钛金属在建筑中的应用与争议

法国建筑师安德鲁应邀参加中国国家大剧院设计竞赛，方案一举中标。一石激起千层浪，建筑界对该方案展开了旷日持久的广泛争议。争议的焦点是那个被设计者诩为特色的巨型穹隆。批评者认为，这个形象不合国情，造价太高，且表面容易脏污；而赞誉者曰：“大剧院的造型完全由曲线组成，宛若水中仙阁。灰色的钛金属板和玻璃组成的立面与昼夜的光芒交相辉映，这两种材料的颜色在不同的时间里变幻莫测，是技术与艺术的完美结合。”不论怎样，方案中所采用的大剧院覆层材料———“高科技”金属“钛”以这种尴尬的方式亮相，引起建筑界的关注。本章就钛及钛合金的特性及其在建筑方面的应用实践和前景作一介绍。

在欧洲，早期人们用镀锌钢板制成教堂等建筑物的屋顶。但近几年来不锈钢、铝以及钛等金属材料进入了建筑行业，这些材料被用来做屋顶、屋内装饰、幕墙玻璃的边框以及门窗等，在这些方面使用的材料不仅要求具有一定的强度和良好的耐蚀性，而且还要有良好的装饰性。钛材的本色是灰白色，经过镜面抛光或光亮处理后装饰性很好，特别是制成彩色钛板，其装饰性优于不锈钢和铝材，因此钛在建筑行业上的应用引起了国内外学者的重视。

在各种各样建筑应用中，钛是上乘的选择。这些应用包括外部复层、幕墙、屋顶复层、柱子表面、拱内面、封檐板、天篷、内部复层、灯具以及艺术品、雕塑和纪念物等。因为性能好，钛梁大大小于钢梁，使得建筑师能够实现其审美视觉的需求。航空合金钛板被用来加工成阿布扎比机场的结构梁，机场外部包覆钛板和玻璃。从1997年10月弗兰克设计的古根海姆博物馆开展以来，在世界上不断地用钛来包覆新的商用或住宅项目。古根海姆博物馆已成为建筑钛应用在世界上的一个典范并打开了未来项目之门钛在建筑上的实际应用已在美国、加拿大、苏格兰、英格兰、德国、比利时、秘鲁等国实现，一些新的项目正在瑞典、新加坡和埃及建设中。建筑钛具有抗腐蚀、强度高、质量轻、持久性强好等综合性能，与其他金属相比，钛材寿命长。它还具有独特的反射能力，通过创造性的设计使其特征能得到更大的发挥，使钛显得高度实用。

1.优异的耐蚀性能

建筑钛可以抗城市污染、酸雨、火山灰残留物、工业辐射和其他极端侵蚀性大气条件的腐蚀。钛不会因为紫外线而老化或褪色。钛对酸雨和含硫酸、硫化氢等的腐蚀气体具有优异的耐蚀性，适用于大城市和工业区。钛没有应力、点蚀、间隙腐蚀及其他类型腐蚀。

2.热胀系数低 钛与其他建筑金属材料相比，热胀系数最低。实际上它与玻璃、水泥、砖和石头这些材料非常相似，使设计突出钛和玻璃的特点，钛在建筑项目的设计细节上优于其他金属材料。钛可以被轧成沿屋顶全长连续的板，没有接缝来补偿热胀冷缩，所以钛的热应力非常低，一般来说，钛的热应力是不锈钢的1／2，是铝的1／3。

3.与环境的协调性(www.xing528.com)

由于钛的相对惰性，100％的可以回收而不会降低级别，因此不会污染环境，被认为符合环境要求。其他金属容易受到环境污染物侵蚀或腐蚀，浸出金属离子进入下水中引起环境问题。钛在所有建筑金属中最不活泼，具有使用寿命最长的优势。在阿姆斯特丹的Soheepvaart Maritime博物馆装的钛复层是一个重要的例子，建筑师和政府都以对环境的责任心选择了项目所使用的钛材。

4.质量轻和强度高 钛的密度约为4.51g／cm³，是钢的60％，铜的一半，铝的1.7倍，作为这样一种质量轻的金属，它施加在结构上的载荷较少。钛可以用传统金属成形的方法加工。钛具有优异的强度，而且没有防腐蚀费用，通过设计可使工程进一步减少重量。钛不仅耐久还抗振动，在剧烈运动（地震）时钛抗振性能好，并能抵抗雹暴不受损害。

5.生命周期 保证墙面抗100年的腐蚀。当钛被用作房顶或外墙包层时，它的原材料成本比其他金属高。生产和安装价格与其他金属差不多，因此，从加工到安装好的钛只比不锈钢贵10％。钛优异的耐蚀性避免了修理和不断维护的需要，从总的生命周期成本来讲，钛明显优于其他金属，这种优点在高度腐蚀环境（如滨海城市和工业区）中更为突出。考虑到钛的长寿命周期，它的长期成本性能胜过所有其他建筑金属。

大多数钛合金被开发应用到航空领域，因为那里最重要的考虑因素是力学性能。工业应用时，耐蚀性是关键因素。对建筑应用来讲，美学和抗腐蚀是现代建筑的建筑师和设计师首要考虑的问题。商业纯钛产品（1级和2级钛）是最常作为建筑应用的材料专门加工和处理成建筑用的钛材，其美学效果和不需要表面处理是很突出的优势。

应当说，国家大剧院屋盖选用钛材，乃是严谨的科学之举；而对穹顶技术性能的忧虑，正可以看出钛金属材料在建筑界还比较陌生，它所具有的优越性还没有被广泛认识。随着科学技术的进步，钛的成本不断降低（目前钛的价格是不锈钢价格的10多倍），钛材在建筑领域的用量也会有大幅度的增长，钛金属材料的优越性以及使用钛材料可带来的经济和社会效益将越来越为人所知。钛材在建筑领域有着广阔的应用前景。