透光混凝土在户外空间中的应用

时间：2024-07-28

■齐可心，李克忠，王海东，张仲凤，谭雨婕

(1.中南林业科技大学家具与艺术设计学院；2.国家林业和草原局绿色家具工程技术研究中心； 3.湖南省绿色家居工程技术研究中心，湖南长沙 410004；4.索菲亚家居股份有限公司，广东广州 511358）

随着时代的发展，科技的进步，传统建筑材料已无法满足生产的需求，而更加环保的多功能新型环保材料逐渐出现于大众视野中。混凝土即是建筑行业中使用最多的材料之一，作为传统的混凝土也不再局限于现有的基本功能，用户对其节能环保、实用美观方面提出了更高的要求。据悉，2001年匈牙利建筑师阿隆·罗索尼奇（Aron Losonczi）将混凝土与光导纤维相结合，发明了一种名为可透光的混凝土LiTraCon（Light Transmitting Concrete）材料。这种材料与传统材料不同，不是利用自身基体透光，而是加入导光材料来透射可见光达到透光作用。由于生活水平不断提高，可持续发展理念深入人心，透光混凝土的广泛应用，满足了现代消费者对此需要。

1 透光混凝土概述

1.1 概念

传统混凝土是由粗骨料、细骨料及水泥三种成分构成，由大块的碎卵石或碎岩石组成的粗骨料，由较小的天然砂粒组成的细骨料，以及粉末状水泥，加入水和适当比例的化学添加剂、矿物掺和料后，所有的成分就会粘合起来，搅拌形成一种优质的建筑混凝土[1]。透光混凝土则是在此基础上加入导光材料光导纤维而形成的。由于光导纤维体积较小，就像细小的骨料一样与传统混凝土相融合，而且拥有良好的导光性能，不需要经过光热、光电或光化学过程，自身可以按照预设的排列路线来传输可见光，因此成为透光混凝土中一个重要组成部分[2-3]。其实，透光混凝土并不像传统混凝土那样能够自主浇筑，而是需要经过复杂的工序制成的一种成品提供人们使用。

■图1 LED灯

■图2 上海世博会意大利馆透光混凝土外墙

1.2 生产工艺

根据光导纤维加入透光混凝土的不同时段，可将生产工艺分为先植法与后植法两种。

1.2.1 先植法

首先将设计好的文字图案绘制在XPS或EPS等聚苯乙烯塑料半硬质泡沫块体上。随后在上面打孔，再穿入预先准备的光导纤维棒进行固定，将带有光纤棒的块体放入事先预制的砌块模具内[4]，浇筑免振捣的水泥浆或水泥砂浆，等待水泥凝结成相当硬度的石状固体后锯切，露出光点图案。采用先植法工艺，既发挥了透光混凝土的先进性，又保留了传统混凝土的原始力学性能[5]。

1.2.2 后植法

后植法是在预先制好的混凝土制品上绘制图案文字，并根据文字图案的形状大小进行打孔，再穿入预先准备的相同规格的光导纤维棒，经切割打磨后完成带有光点文字图案的透光混凝土产品[6]。后植法相对先植法工序较为简单，省去了浇筑水泥浆的过程，透光的效果更好。

1.3 基本特性

1.3.1 透光性

透光混凝土的透光性良好。大量光导纤维平行分布于透光混凝土的两端，使自然光通过这些光导纤维从混凝土的一端传到另一端，从而达到透光的效果。研究证明，透光率大小取决于光导纤维体积的掺入量。在光导纤维掺入体积比恒定的条件下，透光率与光导纤维的直径大小成正比，直径越大透光率越大[7]。一般透光混凝土的透光率为10%～25%左右。

1.3.2 抗压性

在建筑材料中，透光混凝土是用于制作受压构件的材料，其抗压性能参数主要依据抗压强度的大小[8-9]。抗压强度会随着光导纤维体积掺量的增大而降低，当光导纤维的掺量小于3%，其力学性能几乎不受影响，为了使透光混凝土拥有更好的抗压性和透光性，最为适宜的光导纤维掺量为4%[10]。

1.3.3 耐久性

透光混凝土是一种多孔性复合材料，混凝土与光导纤维之间结合不够紧密，就会导致外界杂质渗入。研究表明，在光导纤维的表层涂刷薄环氧树脂膜有机硅保护剂可提高透光混凝土的抗渗透性。透光混凝土长期与外界环境接触，易受温度变化而引发冻融作用，使自身强度降低、表面剥离等破坏结构的现象发生。研究表明，光导纤维的含量能影响透光混凝土的冻融作用，当光导纤维的体积比小于3%时，透光混凝土因冻融破坏造成的抗压强度损失不超过10%。

2 透光混凝土对户外光源的要求

由于透光混凝土的透光性良好，日常的可见光都可以作为其光照来源，如，自然光，火光等。但考虑到透光混凝土在户外的吸收和透射光线的效果不佳，以及受户外空间限制等情况。所以，使用时一般选择LED系列的人工照明灯（图1）来提供户外光照来源。如：LED灯管、LED灯板、LED灯带等。采用LED系列的人工照明灯有以下优点。

2.1 节能环保

LED灯的耗电量低，其一般工作电压为2-3.6V，工作电流为0.02-0.03A，所以LED灯消耗的电能不超过0.1W，在相同照明效果下比传统的光源节能80%以上[11]。LED灯由无毒无害的材料组成，不但不含汞等有害物质，并且所需电压电流较小，发热较小，可供人们在户外安全使用，属于典型的绿色照明光源，容易拆装，便于回收利用。

2.2 体积小

LED灯是将半导体晶体经过一系列加工后封装在环氧树脂里，体积小，不占位置，使用方便。

2.3 寿命长

LED灯没有可以松动的部分，比普通的灯泡和荧光灯管更加耐用，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。加上采用先进的封装工艺共晶焊，其寿命达到8～10万小时，可长期为透光混凝土产品在户外提供光照来源。

2.4 应用灵活

LED光源应用灵活，只需要调整其电流，就可以随意调光，不同光色的组合变幻莫测，达到理想的动态效果。在计算机的控制下，利用红、绿、蓝三基色的原理，使颜色具有256级灰度，并任意组合，形成各种各样的颜色。

3 透光混凝土的应用

3.1 透光混凝土应用于户外建筑

透光混凝土可应用于户外的大型建筑外墙（图2）。其制作幅面大，能浇筑成一整块外墙挂板。上海世博会意大利馆是国内最为成功的透光混凝土使用案例，建筑外墙采用的是复合系统。建筑外侧为透光混凝土砌块，使用了3374块透光混凝土挂板，覆盖面积达到1887m2，约189吨透光混凝土，建筑内侧为双层ETEE结构。这便使整面墙像一扇巨大的窗户（图3），白天室外的自然光线穿过透光混凝土外墙进入场馆内，利用自然光线可降低馆内灯光的使用，减少能源消耗。夜晚，场馆内的室内光线通过外墙向外透出，建筑室内外空间融为一体，使场馆内人们走动的身影变得朦胧而神秘，给寂静的夜晚带来生命的活力。

3.2 透光混凝土应用于户外家具

透光混凝土可应用在户外公共座凳。其不仅抗压耐磨且有良好的透光性，适合于制作户外公共座凳。无光源的情况下，透光混凝土与普通混凝土无异，但在借助灯光时，光线就会通过光导纤维透出，给人们营造出新奇的氛围，带来不一样的视觉效果。国内的蓝宝股份有限公司专注于以透光混凝土进行户外家具设计，重庆巴南鱼洞云篆山风情区山脚下的座凳（图4）即为该公司制作。座凳以中空整体浇筑的透光混凝土长条打造而成，夜晚在灯光的照射下，座凳上出现点点星光，让整个休息区多了一丝情趣、惬意和温馨。白天，座凳也可作为观赏景观，增强整个风景区的户外空间氛围感，营造一种宜居的生活环境[12-13]。

3.3 透光混凝土应用于户外景观

透光混凝土在景观产品中可作为艺术地面，地面标识指示等（图5）。户外的地面由大量的水泥浇灌而成，夜晚显得十分单调。而透光混凝土作为新型建筑材料，可解决一定的光照问题，可利用自身材料特性来平衡光影效果，为人们指引方向，形成独特的户外景观效果。扬州万科城市之光的部分地面（图6）就采用透光混凝土，在地面预埋LED灯，利用LED灯作为光照来源透射光导纤维，使夜晚的地面产生五彩缤纷的效果。

■图3 上海世博会意大利馆透光混凝土外墙内面

■图4 重庆巴南鱼洞云篆山风情区山脚下透光混凝土座凳

4 透光混凝土的优势

4.1 减少能耗

自然采光能减少建筑和户外空间的能源消耗[14]。国内大部分的建筑都需要人工照明，人工照明耗能占建筑总耗能的30%～50%。而利用透光混凝土制作的建筑外墙、户外家具和景观，可以通过透射可见光为室内、户外空间提供大量的自然光源，减少户外人造照明灯光的能耗[15]。可见，透光混凝土透射的自然光源比LED灯更加节能。

4.2 艺术装饰

透光混凝土有着艺术装饰、美化环境的作用[16]。可根据人们的不同需求，对透光混凝土中添加的光导纤维进行人为控制，随机排列或规律排列制成不同的图案、纹理和色彩，白天与黑夜分别以不同的艺术形式来展示其独特的装饰效果，灯光的搭配与变幻让夜色中的透光混凝土显得更加的神秘与雅致，也给城市增添了更多现代艺术活力[17]。