)境的可持續(xù)的建材材料細(xì)則。在全新消費(fèi)概念推動下，生態(tài)建材發(fā)展突飛猛進(jìn)。

　　生態(tài)建材與傳統(tǒng)建材、新型建材不同之處，在于它不是一種單純建材品種，而是一種“環(huán)境調(diào)和材料”，除作為建筑材料的基本用途外，還在于維護(hù)人體健康，保護(hù)環(huán)境。

　　智能和生態(tài)是今日社會對建筑材料的兩大需求，在實(shí)際中必須配合互補(bǔ)，不能顧此失彼，智能建筑設(shè)計與同時具有智能、生態(tài)功能的建材的使用，會出現(xiàn)一種全新的生態(tài)智能建筑（暫定名）。這應(yīng)該是智能建筑發(fā)展史上的一個新的階段，也是２１世紀(jì)世界建筑與建材的發(fā)展趨勢。

　　（三） 生態(tài)智能建筑近期目標(biāo)

　　生態(tài)智能建筑應(yīng)是一種既保護(hù)生態(tài)環(huán)境，又使居住舒適健康的建筑，它的近期目標(biāo)是：

　?。ǎ保┝悴膳芎?。我國學(xué)者和北新建材等企業(yè)已經(jīng)探討對外圍護(hù)結(jié)構(gòu)（含屋面、地板）和絕熱材料的合理利用，對建筑自由熱（含陽光、家用電器、人體代謝、廢熱水等熱回收）的有效利用儲存實(shí)現(xiàn)在采暖期平均室外溫度大于等于－９℃，保持室溫１８℃和０．５次／時換氣次數(shù)時建筑的零采暖能耗。

　?。ǎ玻┰炀褪谷耸孢m、利于健康的居室小環(huán)境。當(dāng)前中外科技人員在這方面都做了大量工作，已開發(fā)滅菌健康衛(wèi)生材料、電磁波屏蔽材料、防輻射涂料、電致自然光發(fā)生材料、防雷防火材料、能吸收分解甲醛、ＳＯ２、ＮｏＸ的光催化學(xué)材料等生態(tài)智能建筑。

　?。ǎ常?yīng)用廢棄物或回收物代替部分或全部天然資源，或用新工藝制造，達(dá)零排放。國內(nèi)開發(fā)較多者如利用粉煤灰等工業(yè)廢渣，化學(xué)石膏，免燒或低溫?zé)杉夹g(shù)生產(chǎn)砌塊、墻體材料，以天然纖維（稻草麥秸）生產(chǎn)輕型保溫墻體材料。

　?。ǎ矗┙ㄖY(jié)構(gòu)及形狀的改進(jìn)。生態(tài)建筑，尤其輕質(zhì)、絕熱材料的使用，能夠產(chǎn)生傳統(tǒng)建材只能望洋興嘆、無法企及的建筑形式，從而提高建筑的節(jié)能和智能水準(zhǔn)。德國埃森布ＰＷＥ集團(tuán)總部和杜伊斯堡商促中心大廈形如梭狀透鏡內(nèi)充氬氣，可調(diào)光線、空氣的智能幕墻、比利時布魯塞爾馬蒂尼大廈可以利用光能、風(fēng)能的建筑，因?yàn)椴捎帽砻骐p層結(jié)構(gòu)，夏日遮陽、減少制冷負(fù)荷，冬季采光、預(yù)熱空氣并創(chuàng)造一種垂直日光層疊效應(yīng)，可從室內(nèi)抽排廢氣。美國奧杜本大樓、荷蘭阿姆斯丹ＩＮＧ大廈和馬來西亞一些類似建筑，電力節(jié)省更達(dá)７０％～９０％。而一些材料，例如拉擠玻璃纖維增強(qiáng)筋雖然在強(qiáng)度勝過鋼材，耐水泥堿性侵蝕，作為增強(qiáng)筋材性能很好，無疑是一種新型建材，但無法回收使用，除非基本性能改變，不能作為智能生態(tài)建筑的材料。

　?。ㄋ模?發(fā)展生態(tài)智能建筑的關(guān)鍵技術(shù)

　　智能生態(tài)建筑應(yīng)是２１世紀(jì)建筑的方向，而光學(xué)纖維技術(shù)、納米技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)是發(fā)展智能生態(tài)建筑的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　光學(xué)纖維技術(shù)

　　隨著計算機(jī)體積變小，運(yùn)算速度和功能增強(qiáng)，傳感器的作用亦相應(yīng)增加。除承擔(dān)建筑與外界的全部信息聯(lián)系外，光學(xué)纖維在建筑中的傳感作用日益重要。在生態(tài)智能建筑中計算機(jī)光纖系統(tǒng)承擔(dān)對材料和建筑監(jiān)測、控制、修復(fù)的作用。碳素纖維復(fù)合材料與光導(dǎo)纖維結(jié)合形成的結(jié)構(gòu)，具有可以判斷內(nèi)部溫度場分布情況和利用電熱效應(yīng)加熱功能，形成所謂溫敏混凝土和自適應(yīng)混凝土。

　　光導(dǎo)纖維傳感器，微型電子芯片等形狀記憶材料或在電壓作用下能夠從液體轉(zhuǎn)變成固體而自動加固的電流變材料，使混凝土具有自我修補(bǔ)功能；其中比較成熟者是玻纖環(huán)氧樹脂中埋入鎳鈦記憶合金、光導(dǎo)纖維等。它們可以檢測材料中受損部位，通過電腦控制的執(zhí)行系統(tǒng)對受損部位記憶合金加熱，激發(fā)其產(chǎn)生相變，使結(jié)構(gòu)中受力狀態(tài)自動適應(yīng)原有設(shè)計要求。

　　光導(dǎo)纖維傳感器、光導(dǎo)纖維拉格光柵傳感器和光敏管結(jié)構(gòu)，可以通過光強(qiáng)度變化測定建筑結(jié)構(gòu)受載和應(yīng)力變化，也可測定混凝土在固化前后強(qiáng)度變化。

　　光導(dǎo)纖維位移極限信號裝置可以連續(xù)可靠測定建筑沿水平方向和垂直方向的收縮膨脹及建筑整體位移狀態(tài)。

　　有效利用自然能源（太陽光、風(fēng)能、化學(xué)能等）取得經(jīng)濟(jì)、沒有污染的能源，是生態(tài)智能建筑關(guān)鍵技術(shù)之一，是眾多國家研究熱點(diǎn)，我國科技人員也取得一批成果。如南京玻纖院在院長、中國工程院院士張耀明主持下，攻克了太陽光自動跟蹤、高效聚光采集、太陽光低損耗光纖傳輸?shù)燃夹g(shù)，成功研制成全自動跟蹤太陽采集器，主要性能指標(biāo)居國外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。該技術(shù)可使人在不見陽光的房間、地下、隧道中享受日光浴，植物在多種角度陽光照射下正常生長。

　　納米材料

　　納米材料因近似大分子水平的粒徑，具有極大比表面積和很高的表面活性，故化學(xué)催化和光催化能力很強(qiáng)。納米建材可以獲得同時憎水、憎油特性，將抗菌成分銀、銅、鋅等離子及其化合物結(jié)合于納米材料，使其依靠自身能量激活周圍水或空氣中氧產(chǎn)生活性，使表面具有自清潔、防霉、防毒、抗菌、凈化環(huán)境等功能，有利于環(huán)保和人體健康。

　　光電轉(zhuǎn)換材料，將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)施

　　從能量角度來看建筑可分為正能耗建筑、空能耗建筑和負(fù)能耗建筑３類。以往任何建筑都是數(shù)量多少不同的正能耗建筑。從健康角度來看，材料可以分為有害材料、無害材料、有益材料三代，以往建筑材料都是程度不等的有害、無害健康材料，光纖照明、納米材料和太陽能瓦使得建筑歷史以來第一次達(dá)到真正意義上的負(fù)能耗（產(chǎn)能）、建筑材料達(dá)到有益健康的目標(biāo)。萊格特博士房屋發(fā)出的電力大于自身所需電力的４５％（多余部分自動進(jìn)入電網(wǎng)）。而按生態(tài)智能建筑的觀念，這些能量又可進(jìn)行垃圾加工分解，非飲用水重新凈化或飲用水，空氣中有害氣體的消除分解等已經(jīng)初見成效的項(xiàng)目。

　　建筑材料一直是人類產(chǎn)量最大、用量最多的材料，建筑活動一直是人類基本生產(chǎn)活動之一。隨著高新技術(shù)向建材、建筑領(lǐng)域滲透，建筑功能日益多樣，尤其家庭居室已由單一居住功能擴(kuò)展為居住、健康、美術(shù)、工作、購物、進(jìn)修、娛樂等綜合功能，而實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的生態(tài)智能建筑正成為２１世紀(jì)建筑的主流。