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材料选择

面向建筑材料选择的综合知识库，涵盖结构性能、耐久性、热工和声学性能、耐火性、隐含碳、成本及美学品质。在回答材料规格、材料比较、生命周期评估、隐含碳目标、材料节点设计、饰面选择或适材设计策略相关问题时，请调用此技能。

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第 1 节：材料选择方法

1.1 八项评估标准框架

每项建筑材料决策都应根据八项性能标准进行评估。根据项目优先事项（结构仓库 vs. 文化机构 vs. 社会住房）为各项标准赋予权重。

标准 1：结构性能

• 抗压强度（MPa）
• 抗拉强度（MPa）
• 弹性模量（GPa）
• 屈服强度和延性
• 动荷载下的抗疲劳性能
• 跨高比能力
• 连接和接合方式

标准 2：耐久性和耐候性

• 设计寿命预期（25、50、60、100+ 年）
• 抵抗潮湿、冻融、紫外线、污染和生物侵蚀的能力
• 维护频率和成本
• 包浆和老化特征（历久弥新 vs. 逐渐劣化）
• EN 206 暴露等级（混凝土）；EN 350 耐久性等级（木材）
• 耐腐蚀性（金属）；泛碱（砌体）

标准 3：热工性能

• 导热系数（λ，W/mK）
• 比热容（c，J/kgK）
• 热惰性（衰减延迟、热纳）
• 对 U 值计算的影响
• 热桥风险（节点处的 ψ 值）

标准 4：声学性能

• 吸声系数（α）和 NRC
• 隔声指数（Rw，dB）
• 撞击声隔声（Ln,w）
• 侧向传声路径
• 共振频率（用于板式吸声体）

标准 5：防火性能

• Euroclass 等级（A1 至 F）/ ASTM E84（A、B、C 级）
• 耐火时限（REI 30 至 REI 240）
• 对火反应（可燃性、火焰蔓延、烟气产生）
• 炭化速率（木材：软木 0.65 mm/min，硬木 0.50 mm/min）
• 达到耐火等级所需的混凝土保护层厚度
• 钢材的膨胀型和板材防火保护

标准 6：隐含碳和可持续性

• 隐含碳（kgCO2e/kg、kgCO2e/m² 或 kgCO2e/m³）
• LCA 阶段 A1-A5、B1-B7、C1-C4、D
• 可回收性和再生材料含量
• 可再生/不可再生资源基础
• 运输距离（本地 vs. 进口）
• 循环经济潜力（可拆解设计）

标准 7：成本

• 材料成本（每 m²、每 m³、每延米）
• 安装人工成本
• 设计寿命内的维护和更换成本
• 全寿命成本（初始成本 + 维护 + 更换 + 寿命终止成本）
• 供应链可靠性和交货周期

标准 8：美学品质

• 颜色、肌理、图案、透光性
• 表面饰面选项
• 老化特征和包浆
• 尺度和模数关系
• 构造表达（材料的真实呈现）
• 环境适配性（地方材料、文化联想）

1.2 决策矩阵模板

评分：每项标准按 1（差）至 5（优）评分。根据项目优先事项应用权重系数（1.0-3.0）。

标准	权重	方案 A（得分）	A 加权得分	方案 B（得分）	B 加权得分	方案 C（得分）	C 加权得分
结构	1.5
耐久性	2.0
热工	1.5
声学	1.0
防火	2.0
隐含碳	2.5
成本	2.0
美学	1.5
总计	14.0		Σ		Σ		Σ

**解读：**加权总分最高者为首选方案。敏感性分析：将权重上下调整 ±0.5，检验结果稳健性。如果方案得分相差在 5% 以内，则视为相当，并根据定性因素作出决定。

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第 2 节：混凝土

2.1 类型

现浇混凝土：

• 在现场浇入模板；在原位养护
• 形式和几何形态的灵活性最高
• 强度等级：C20/25（基础）、C30/37（结构框架）、C40/50（高层建筑柱）、C50/60（预应力）
• 最低强度以 28 天为准；强度在数月内持续增长

预制混凝土：

• 工厂生产的构件（梁、柱、板、楼梯、楼板）
• 质量控制更佳；饰面一致；安装迅速
• 空心芯板：厚 150-500 mm，跨度 6-16 m
• 夹芯板：在单个构件中集成结构层、保温层和面层

玻璃纤维增强混凝土（GRC/GFRC）：

• 厚度为 10-25 mm 的混凝土板，内含耐碱玻璃纤维
• 轻质：15-20 kg/m²（而实心预制混凝土为 100+ kg/m²）
• 用于覆层和立面；可实现复杂的曲面造型
• 抗弯强度：20-30 MPa（而普通混凝土为 3-5 MPa）

超高性能混凝土（UHPC）：

• 抗压强度：120-200 MPa（而普通混凝土为 30-50 MPa）
• 以钢纤维增强；薄截面无需传统钢筋
• 密度：2,400-2,600 kg/m³
• 可实现极薄构件（结构墙厚 25-75 mm，板厚 15-30 mm）
• 微裂缝可自愈；耐久性卓越
• 成本：普通混凝土的 5-10 倍
• 代表案例：马赛 MUCEM（Ricciotti）、Ductal 桥梁

自密实混凝土（SCC）：

• 靠自身重量流动；无需振捣
• 饰面质量出色；可填满复杂模板，避免空洞
• 用于对饰面要求严格的建筑清水混凝土

2.2 饰面

饰面	工艺	质感	典型成本增幅
木板纹	使用锯切木模板；木纹转印至表面	粗糙、有方向性	+10-20%
钢模成型	使用钢模板或树脂涂层胶合板模板	光滑、均匀	基准
抛光	养护后进行金刚石打磨	镜面效果，露出骨料	+30-50%
酸蚀	酸洗去除表层水泥浆	露出细骨料	+15-25%
喷砂	喷射磨料	露出粗骨料	+20-30%
凿毛	机械锤击	粗糙，类似石材	+25-40%
着色	掺入氧化物颜料	通体着色	+15-30%
白色混凝土	白色波特兰水泥 + 白色骨料	明亮的白色	+40-60%
织物成型	使用柔性纺织模板	自然、有垂坠感	+20-50%

2.3 主要性能

• 密度：2,300-2,400 kg/m³（普通重量）；1,400-1,800 kg/m³（轻质）
• 导热系数：1.0-1.8 W/mK（普通）；0.5-0.8（轻质）
• 比热容：840-1,000 J/kgK
• 热纳量：5.0-6.0 W/m²K（蓄热性能出色）
• 隐含碳：150-200 kgCO2e/m³（标准 OPC 混凝土）；80-120 kgCO2e/m³（以 GGBS/PFA 替代的低碳混凝土）
• 耐火等级：本身不燃（Euroclass A1）。耐火所需混凝土保护层厚度：25 mm（REI 60）、35 mm（REI 90）、40 mm（REI 120）、55 mm（REI 240）

2.4 混凝土建筑师

• Tadao Ando： 光滑的木板纹饰面，系杆孔排列精准（600 mm 网格）；光之教堂、直岛美术馆
• Peter Zumthor： 纹理丰富、层次分明的混凝土（瓦尔斯温泉浴场——当地石英岩骨料；布鲁德·克劳斯礼拜堂——烧焦木材内模）
• Louis Kahn： 结构外露的纪念性混凝土（索尔克研究所、达卡国民议会大厦——混凝土 + 大理石骨料）
• Oscar Niemeyer： 雕塑般的白色混凝土（巴西利亚大教堂——双曲面壳体；尼泰罗伊当代艺术博物馆）
• Le Corbusier： 清水混凝土（马赛公寓、昌迪加尔——木板纹清水混凝土）
• Zaha Hadid： 以 UHPC 和 GRC 实现流动的几何形态（海达尔·阿利耶夫中心——GRC 板）
• Grafton Architects： 将粗粝的清水混凝土用作公共建筑材料（利马 UTEC、博科尼大学）

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第 3 节：钢材

3.1 结构钢牌号

牌号（EN）	屈服强度（MPa）	抗拉强度（MPa）	主要用途
S235	235	360-510	轻型结构、次要钢构件
S275	275	410-560	通用建筑框架
S355	355	470-630	最常见的结构钢牌号；梁、柱
S460	460	540-720	高层建筑、大跨度结构、重载结构

ASTM 等效牌号： A36（≈S235）、A992（≈S345-S355）、A572 Gr 50（≈S345）

3.2 不锈钢

• 304（18/8）： 含 18% 铬、8% 镍。通用型，适用于室内和轻度户外环境。屈服强度为 210 MPa。
• 316（18/10/3）： 添加钼以增强耐腐蚀性。适用于海洋和污染环境。屈服强度为 220 MPa。成本：比 304 高 30-40%。
• 双相钢 2205： 高强度（屈服强度为 450 MPa）且耐腐蚀。用于结构工程。成本：比 304 高 50-70%。

3.3 耐候钢（Corten A/B）

• 形成稳定的氧化锈层，可保护底层钢材
• 无需涂漆；刮伤后可自我修复
• 锈层形成：完全形成需 2-5 年；颜色由橙色逐渐变为深棕色
• 重要： 不可用于径流会污染邻近材料（石灰石、混凝土）的场所。需通过细部设计控制污渍。不适用于海洋环境（氯化物会阻碍稳定锈层的形成）。
• 代表性作品：Angel of the North（Gormley）、Barclays Center Brooklyn（SHoP）、CaixaForum Madrid（Herzog & de Meuron）

3.4 表面处理

• 涂漆： 工厂涂底漆和面漆。每 15-25 年重新涂装一次。最常见。
• 镀锌（热浸）： 锌涂层厚度为 45-85 µm；在温和环境中使用寿命为 40-60 年。呈哑光银灰色。
• 粉末涂层： 热固性聚合物；颜色选择不受限；户外使用寿命为 20-30 年。采用聚酯（标准型）或 PVDF（高端型，使用寿命超过 30 年）。
• 拉丝/抛光： 用于不锈钢；有多种等级（No.4 拉丝、No.8 镜面）。
• 做旧： 施加锈层（通过化学方法加速自然氧化）；用于青铜、铜、钢的可控表面处理。

3.5 关键性能

• 密度：7,850 kg/m³
• 热导率：50 W/mK（碳钢）；16 W/mK（304 不锈钢）——存在显著的热桥风险
• 弹性模量：200-210 GPa
• 隐含碳：1.55 kgCO2e/kg（原生钢，全球平均值）；0.47 kgCO2e/kg（电弧炉再生钢，100% 废钢）。钢材约 90% 可回收。
• 耐火性：约 550°C 时强度损失 50%；在标准火灾中，未做防护的钢材在 15-20 分钟内就会达到这一温度

3.6 防火方法

方法	可达到的耐火等级	厚度	成本（受保护面积，$/m²）
膨胀型防火涂料	REI 30-120	0.5-5.0 mm 干膜厚度	$30-120
喷涂矿物纤维	REI 60-240	15-50 mm	$15-40
板材包覆（硅酸钙）	REI 60-240	15-50 mm	$40-80
混凝土包覆	REI 120-240	25-50 mm	$25-50
充水空心型钢	REI 120+	不适用（空心型钢）	$50-100（系统）

3.7 连接类型

• 螺栓连接： 现场组装；可调节；可拆卸（便于拆解设计，DfD）。采用高强度摩擦型（HSFG）螺栓 M16-M30。
• 焊接： 强度最高；荷载路径连续；优先采用工厂焊接（条件可控）。可现场焊接，但需进行无损检测（NDT）。
• 销接： 真正的销轴（单个螺栓）允许转动；用于桁架节点和门式刚架柱脚。
• 刚接： 抵抗转动；采用螺栓端板连接或焊接。形成用于侧向稳定的刚性框架。

3.8 钢结构建筑师

• Mies van der Rohe： 展现钢框架（Farnsworth House、Crown Hall、Seagram Building——青铜阳极氧化工字钢）
• Norman Foster： 高技派外露钢结构（香港 HSBC 总部、Millennium Bridge、30 St Mary Axe 的网格筒结构）
• Renzo Piano： 轻型钢结构与索结构（与 Rogers 合作的 Centre Pompidou、Menil Collection）
• Santiago Calatrava： 雕塑感钢肋和桅杆（City of Arts and Sciences、Milwaukee Art Museum）
• Peter Rice（Ove Arup）： 铸钢节点和张拉结构（Lloyd's of London、Kansai Airport）

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第 4 节：木材

4.1 软木树种

树种	密度（kg/m³）	强度等级	耐久性（EN 350）	主要用途
欧洲云杉（Picea abies）	380-450	C16-C24	4（较差）	结构框架、CLT
欧洲赤松（Pinus sylvestris）	440-530	C18-C27	3-4	木作、结构用途
花旗松（Pseudotsuga menziesii）	480-560	C24-C30	3（中等）	重型结构、胶合木
西部红柏（Thuja plicata）	330-380	C14-C16	2（耐久）	外墙覆层、木瓦
欧洲落叶松（Larix decidua）	470-560	C24-C27	3（中等）	外墙覆层、露台铺板
西加云杉（Picea sitchensis）	380-440	C16-C20	4（较差）	结构框架

4.2 硬木树种

树种	密度（kg/m³）	耐久性（EN 350）	硬度（Janka，N）	主要用途
欧洲栎（Quercus robur）	600-720	2（耐久）	5,600	结构、地板、木作
印茄木（Milicia excelsa）	550-680	1-2（非常耐久）	5,100	户外木作、覆层
柚木（Tectona grandis）	580-680	1（非常耐久）	4,700	船舶、优质户外用途
Accoya（改性辐射松）	510	1（非常耐久）	4,000	户外、接触地面
美国白蜡木（Fraxinus americana）	600-680	4（较差）	5,900	室内地板、家具
美国黑胡桃木	560-640	3（中等）	4,500	高档木作、护墙板
欧洲山毛榉	660-740	5（不耐久）	6,400	室内地板、家具

4.3 工程木材

胶合木（Glued Laminated Timber）：

• 层板：厚 25-45 mm；采用 MUF 或 PRF 胶粘剂粘合
• 等级：GL24h 至 GL32h（抗弯强度 24-32 MPa）
• 跨度：6-40 m（梁），最高可达 100+ m（拱）
• 梁深：通常为跨度的 1/15 至 1/20
• 截面：宽 100-600 mm，深 200-2,400 mm
• 可弯曲成型（最小半径 ≈ 层板厚度的 175 倍）

交叉层压木材（CLT）：

• 正交铺设的层板（3、5 或 7 层）；通常采用云杉
• 板材尺寸：最大可达 3.5 m × 16 m × 500 mm
• 墙体：厚 100-300 mm；楼板：厚 140-350 mm
• 跨度：4-8 m（楼板）；3-4 m（6 层及以上建筑的墙体）
• 垂直于纹理方向的抗压强度：2.5-3.0 MPa
• 气密性：板材本体天然气密；接缝用胶带或垫片密封

单板层积材（LVL）：

• 3 mm 旋切单板；所有木纹方向平行（与胶合板不同）
• 强度高于同树种锯材：抗弯强度 40-65 MPa
• 可制成梁、立柱和边缘板
• 性能一致、无缺陷

胶合板：

• 交叉层压单板；对称铺层
• 结构等级：护面板厚 12-25 mm；地板厚 18-30 mm
• 船用胶合板：采用 WBP（耐候、耐沸水）胶粘剂；使用热带硬木树种
• 桦木胶合板：表面质量优异，适用于木作和家具

4.4 关键特性（通用软木）

• 密度：350-550 kg/m³（窑干至含水率 12%）
• 导热系数：0.13 W/mK（垂直于纹理方向）——天然隔热材料
• 比热容：1,600 J/kgK
• 隐含碳：-1.0 至 -1.6 kgCO2e/kg（碳负值——生长期间吸收的 CO2 多于加工过程中排放的 CO2）
• 隐含碳（CLT 板）：约 -500 至 -700 kgCO2e/m³，含碳封存量
• 防火性能：Euroclass D（可燃），但炭化速率可预测，因此可以进行防火工程设计
• 炭化速率：0.65 mm/min（软木）、0.50 mm/min（硬木）、0.70 mm/min（胶合木）
• 经防火工程设计的 CLT：通过加大截面尺寸可达到 90-120 分钟耐火时间（每个暴露面增加 40-60 mm 的牺牲炭化层）

4.5 耐久性与防护

EN 350 耐久性等级：

1. 非常耐久（与地面接触时 > 25 年）：柚木、绿柄桑、Accoya
2. 耐久（15-25 年）：橡木、甜栗木、西部红柏
3. 中等耐久（10-15 年）：花旗松、落叶松、欧洲赤松（心材）
4. 略耐久（5-10 年）：云杉、松木（边材）、铁杉-冷杉
5. 不耐久（< 5 年）：山毛榉、白蜡木、桦木（未经处理的室外用材）

防护方法：

• CCA（铜-铬-砷）：适用于 UC4 级地面接触；在欧盟限制用于非工业用途
• 铜基防腐剂（ACQ、MCQ）：获准用于住宅的 CCA 替代品
• 热改性：热处理（180-230°C）可将耐久性提升至 1-2 级；使颜色变深；强度降低 10-20%
• 乙酰化处理（Accoya）：化学改性；1 级耐久性；地上使用享有 50+ 年质保；尺寸稳定性好
• 油/蜡涂层：室外用材每 1-3 年维护涂刷一次；可防紫外线
• 阻燃处理：压力浸渍盐类可达到 Euroclass B（有限可燃性）

4.6 木材建筑师

• 隈研吾： 将木材作为编织/堆叠构件（梼原木桥博物馆、V&A Dundee 木质屏风概念、Prostho Museum GC — 互锁木格栅）
• 坂茂： 结构创新（梅斯蓬皮杜中心 — 胶合木格构壳；Tamedia 办公楼 — 无金属连接件的互锁木框架；纸桥）
• 彼得·卒姆托： 将木材作为感官材料（Steilneset 纪念馆 — 木框架茧形结构；2000 年汉诺威瑞士馆 — 堆叠木梁）
• 赫尔曼·考夫曼： 大规模木材建筑先驱（Illwerke Zentrum Montafon — 8 层 CLT/胶合木混合结构；LifeCycle Tower）
• Heatherwick Studio： 大规模工程木材应用（利兹 Maggie’s 中心 — 木格架）

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第 5 节：砌体

5.1 砖

类型：

• 黏土砖（烧制）： 最常见；烧制温度 900-1,150°C 决定颜色（从浅黄褐色到深红色再到蓝黑色）。抗压强度 10-150 MPa。
• 硅酸钙砖（灰砂砖）： 经高压蒸养制成；尺寸精度一致；颜色有限（白色、灰色、浅色）。强度 15-50 MPa。
• 混凝土砖： 波特兰水泥 + 骨料；可通过颜料呈现丰富色彩。强度 7-40 MPa。
• 工程砖： 高强度（A级 ≥ 70 MPa，B级 ≥ 50 MPa）且吸水率低（A级 < 4.5%，B级 < 7%）。蓝黑色。用于防潮层、挡土墙和地下结构。

标准尺寸：

• 英国标准：215 × 102.5 × 65 mm（协调尺寸：225 × 112.5 × 75 mm，含 10 mm 灰缝）
• 美国模数砖：194 × 92 × 57 mm（7⅝ × 3⅝ × 2¼ in）
• 美国标准砖：203 × 92 × 57 mm
• 公制模数砖：190 × 90 × 57 mm（含灰缝时为 200 × 100 × 67 mm）
• 罗马砖：295 × 90 × 40 mm（细长、薄型）
• 欧洲大陆长砖：490 × 90 × 40-52 mm

砌筑方式：

• 顺砖式（跑砖式）： 全部使用顺砖；上下层错开半砖。用于单叶墙、空腔墙外叶。最常见。
• 弗莱芒式： 每皮交替排列丁砖和顺砖。用于全厚度墙；装饰性强。
• 英式： 丁砖皮与顺砖皮交替砌筑。交错咬合牢固；用于全厚度墙。
• 平砌式： 不错缝；竖缝对齐。纯装饰用途（需加固或贴面施工）。具有现代主义美感。
• 人字式： 砖块按 45° 角交替朝不同方向排列。用于装饰性填充面板；铺路砖。
• 僧侣式： 每皮由两块顺砖和一块丁砖组成。弗莱芒式的变体。
• 丁砖式： 全部使用丁砖；用于全厚度墙。适用于曲墙（放射状砌筑）。

5.2 石材

石材类型	密度（kg/m³）	抗压强度（MPa）	孔隙率	耐久性	隐含碳排放（kgCO2e/kg）
石灰岩（波特兰石）	2,000-2,500	20-60	5-20%	中等至良好	0.09
砂岩（约克石）	2,000-2,400	20-70	5-25%	不定	0.06
花岗岩	2,600-2,800	100-250	0.5-2%	极佳	0.70
大理石（卡拉拉）	2,600-2,800	50-150	0.5-3%	良好（室内）	0.12
板岩	2,600-2,800	100-200	0.1-1%	极佳	0.03-0.05
玄武岩	2,800-3,000	150-300	0.5-2%	极佳	0.60
石灰华	2,200-2,500	30-80	5-15%	中等	0.12

5.3 混凝土砌块

• 实心砌块： 2,000-2,200 kg/m³；抗压强度 7-35 MPa；导热系数 1.0-1.5 W/mK。用于结构墙和基础。
• 轻质骨料砌块： 600-1,400 kg/m³；λ = 0.15-0.50 W/mK。保温性更佳，但结构承载能力较低。
• 加气混凝土（AAC — 蒸压加气混凝土）： 400-800 kg/m³；λ = 0.10-0.20 W/mK；抗压强度 2-7 MPa。用于非承重墙和低层承重墙。热工性能极佳。易于切割和成形。

5.4 砂浆与接缝

砂浆标号（BS EN 998-2）：

• M2（1:2:9 水泥:石灰:砂）：强度较低；适用于历史建筑和软质砖
• M4（1:1:6）：中等强度；适用于 DPC 以上的一般砖砌体
• M6（1:½:4.5）：中等偏强；适用于外墙和中等暴露环境
• M12（1:¼:3）：强度高；适用于工程砖、挡土墙和 DPC 以下部位

勾缝剖面：

• 平缝：耐候性中性；外观简洁现代
• 凹弧缝（内凹）：耐候性良好；最常见
• 斜缝（斜抹）：形成坡面以排水；传统风格
• 凹缝：营造阴影线效果；耐候性差（不适用于暴露位置）
• 深凹缝：深凹以营造醒目的阴影；耐候性最差

隐含碳排放：

• 黏土砖：0.22 kgCO2e/kg（典型值）；0.14（低碳生产）
• 石灰岩毛石：0.09 kgCO2e/kg
• 混凝土砌块：0.08-0.12 kgCO2e/kg
• AAC 砌块：0.28-0.34 kgCO2e/m²（按砌块表面积计）

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第 6 节：玻璃

6.1 玻璃类型

浮法玻璃： 基础退火玻璃。破碎后会形成大片锋利碎片。非安全玻璃。VLT 为 87%（6 mm 透明玻璃）。

钢化玻璃（淬火玻璃）： 经热处理，强度为退火玻璃的 4-5 倍。破碎后形成小颗粒。适用于门、栏杆和高空部位的安全玻璃。钢化后无法切割。

夹层玻璃： 两层或多层玻璃通过 PVB 或 SentryGlas 中间层粘合。破碎后仍保持整体。可用于安全、防护、隔音和紫外线过滤。结构玻璃中间层（SentryGlas）可实现更大跨度。

中空玻璃单元（IGU）： 两片或三片玻璃由间隔条分隔，并以密封腔体（空气、氩气、氪气）隔开。U 值：双层空气 2.8、双层氩气 1.1-1.3、三层氩气 0.5-0.7 W/m²K。

着色玻璃： 本体着色（灰色、青铜色、绿色、蓝色）。降低 VLT 和 SHGC。吸收太阳能（导致玻璃升温）。

Low-E 镀膜玻璃： 金属氧化物镀层可反射长波红外辐射。软镀膜（溅射、热解）位于 IGU 的第 2 或第 3 面。可将 U 值降低 30-50%。

太阳能控制玻璃： 选择性镀膜，可透过可见光，同时阻隔太阳红外线。VLT:SHGC 比值（选择性）≥ 1.5 为良好；≥ 2.0 为极佳。

防火玻璃： 夹丝玻璃（30 分钟耐火完整性，无隔热性）；填充膨胀凝胶（30-120 分钟耐火完整性及隔热性）；硼硅酸盐玻璃（仅具完整性）。

压花/纹理玻璃： 在一个表面压制图案。透光但遮挡视线。包括条纹、凹槽、锤纹和点纹。

印刷/陶瓷釉料玻璃： 将陶瓷釉料丝网印刷并熔附于玻璃表面。用于遮阳、鸟类安全和装饰。釉料覆盖率为 20-60%。

蚀刻/喷砂玻璃： 通过酸蚀或磨料处理表面，以实现半透明或隐私效果。VLT 降低 5-15%。

二向色玻璃： 真空沉积的金属层可产生随角度变化的颜色效果。透射色与反射色互为补色。

6.2 结构玻璃

• 玻璃肋： 支撑玻璃幕墙的竖向玻璃板。采用钢化夹层玻璃。深度 150-500 mm；跨度 4-12 m。
• 玻璃梁： 用于支撑屋顶的夹层玻璃梁。通常采用三层钢化夹层玻璃。跨度 3-8 m。
• 玻璃地板： 钢化夹层玻璃板；为确保冗余，至少采用 3 层。表面须进行防滑处理。典型设计荷载：5 kN/m²。
• 玻璃柱： 较少见；捆束玻璃管柱（Apple Store）；实心玻璃块（MVRDV 设计的东京 Hermès 门店）。
• 点支式玻璃： 不锈钢螺栓穿过钻孔固定；采用驳接爪。无需框架即可实现最大通透性。

6.3 关键性能

• 密度：2,500 kg/m³
• 抗压强度：800-1,000 MPa（极少成为控制因素）
• 抗拉强度：30-70 MPa（退火玻璃）；120-200 MPa（钢化玻璃）。玻璃会因受拉而破坏。
• 弹性模量：70 GPa
• 导热系数：1.0 W/mK
• 热膨胀系数：9 × 10⁻⁶ /°C
• 隔声性能：单片 6 mm 玻璃的 Rw ≈ 31 dB；夹层 6.4 mm 玻璃的 Rw ≈ 34 dB；4-16-4 中空玻璃的 Rw ≈ 29 dB（吻合效应低谷）

6.4 玻璃建筑师

• Norman Foster： 结构玻璃创新（30 St Mary Axe 的 diagrid 结构、Apple Park、大英博物馆大中庭——玻璃屋顶）
• Renzo Piano： 层叠式玻璃表皮（Shard、Fondation Beyeler、加州科学院）
• SANAA（Sejima + Nishizawa）： 极简玻璃围护结构（New Museum、Rolex Learning Center、Toledo Glass Pavilion——弧形玻璃墙）
• Jean Nouvel： 将玻璃作为文化叙事手法（阿拉伯世界研究院、Fondation Cartier——透明层）
• Apple Store（Foster + Partners / Bohlin Cywinski Jackson）： 全玻璃结构；玻璃肋、玻璃梁、玻璃楼梯

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第 7 节：金属与复合材料

7.1 铝

• 密度：2,700 kg/m³（钢的 1/3）
• 抗拉强度：70-310 MPa（取决于合金；6063-T6：205 MPa）
• 导热系数：160-200 W/mK（存在严重热桥；窗框／幕墙型材需要设置隔热断桥）
• 隐含碳：8.2 kgCO2e/kg（原生铝）；0.5 kgCO2e/kg（再生铝）。有史以来生产的铝中，约 75% 仍在使用。
• 表面处理：阳极氧化（10-25 µm；天然银色、青铜色、黑色；使用寿命 30 年以上）、粉末喷涂（60-80 µm 聚酯涂层；任意颜色；使用寿命 20-30 年）、PVDF 涂层（高端；使用寿命 40 年以上）
• 应用：幕墙竖梃和横梁、窗框、覆层板、直立锁边屋面、太阳能遮阳百叶

7.2 锌

• 密度：7,130 kg/m³
• 自愈合铜锈层：天然锌经过 5-10 年会形成灰色碳酸盐铜锈层
• 预钝化选项：预风化灰色、蓝灰色、石墨色、着色
• 厚度：屋面／覆层用 0.7-1.0 mm（直立锁边、平锁边板瓦、木瓦式板材）
• 隐含碳：3.1 kgCO2e/kg（原生锌）；可大规模回收
• 最小坡度：3°（直立锁边）；25°（搭接板瓦）
• 使用寿命：温和气候下为 80-100 年
• 应用：屋面、墙面覆层、雨水系统、泛水板

7.3 铜与青铜

铜：

• 密度：8,900 kg/m³
• 铜锈层变化：亮铜色 → 棕色（数月）→ 深棕色（1-3 年）→ 绿锈（7-15 年，取决于气候）
• 可选预钝化和镀锡处理
• 厚度：屋面用 0.6-0.7 mm；雕塑／覆层用 3-6 mm
• 隐含碳：2.7 kgCO2e/kg（原生铜）；0.5（再生铜）
• 使用寿命：100-200 年以上（历史先例：教堂屋顶可使用 300 年以上）
• 应用：屋面、覆层、泛水板、雨水系统、特色饰面板

青铜：

• 铜锡合金（通常为 90/10 或 85/15）
• 呈浓郁的金棕色铜锈；颜色比铜更深
• 用于门、扶手、窗框和雕塑构件
• 建筑师：Mies van der Rohe（Seagram Building——青铜工字梁）、Carlo Scarpa（Brion 公墓——青铜大门）

7.4 钛

• 密度：4,510 kg/m³（为钢的 57%）
• 耐腐蚀性：在所有环境中均优于不锈钢
• 隐含碳：14.1 kgCO2e/kg（常见金属中最高）
• 成本：每 kg 是结构钢的 10-20 倍
• 表面：哑光灰色；可通过阳极氧化呈现虹彩色
• 典范：古根海姆毕尔巴鄂博物馆（Frank Gehry，1997 年）——采用 33,000 m²、厚 0.38 mm 的钛板；鱼鳞状覆层；颜色随光线和天气变化

7.5 ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）

• 密度：1,750 kg/m³（按每 m² 计，仅为玻璃重量的 1%）
• 透光率：90-95%（透明单层）；40-60%（印刷／压花）
• 抗拉强度：40-50 MPa（薄膜厚度为 50-300 µm）
• 自清洁：表面不粘，无需清洗维护
• 气枕：2-5 层，以 200-600 Pa 充气；U 值为 1.8-3.5 W/m²K
• 使用寿命：25-50 年（抗紫外线氟聚合物）
• 典范：伊甸园计划（Grimshaw）、安联球场（H&dM）、北京国家游泳中心（PTW）、可汗沙特尔（Foster）

7.6 GRP/FRP（玻璃／纤维增强聚合物）

• 密度：1,500-2,000 kg/m³
• 抗拉强度：100-400 MPa
• 导热系数：0.3 W/mK（不导热；不会形成热桥）
• 耐腐蚀；无需维护
• 可塑造成任意形状（曲面板、装饰构件、仿古建筑细部）
• 应用：覆层板、窗框饰边、檐口、柱子（仿石材／木材外观）

7.7 陶土

• 以黏土为原料；经挤压或压制成型；在 1,000-1,200°C 下烧制
• **雨幕覆层：**挤压成型的中空型材；厚 20-40 mm；设背通风空腔
• **陶土管／棒：**水平或垂直的管状／叶片状构件，用于遮阳和立面造型
• **釉面陶土：**表面覆盖玻璃质涂层；颜色不限；可自清洁
• 密度：1,800-2,100 kg/m³
• 防火等级：Euroclass A1（不燃）
• 隐含碳：0.45 kgCO2e/kg
• 典范：伦敦自然历史博物馆（Waterhouse）、Renzo Piano（伦敦中央圣吉尔斯——彩色陶土）、MVRDV（鹿特丹 Markthal——印花陶土拱门）

7.8 陶瓷砖和覆层

• 瓷质砖：吸水率 < 0.5%；耐冻；大规格厚度为 12-20 mm（最大可达 1.6 m × 3.2 m）
• 炻器：吸水率 0.5-3%；耐久性良好；可上釉或不上釉
• 陶器：吸水率 > 3%；仅用于室内；可手工装饰（zellige、azulejo）
• 防火等级：Euroclass A1
• 应用：立面覆层（通风雨幕）、地面／墙面饰面、泳池周边

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第 8 节：生命周期评估（LCA）

8.1 全生命周期碳排放

总碳排放 = 隐含碳（A1-A5、B1-B5、C1-C4）+ 运营碳（B6-B7）

随着建筑能效不断提高，隐含碳成为主要组成部分（对于达到被动式房屋标准的建筑，占全生命周期碳排放的 50-80%）。

8.2 LCA 阶段（EN 15978）

产品阶段（A1-A3）：

• A1：原材料开采
• A2：运输至制造商
• A3：制造
• 这部分是“从摇篮到工厂大门”的隐含碳——最常报告的类别

施工阶段（A4-A5）：

• A4：运输至工地
• A5：施工／安装过程（能源、废弃物、临时工程）

使用阶段（B1-B7）：

• B1：已安装产品的使用（例如，混凝土碳化）
• B2：维护
• B3：修理
• B4：更换（使用寿命短于建筑的构件）
• B5：翻新
• B6：运营能源使用
• B7：运营用水

寿命终结阶段（C1-C4）：

• C1：拆解／拆除
• C2：运输至处置／回收地点
• C3：废弃物处理
• C4：处置（填埋）

超出生命周期（D 模块）：

• 再利用、回收、能源回收的减碳收益
• 单独报告（不计入 A-C 总量）
• 钢材回收收益：-1.3 至 -1.5 kgCO2e/kg
• 木材再利用／能源回收收益：因情况而异

8.3 隐含碳基准

LETI（伦敦能源转型倡议）目标：

建筑类型	2020 年目标（kgCO2e/m² GIA）	2030 年目标	备注
办公楼	< 600	< 350	A1-A5 阶段的前期碳排放
住宅	< 500	< 300	A1-A5 阶段的前期碳排放
学校	< 500	< 300	A1-A5 阶段的前期碳排放
零售/仓库	< 550	< 350	A1-A5 阶段的前期碳排放

RIBA 2030 气候挑战：

• 2020 年：< 600 kgCO2e/m²（A1-A5）
• 2025 年：< 450 kgCO2e/m²
• 2030 年：< 300 kgCO2e/m²

IStructE 目标（仅结构）：

• 住宅：< 300 kgCO2e/m²（典型值）；< 200（最佳实践）
• 办公楼：< 350 kgCO2e/m²（典型值）；< 250（最佳实践）
• 同类最佳的木结构建筑：< 150 kgCO2e/m²（结构）

8.4 材料层面的隐含碳

材料	单位	隐含碳（kgCO2e）	备注
混凝土（C30/37，OPC）	每 m³	180-240	使用 30-50% GGBS 替代后降至 100-150
结构钢（原生）	每 kg	1.55	全球平均值；英国约为 2.0
结构钢（再生，EAF）	每 kg	0.47	电弧炉，100% 废钢
钢筋	每 kg	1.40	再生成分通常较高
软木（锯材）	每 kg	-1.0 至 -1.6	碳封存量超过加工产生的排放
CLT 板	每 m³	-500 至 -700	包含生物源碳
胶合木	每 m³	-450 至 -600	包含生物源碳
黏土砖	每 kg	0.22	根据窑炉不同，范围为 0.14-0.30
石灰石（波特兰）	每 kg	0.09	加工能耗低
铝（原生）	每 kg	8.20	能耗高；尽可能使用再生铝
铝（再生）	每 kg	0.50	比原生铝减少 94%
浮法玻璃	每 kg	0.86
矿棉保温材料	每 kg	1.20
PIR 保温材料	每 kg	4.20	因发泡剂而偏高
XPS 保温材料	每 kg	4.40	各类保温材料中最高
木纤维保温材料	每 kg	-1.10	负碳
石膏板	每 kg	0.12	低碳；可回收
铜	每 kg	2.70	高可回收性可抵消部分影响
锌	每 kg	3.10
ETFE	每 kg	6.50	每 m² 用量非常少

8.5 材料护照与循环经济

**材料护照：**记录建筑中所有材料和构件的数字档案，包括类型、数量、位置、质量、毒性和可回收性。可支持未来的回收与再利用。

建筑设计的循环经济原则：

1. 为长久使用而设计：选用耐久材料，采用可调整的布局
2. 为拆解而设计（DfD）：采用螺栓连接（而非焊接/粘接）、分层构造（立面与结构分离）、固定件易于接触
3. 为再利用而设计：采用标准尺寸，确保无损拆除，建立材料储备库
4. 使用再生成分：规定钢材（可实现 90% 以上）、铝材（50% 以上）、混凝土骨料（20-30% RCA）的最低再生成分
5. 使用可再生材料：木材、竹材、麻石灰、稻草、土
6. 消除浪费：模块化协调、预制、优化数字切割

循环设计典范：

• Triodos Bank HQ（RAU Architects，2019 年，Driebergen）——木结构可完全拆卸；采用螺栓钢连接；每个构件都记录在材料护照中（Madaster 平台）
• Park 20|20（William McDonough，阿姆斯特丹）——获得从摇篮到摇篮认证；立面可拆卸；所有建筑均配有材料护照