“建”证奇迹！新材料在建筑表皮上的应用
摘要：本文以近期的比较有特色的建筑为例，从其使用的材料的特性、加工、安装方式等方面进行分析，介绍了钛金板、水波纹不锈钢板、铜板、鈦瓦屋面、砌筑石材等新材料。
关键词：新材料、水波纹不锈钢板、钛金板、鈦瓦、铜板、砌筑石材
1 引言
随着经济的发展和技术的进步，建筑个性化越来越强，对应的建筑形体越来越复杂，建筑材料也越来越丰富。常规的建筑装修材料主要包括玻璃、铝板、干挂石材等已经很难满足个性化的需要，于是出现了很多非常规材料。这些材料相对常规材料，在加工成型工艺及安装工艺等方面均有所区别，对加工厂和施工单位都提出了很大的挑战。本文主要介绍钛金板、水波纹不锈钢板、钛金板、鈦瓦、铜板、砌筑石材等。
2.钛金板
钛金板是指通过金属板镀钛工艺形成的有金属光泽的金色板。
金色板比较常见的做法是通过铝板氟碳喷涂来实现，氟碳喷涂的颜色是依靠氟碳漆的颜色实现的，形成的金色金属光泽很小，有塑料感。钛金板是通过镀钛工艺形成的，镀钛形成的膜很薄，形成的金属感很强。
(1)镀钛的基层材料的选择
理论上铝板和不锈钢板均可以作为钛金板的基层，经过试验对比，铝板镀钛后因为铝板本身的材料属性，最终形成的钛金板没有金属光泽，且局部有镀钛不均匀形成的色差(如图1)。而不锈钢板作为镀钛的基层，因为不锈钢板本身的特性，通过金属打磨处理后，本身的平整度和光泽度很高，镀钛之后形成的镀钛层很均匀，金属感也很强(如图2)。
(2) 镀钛炉的选择
目前成熟的镀钛工艺有水镀和电镀两种，其中水镀工艺形成的镀钛层不牢固，一年左右就会褪色，镀钛效果不好，且存在污染，正在逐步被淘汰，电镀工艺正在逐步流行。
电镀炉一般为圆柱形，直径1.35米，长4米(不同厂家有差异)(如图3)，镀钛炉的大小决定了项目板块的最大尺寸，在项目前期阶段需要对板块分格进行校核，确保后期加工的时候不会出现板块分格超规格的问题。对于异型的板块，建议借助BIM软件进行分析比对(如图4)，确保镀钛板在分格划分中要确保不会超规格。
(3)电镀工艺流程
电镀工艺流程如下(如图5)：
(4) 钛金板颜色的选择
钛金板虽然都是金色，但是可以实现多种不同的金色效果，可以通过材料小样进行颜色的比选(如图6)。
同时钛金板的颜色在不同的光线条件下都是变化的，且拉丝处理之后，相同的钛金板在相同的光照条件下，横向拉丝与竖向拉丝会形成不同的感官颜色。如图7,上下两块钛金板颜色完全相同，上边为横向拉丝，下边为竖向拉丝，最终在本照片这个视角下，上边颜色明显更深一些。
换一个角度和时间，如图8，相同的板块，会显示下边的颜色更深一些。所以钛金板是一种对光线很敏感的材料，在建筑设计中，要充分考虑周围的建筑，光照，建筑的形体造型等，确保钛金板展示出来的颜色符合自己的心里预期。
(5) 钛金板的穿孔
钛金板穿孔有两种工艺，机械冲孔(如图8)与激光切孔(如图9)两种方式，经过试验对比，不锈钢基层的钛金板因为不锈钢本身硬度很高，采用机械冲孔会造成板面的不平整，建议在条件允许的情况下，采用激光切孔，保证板面的平整。
(6) 钛金板成型工艺
单曲面部分成形方法：(1)、模具成形;(2)、激光切割+多轴辊滚圆成形+数控折弯成形。
双曲面部分成形方法：液压拉伸成形+双曲背筋拼焊
液压拉伸成形下料工序可使用剪板机或激光切割机完成，下料前需完成模型分解、坯料展开等工作。模型分解是根据实际整体模型，将其切割成相对均匀(统一)规格的单个零件并编号管理。坯料展开则利用三维分析软件功能将单个零件模型展开为二维CAD图形，并在四边留有工艺余量。成形单元则使用离散模具通过液压拉伸成形。成形后将满足要求的零件转移至检测平台，检测合格的成形单元则使用切割机裁边获取最终零件。最后通过加强筋实现零部件型面加固。
(7)运用工程案例
上海国家会展中心西厅改造项目作为首届进口博览会的国家会议中心，是首届进口博览会场馆提升项目的核心工程。原来建筑表皮为普通灰色铝板、玻璃、真石漆等，经过提升改造，在外侧设置了金色的穿孔钛金板(如图11)。
3. 水波纹不锈钢压花板
水波纹不锈钢压花板是在钢板表面施以凹凸的花纹形成的。凹凸的花纹配合不锈钢光面的效果，形成波光粼粼的视觉效果(如图12、13所示)。
因为不锈钢板为卷材，作为不锈钢板的加工板，水波纹板宽度方向也有限制，一般有1m,1.22m,1.5m,长度可根据要求开料。
水波纹板可以实现玫瑰金、钛金、紫红、粉红、紫罗蓝等多种颜色。
根据不同工艺之间的不同组合，可以形成不同的效果
Ø 磨镜面后再压纹，凹凸位置都会产生光亮效果;
Ø 压纹后再磨镜面，凹下去的位置会保持不锈钢的亚光色，凸起来的位置会有反光的镜面效果;
Ø 磨砂后再压纹，凹凸位置都会有磨砂纹;
Ø 压纹后再磨砂，凹下去的位置会保持不锈钢的亚光面，凸起来的位置会有磨砂丝纹。
4. 砌筑石材
目前成熟的石材幕墙系统为干挂系统，是通过背栓或铝合金挂件等将石材面板固定到后侧的龙骨上去的连接方式。该系统的优点是成本低，相对更安全，目前被普遍采用。
干挂的系统依赖后侧的钢架，钢架因为腐蚀等原因，不能长时间存在。对于有特殊要求的百年建筑，砌筑石材更能够满足建筑长寿命的要求。砌筑石材不依赖后侧的钢架，依靠石材之间的相互叠砌来相互支撑。
相对于普通干挂石材，砌筑石材有以下关注点。
(1) 砌筑石材的加工成型
砌筑石材一般应用在仿古建筑或者欧洲建筑，石材形体相对都比较复杂，种类繁多，采用普通图纸很难表达。需要借助BIM技术进行三维建模，通过石材BIM模型与石材加工机械联动，保证石材的加工精度(如图14)。
(2) 砌筑石材的安装及安全保证措施
早期的砌筑石材抗震性能较差，目前砌筑石材会通过设置拉结件的方式对砌筑石材进行加固。
砌筑石材之间的粘接剂可以用普通的砂浆也可以采用石材专用胶粘剂。
为了满足砌筑的要求，砌筑石材厚度要超过100mm，正常要达到150mm,因为砌筑石材本身很重，特别是底部的石材普遍重量超过1吨重，安装的时候要借助专用设备进行提升吊装，同时要避免对石材产生破坏(如图15)。
(3) 防水及排水
砌筑石材因为砌筑胶粘剂的年限，设计中一般会考虑因为胶粘剂失效引起的防水问题，所以后侧会设置防水板，同时在砌筑石材底部会设置排水孔(如图16)，用于在砌筑剂失效的情况下，将进入石材内部的水排出。
(4)应用案例
舟山观音圣坛采用了砌筑花岗岩，石材品种为黄金麻(如图17)。
华为东莞松山湖总部采用了砌筑砂岩(如图18)。
5. 异型一体铜板
常规的幕墙金属板通常在工厂根据分格加工成单块板，安装后板和板之间打胶或者留开缝。最终形成的建筑效果是很零碎的分格线，建筑整体性不好。
在一些特殊建筑中，如佛教建筑，需要金属板是一个整体，于是之前只是作为雕塑成型工艺的一体板开始出现在建筑中。
一体铜板制作工艺如下：
(1)模型放样
先制作缩比例的泥模，确认后翻制为石膏模型，通过对石膏模型进行三维扫描，得到模型三维数据。放大后得到1:1模型(如图19)。将模型数据输入CNC数控中心制作1:1EPS模型。
(2)钣金成型
根据模型制作模具，通过机器冲压，形成曲面造型。
(3)小板的拼接
在工厂将小块板通过焊接拼接成大板(保证大板能够运输)，焊接采用手工钨极焊氩弧焊，选用锡青铜焊丝Scusn8-4.
(4)修饰打磨
对焊缝部位进行打磨，先用20目沙盘初打磨，再用40目精打磨。
(5)背筋的安装
通过背板种钉，在背后连接钢肋板，保证面板的整体刚度。
(6)运输及现场的拼接
加工完成后的板块在工厂进行预拼装，确认满足精度要求后拆开，分体运输(如图20)，在现场与后侧钢架连接固定到位(如图21)。
(7)上色处理
整体拼接完成后，进行焊接，打磨处理，调整表面的误差。然后在铜板表面打腻子，最后上色处理(如图22)。
6. 鈦瓦
鈦瓦是通过现代工艺加工的金属瓦，效果仿古代的灰瓦。
(1)鈦瓦的种类
为了模拟古代屋面的效果，鈦瓦和古代瓦类似，需要通过不同类型的瓦进行拼接组合，有筒瓦、板瓦、瓦当、屋脊瓦等组成(如图23)。
(2)鈦瓦的加工成型
通过犀牛建模，通过犀牛offset命令将金属模型的内模和外模导出。将模型数据输入数控机床进行加工，完成模具的制作。
板瓦采用连续冲压工艺，根据长度需要冲压成不同长度的板瓦(如图24)。
筒瓦采用无边料冲压工艺(根据展开形状下料，成型后不用切边)(如图25)
屋脊部位(如图26)复杂的构件采用泥模制作1:1实物模型，翻制石膏模型后进行铸造或钣金。
(3)鈦瓦的固定
鈦瓦与古代灰瓦类似，防水是通过瓦与瓦之间的相互搭接来实现的，与古代灰瓦依靠重力铺设在屋面不同，鈦瓦因为重量很轻，瓦的固定是依靠下侧的卡件进行固定(如图27)，还会在搭接盖住的地方通过打钉固定到下边的龙骨上去。下侧还设置了二次防水层，与瓦的搭接形成双道防水。
6. 结语
文中提供的新特材料目前在少数建筑中采用，一些新型建筑装饰材料大规模应用的影响因素很多，包括建筑需求、价格因素和工艺水平等等。随着科学经济的发展和加工工艺水平的进步，会有越来越多的新型建筑材料应用到建筑工程中，通过早期项目的应用经验的不断积累，为后期材料的大规模使用提供良好的经验。
建筑师作为建筑的创造者，一直是建筑行业创新的源头，创新设计是每个建筑师的终生追求和梦想。新特材料作为建筑表皮构成元素，在建筑的创新和发展中扮演不可或缺的角色，设计师也要加入到创新应用的队伍中来，不断的挖掘新材料，新工艺，为人类社会建筑的多元化发展做出贡献。
作者单位：苏州金螳螂幕墙有限公司
作者：牟永来 李书健
来源：2020分析报告