钛在建材中的应用实例

钛在建筑方面的应用，日本走在世界的前列，他们首先在建筑上大面积使用钛材。

1.钛屋顶

世界上最早的钛制屋顶是东邦钛业公司于1972年12月完成的早吸日女神社的屋顶，使用了0.3mm厚的钛板，面积约150m²。早吸日女神社位于海滨地区，近邻别府温泉，气候潮湿，所以使用了耐蚀性好的钛作屋顶。该屋顶到现在历经30多年，已不同于刚竣工时的原貌，表面光泽黯淡，在一定光线下呈紫色，主要部分色泽微有变化（因钛的耐蚀性极好，估计可能是水垢造成的），但强度依旧。关于色泽的变化有必要进一步进行科学调查，作为世界上最早的钛屋顶，其外观变化不大，可能是因为历经的时间还不算太长，但仍是建筑科学技术史上宝贵的文化财富。

此后，1974年和1975年使用钛材的建筑物相继出现，并且面积不断地增大。1987年建成的静冈县真光教神殿的屋顶和龙骨均采用钛材，面积高达35000m²。据日本建筑行业统计，全日本1986年使用钛材的建筑物为12座，1987年为28座，1990年发展为42座，总重量为58.6t，面积为16356.8m²，累积到1990年底，共有240座建筑使用了钛材，总重量为400t。从建筑物的类型来看，主要是神社和寺庙等较普通的建筑。

东京电力株式会社的电力馆建于1984年，其目的是展示其发电量。电力馆的屋顶呈圆形，使用的钛板为0.3mm厚，总面积720m²。抛光后呈并不耀眼的黄金色，设计风格为菱形铺法与一字形铺法相结合。电力馆的屋顶面积并不大，但却为以后的大面积用钛作屋顶建材奠定了基础（如1993年建的福冈圆屋顶），近看历经风风雨雨的钛屋顶光泽并未消失，但屋顶有从上到下延伸的细长的污物（一般认为是水垢）和三角窗下部的黑色污物，每年进行一次清理不仅花费大且清除不彻底。圆形屋顶的顶部安装有环状的配管，这是屋顶施工时为融化积雪而设计的。电力馆虽有几多变化，但看起来依旧素雅、沉稳。

2.钛外壁

三荣金属总社大楼建于1986年，整个外壁使用的钛材超过1000m²，在钛建材领域，无论是在日本还是在世界上均属首创。当初设计时打算采用铝，但因大楼建在高速公路旁，易被腐蚀，因此决定使用金属钛。由于全部用钛造价太高，最后使用了把10mm厚的硅酸钙板压接于0.6mm厚的钛板上的复合板，这样既降低了成本又确保了外壁的平坦度，为了把墙壁间的色调差减到最小，复合板组合时对色调进行了分组，因而外壁色彩斑斓，至今已过几十年，但大楼依旧光彩夺目。

3.钛锌金属板屋顶

建筑师在设计建筑方案时，常常有这样的烦恼：当他产生一个独特的创意，想在建筑造型、色彩、空间造型和材料运用方面有所创新时，往往苦于思考在实际施工中有哪些切实可行的施工方法和材料可以实现他的设计意图。能够表现建筑物风格的，除了表现空间造型线条外，最具表现力的恐怕就要数具有特异造型的屋顶了，这也是目前的流行趋势。就目前而言，国内应用于屋顶面的材料，主要是瓦片、彩钢板（主要运用在工业厂房、临时设施方面）、铝板。而这些材料可用于弯弧造型的只有铝板，但目前在施工中所采用的方法多为以硅胶嵌缝防水系统为主，其屋面的使用期限往往受限于硅胶的寿命和铝板涂漆的使用寿命。

钛锌金属板可以实现任何造型，如弯弧、椭圆、坡顶或多种特异造型的组合，如球形、凹形、弯顶等，同时又是具有自然美观色彩的环保性产品。钛锌金属板是在金属锌中加入少量钛和铜之后形成的锌合金（锌的质量分数约为99.995％）。由于加入了钛使钛锌合金的抗蠕变性得到改善，即长期使用过程中，变形也很小，同时由于铜的加入，增加了钛锌合金的抗拉强度，两者的共同作用，使钛锌金属板的热胀系数得以降低。在自然大气环境下，钛锌表面会慢慢形成一层碳酸锌保护膜，能自动愈合面层划痕，阻止外界对金属的进一步腐蚀，保证钛锌长期的使用寿命，一般可以达80年以上这也就是为什么钛锌被称为自保性耐腐蚀金属的原因。

钛锌金属板在自然的阳光下呈吸引人的浅灰色或浅灰-蓝颜色，使用在建筑屋面上与周围环境非常协调，并且由于它是金属，屋面效果具有金属特有的质感，非常符合现代人对现代建筑的审美心理需求。钛锌金属板是一种轻质屋面材料，它的密度是7.18g／cm³。典型的屋面板厚度一般采用0.7mm或0.8mm。根据建筑物所处的地理位置和周围环境来确定。由于它优越的拉伸性能，在实际施工时，可以将钛锌板折叠、扭转，使其在转角、边缘、立边等位置不必将钛锌板剪断，起到良好的结构性放水、排水效果。

钛锌板的生产从熔炼开始，到加工成最后的卷材，是在一条生产线上完成的，其过程全部采用计算机监控，保证最终产品的质量。目前应用钛锌板的屋面施工技术是欧洲和北美已应用上百年的立边咬合接口屋面技术，其特点是屋面系统轻，有通风循环理念、结构性放水、采用专业机械进行连接部位的咬口，为建筑师设计特殊造型的梦想创造了充分的条件，也为钛锌板的应用提供了良好的技术支持。因为钛锌板具有优异技术性能和不污染环境的环保特性，所以被世界各国大量地运用到本国的标志性建筑、办公设施、别墅上。如德国的古特斯劳游泳池凹型屋顶、德国汉诺威展馆信息中心、92国际博览会加拿大馆、葡萄牙里斯本98世界博览会乌托邦会展中心等。因此，钛锌金属板的运用会随着对建筑造型要求不断提高而越来越广泛地受到建筑师和业主青睐。

4.钛纪念碑

日本西部气体总社于1988年完工的花气塔使用了3.0mm厚的抛光钛板，这座由菊花清文设计的花气塔即雕刻纪念碑，白天镜面辉映天空，夜幕下燃气灯灯火明亮，暖意融融。特别是在夜间，气体中的种种金属盐相互混合，燃烧时发生颜色反应，令人赏心悦目。建塔时，考虑到气体燃烧时产生硫酸气等腐蚀性气体，喷嘴周围部件易被腐蚀因此，选择了耐蚀性好的钛作为建筑材料。据花气塔的管理人员说，至今镜面仍保持得洁净如玉。的确，这座耸立于十字路口的花气塔，虽经历二十余年，但仍干净非凡。 5.建筑用镀膜玻璃

20世纪90年代中期，美国研制出钛金安全薄膜。这种透明薄膜由高强度塑料、碳素纤维及金属钛以特殊结构复合而成。它特别对玻璃具有优良的保护功能，贴上钛金安全薄膜后的玻璃，强度可提高4倍以上，钛膜安全玻璃具有防弹、防爆的功能，以及很好的抗紫外线功能和优良的隔热、保温性能。钛膜安全玻璃同时还具有防腐蚀、耐酸碱的功能，并可承受－70℃至150℃的温度变化而性能不变。它集安全性、节能性、装饰性于一身，因而被建筑业人士看好。

在今天的每个城市里，用各种颜色的镀膜玻璃装饰的建筑物鳞次栉比，有耸立的大厦，也有小巧玲珑的酒吧，它们像一块块巨大的宝石镶嵌在地球上。北京长城饭店是我国第一个采用镀膜玻璃的高层建筑，共用去2000m²的镀膜玻璃，耗资800万美元。我国从20世纪80年代初开始研究了这项技术，时至今日，这一技术已经蓬勃发展起来了。在全国范围内出现了许多镀膜玻璃厂。镀膜玻璃的制备方法主要有两种，一种是高真空蒸发镀法，另一种是磁控溅射法。这两种制备方法均要用到钛材。

镀膜玻璃就是在玻璃的表面沉积一层纯金属或合金膜，其厚度遵守λ／4（λ是光线的波长）的原则，使一部分可见光和大部分红外线反射，起到隔热保温的目的。根据制备方法的不同，膜层材料也不同，高真空镀膜法的膜系为TA1、TC4和组合材料TiO₂-Al-TiO₂，从实验中可知，TA1和TC4是最理想的材料，但是，由于它们的熔点高达1668℃以上，很难蒸发，因此现在通常采用TiO₂-Al-TiO₂膜系。用高真空镀膜法制备的镀膜玻璃属于中低档的产品。对于磁控溅射法来说，镀膜玻璃的膜系主要是Ti、TiN和TiO₂，它们的靶材均是钛，在真空下用辉光放电使钛靶溅射，溅射出来的Ti＋与反应气体N2或O₂反应生成TiN或TiO₂，沉积在镀膜玻璃上。由于钛为银白色，TiN为金黄色，TiO₂可以为多种颜色，因此，磁控溅射法制备的镀膜玻璃颜色品种多、膜层的耐磨性好和膜层的结合力强，这种镀膜玻璃属于高档镀膜玻璃，每年仅控磁溅射法制备镀膜玻璃用钛板量为20～25t，钛材在建筑用镀膜玻璃上的应用前景很好。

钛在日本建材的应用实例还有：日本人引以为自豪的漫画家手冢治虫纪念馆的墙壁就采用了彩色钛，其用量为4.1t，面积173m²；由世界著名的美国设计师恺撒佩里设计的海鹰宾馆，水晶花园的屋顶钛使用量为1.2t，面积903m²；彩色钛纪念碑钛材用量为0.2t，面积220m²；外形看似扬帆的首都多摩川第一换气所及高川崎第一换气所的墙壁也使用了钛，前者的使用量为15t，面积3700m²，后者的使用面积为2100m²，是川崎市民小憩时的好景观；靠近海岸，位于火山地带的大岛支厅厅舍的墙壁使用了2mm厚的钛板，质感特好，使用量6t，面积200m²，屋顶等使用量为5.1t，面积623m²，位于海滨地区的冲绳武道馆练成栋复合曲面屋顶也使用了钛，采用了缝焊，不仅看起来美观其水密性也好；另外，叶山国际乡村俱乐部的彩色屋顶也使用了钛。

钛在日本建筑上用钛量这么大而且需求日益增长的原因之一是钛的耐蚀性。日本人大多居住在沿海地区、火山地区和温泉区，常有腐蚀发生，再加上汽车废气造成的酸雨和重工业产生的烟尘等使环境被严重破坏，钛的最大优点之一是在上述情况下不会被腐蚀，钛与不锈钢比较，钛具有防锈、抗孔蚀、抗晶间腐蚀、抗应力腐蚀开裂的优点。第二个原因是钛的一系列独特的物理特性，如钛的密度小，作屋顶和幕墙材料可以减轻重量；钛的热胀系数低，在热膨胀和收缩方面几乎与玻璃、砖瓦和石头相等，适于作墙和顶材料；钛的弹性模量低，只是铁和不锈钢的一半，钛不但软而且易弯曲，只是成形时有点反弹；钛还可阳极化着色，呈现独特色彩，同时又属非易燃材料。第三个原因是钛具有建筑材料所需要的加工性能，钛大多是以薄板形式用作房屋顶和墙壁的。由于钛软度适中，可轧性、板材平直度均较好，表面粗糙度较低，着色也较均匀，可采用轧制成形、缝焊、折叠、钨极惰性气体保护焊（TIG焊）、定位焊加工成屋顶，也可通过机械切割、弯曲、TIG焊加工成墙壁。最后一点是钛的成本，以每公斤成本计算，钛大约是不锈钢的10倍，但钛和氟塑料预涂不锈钢房顶最初的建造成本相比，考虑到两者间密度、耐蚀性等差别，这个范围可缩小到8倍左右，如果再考虑到钛无须维护、修理等特点，钛的长期使用成本胜过其他做屋顶的建筑材料。

除了日本，钛在欧美的一些国家及我国的建筑方面也得到了很大的应用。1997年西班牙毕尔巴鄂市的古根海姆博物馆建成，被认为是面向21世纪的博物馆。其造型由曲面块体组合而成，用闪闪发光的钛金属饰面，是结构主义前卫建筑师盖里的又一杰作，被美国《时代》周刊称为“现代巴洛克明珠”，有诗一般的动感。

我国是世界上钛储量最多的国家之一。起初钛材仅用于航空及军工领域，20世纪80年代国家确定了大力推广钛材民用的方针，又适时地采取了扶持的政策，经过几十年的发展，我国钛工业已走上了稳定发展的道路。我国最先提出应用钛材的建筑是国家大剧院，最先应用的是杭州大剧院。应用钛材的建筑还有北京设计院大门厅、杭州临平东来第一阁、上海马戏城杂技场屋顶和大连圣亚极地世界等。用于城市雕塑的有陕西省宝鸡市河滨公园内的钛雕塑“海豚与人”、河北省邢台市中心广场的钛雕塑“乾坤球”陕西省宝鸡市步行街的钛雕塑“雄鸡报晓”等。(www.xing528.com)

上海马戏城主体建筑杂技场为造型独特的金色球体建筑，其建筑形态充分体现了杂技场的建筑个性，与其相对应的娱乐城、辅助用房的建筑轮廓均呈弧形，相互烘托，使整个建筑群体显得气派、协调、独特而富有现代气息。杂技场是上海马戏城的核心部分，屋盖是一个直径为51m的半球体网架。为了提高强度、减小自重，这个屋盖采用了铝钛合金工字形梁、翼板及屋面板。铝钛合金网壳屋面不仅强度高，而且重量轻。球顶高度为28.11m，最大直径为51.25m，拥有观众座位1638个，表演净空高度为17m中心表演区旋转舞台、三块扇形升降舞台以及后部景框式舞台相结合的设计，改变了传统的单一圆形杂技舞台的模式，为杂技综合表演和未来的发展提供了有效空间。其外观如图9-8所示。

图9-8 上海马戏城外观

我国的国家大剧院建筑屋面呈半椭圆形，由具有柔和的色调和光泽的最大跨度达212m的钛金属覆盖（只 有0.44mm厚）。前后两侧有两个类似三角形的玻璃幕墙切面，整个建筑漂浮于人造水面之上行人需从一条80m长的水下通道进入演出大厅，通道两侧规划为艺术博物馆、艺术品商场等。大剧院造型新颖、前卫，构思独特，是传统与现代、浪漫与现实的结合。这座“城市中的剧院、剧院中的城市”以一颗献给新世纪的超越想象的“湖中明珠”的奇异姿态出现。其效果图如图9-9所示。

根据法国著名建筑师保罗·安德鲁的构想，国家大剧院建成后的景观如下：巨大的绿色公园内，一泓碧水环绕着椭圆形的银色大剧院，钛金属板和玻璃制成的外壳与昼夜的光芒交相辉映，色调变幻莫测。歌剧院的四周是部分透明的金色网状玻璃墙，顶上是从建筑内部能够看到的天空（见图9-10）。有人将大剧院的外形形容为“一滴晶莹的水珠”。

图9-9 国家大剧院效果图

大剧院的屋面有36000m²，主要由钛金属板和玻璃板拼装而成。屋面将由10000多块约2m²大小的钛板拼装而成。由于安装角度总在变化，每一块钛板都是一个双曲面面积、尺寸、曲率都不同。钛金属板的厚度只有0.44mm，既轻且薄，如同一张薄薄的纸，因此下面必须有一个由复合材料制成的衬层，每一块衬层也将切割成与上面的钛金属板同样大小，因此这个工作量和工作难度都极大。

图9-10　国家大剧院内部效果图

国家大剧院在建筑方面的确体现了国际一流的水准，开创了国内建筑的先河，进行了许多大胆的尝试，如采用钛金属板这种主要用于制造飞机等航空器的金属材料作为建筑屋面材料，大胆的椭圆形外观和四周的水面构成了一个水上明珠的建筑造型，新颖前卫，构思独特，整体上体现了21世纪世界标志性建筑的特点，堪称传统与现代、浪漫与现实的完美结合。

杭州大剧院（见图9-11）采用钛金属屋顶，共15820m²，采用钛复合板152t。用钛板做屋顶与传统的水泥结构相比有如下几个优点：

1）装饰性好，钛本色是灰白色，如果进行镜面抛光可以得到光亮的金属光泽，也可以用刻蚀的方法得到各种图案。

2）造型美观，根据需要可以把屋顶做成各种形状，再加上彩色钛板的色彩，会使整个建筑物成为一个完美的艺术作品。

3）耐蚀性好，由于钛的耐蚀性优良，又克服了水泥老化等的问题可以使建筑物的寿命延长5倍以上。

4）抗震性好，由于钛的比强度大，在保证相同的隔热性下，可减轻重量70％～75％，使建筑物的重心下移，因此，提高了建筑物的整体抗震能力。

5）可制成活动屋顶，如日本广岛体育馆就采用了钛钢复合结构，制成可移动式屋顶，可根据赛事的需要完全打开或局部打开。

图9-11 杭州大剧院俯视效果图