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。
(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。