1.前言
長(zhǎng)期以來，建筑業(yè)，特別是民用建筑業(yè)一直是許多國(guó)家的第一支柱產(chǎn)業(yè)，因?yàn)樗c國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的提高，以及社會(huì)文明的進(jìn)步息息相關(guān)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展中起著舉足輕重的作用。在建筑材料中，除了水泥(砂石、磚塊等)以外，主要是木材和鋼材。森林是保持地球生態(tài)平衡的主要因素，不宜多砍伐，已是眾所周知、不爭(zhēng)自明的事實(shí)，就是作為主要結(jié)構(gòu)材料的鋼材，在重視節(jié)能、環(huán)保和安全的當(dāng)今世界也有些不堪重負(fù)、力不從心的感覺，顯示出要退出歷史舞臺(tái)的姿態(tài)。“綠色建筑”概念的提出助長(zhǎng)了這種趨勢(shì)。所謂“綠色建筑”就是低碳、節(jié)能、環(huán)保安全，可回收再生，可循環(huán)發(fā)展的建筑業(yè)或建筑材料。能負(fù)此重任的綠色建筑材料非鋁莫屬，因?yàn)榻?jīng)對(duì)比分析，當(dāng)今世界的主要材料中，鋁更具“綠色”的特點(diǎn)。鋁合金具有密度小;比強(qiáng)度高;耐腐蝕;可表面處理;塑性好、可加工成各種特殊形狀和規(guī)格的型材、管材、棒材和板材及鍛件材等;不粘水，有良好的水密性、氣密性和防漏水性能;可回收率達(dá)90%以上，再生能耗低、成本低、可反復(fù)循環(huán)使用;易運(yùn)輸，施工裝卸方便，維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)良特性，是最理想的輕量化材料，而輕量化正是實(shí)現(xiàn)“綠色建筑”—低碳、節(jié)能、環(huán)保、安全的重要途徑，因此，以鋁代木、以鋁代鋼正成為“綠色建筑”的重要趨勢(shì)。
除了大量使用鋁門窗和幕墻替代木、塑料和鋼門窗外，以鋁合金模板和腳手架替代木質(zhì)、塑料和鋼鐵模板和腳手架在國(guó)內(nèi)外也正大規(guī)模興起。目前正在研制和起步階段的是以鋁合金結(jié)構(gòu)材料替代木結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)材料，根據(jù)初步試驗(yàn)研究和實(shí)踐證明，鋁結(jié)構(gòu)較木結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)具有一系列無可比擬的優(yōu)勢(shì)。是一種名符其實(shí)的“綠色建筑”材料。具體來說，用鋁合金作建筑結(jié)構(gòu)材料具有密度小(2.7)，僅鋼材(7.8)的1/3左右;比強(qiáng)度高(相當(dāng)于高強(qiáng)結(jié)構(gòu)合金鋼材);耐腐蝕，可表面處理，美觀耐用(建筑生命周期中的防腐工作量少，費(fèi)用低，不影響正常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)使用，可用于濕度大、有酸雨或沿海地區(qū);耐磨損、耐疲勞、可反復(fù)使用;不吸水、氣密性和水密性效果好;具有良好的隔音、吸音和防漏水效果;空間結(jié)構(gòu)現(xiàn)代感強(qiáng)：鋁合金空間結(jié)構(gòu)輕，基礎(chǔ)投資少，便于裝卸和施工，特別是對(duì)高層建筑和現(xiàn)代化的大跨度和薄殼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)、制造、施工具有獨(dú)特的特點(diǎn);塑性好，易成形，可加工成各種形狀特殊大型整體空心和實(shí)心型材、管材和棒材，適應(yīng)各種風(fēng)格的建筑結(jié)構(gòu)需要，使建筑構(gòu)件的形式更合理;鋁合金結(jié)構(gòu)自重輕，現(xiàn)場(chǎng)無需大型重型機(jī)械配置，運(yùn)輸安裝極輕便，可大大縮短施工周期，提高業(yè)主經(jīng)濟(jì)效益;全裝配式施工，達(dá)到模塊化、建筑工業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)，施工現(xiàn)場(chǎng)無噪音、無粉塵、對(duì)水、氣無污染，屬典型的綠色材料，綠色施工;同等跨度情況下，結(jié)構(gòu)斷面大幅減少(約鋼結(jié)構(gòu)的1/8截面)，可增加建筑物6%左右使用面積，減少10%左右的空間浪費(fèi)，節(jié)約土地和能源;鋁合金材料可回收，回收率達(dá)90%以上，而且回收的能耗和成本很低，可循環(huán)，再次利用率大，是典型的可再生循環(huán)使用的環(huán)保材料。因此，越來越受到“綠色建筑”的青睞，以鋁代木，以鋁代塑，以鋁代鋼將越來越明顯地成為“綠色建筑”業(yè)的大趨勢(shì)。
2.綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材的特點(diǎn)與技術(shù)要求
建筑結(jié)構(gòu)材料不同于建筑裝飾材料，是整個(gè)建筑物的主要承力部件，建筑裝飾材料如門窗、幕墻、圍欄、天花板、鑲邊等一般不承受重力，只需美觀耐用就行。而結(jié)構(gòu)材料是整個(gè)
建筑物的頂梁柱。以往，建筑結(jié)構(gòu)材主要選用優(yōu)質(zhì)木材和鋼材。為了綠化地球，森林不宜多砍伐，因此，木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越少了，在提倡低碳、節(jié)能、環(huán)保安全的今天，鋼材由于其重量重，資源短缺，能耗大，不易回收，易腐蝕，污染環(huán)境部安全等原因，也逐漸感到力不從心，很難承擔(dān)“綠色建筑”結(jié)構(gòu)材的重任。因此，理想的綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)材正慢慢登上綠色建筑結(jié)構(gòu)材料的舞臺(tái)，大有以鋁代木、以鋁代鋼正成為“綠色建筑”結(jié)構(gòu)材料主體之勢(shì)。鋁合金結(jié)構(gòu)材料也有價(jià)格較高，加工技術(shù)含量高，生產(chǎn)難度大，各種性能難于合理匹配等特點(diǎn)，需要進(jìn)行研究和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。
綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材的特點(diǎn)和技術(shù)要求簡(jiǎn)述如下：
(1)產(chǎn)品品種多，規(guī)格范圍廣，外廓尺寸和斷面積大，形狀復(fù)雜，壁厚相差懸殊，難度系數(shù)大，大部分為特殊的異形空心型材，也有寬厚比大的實(shí)心型材，舌比大的半空心型材以及異形的管材和棒材。表1為某廠生產(chǎn)的部分綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材的斷面信息表。
(2)為了提高建筑物的整體強(qiáng)度和剛度，和便于現(xiàn)代化大跨度和薄殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多采用整體組合結(jié)構(gòu)型材，即由多塊形狀各異的中、小型型材拼組成一塊大型整體結(jié)構(gòu)型材，有的寬度大于600mm，斷面積大于400cm2，壁厚差大于20mm，舌比大于8，需要采用7000t以上的大型擠壓機(jī)，設(shè)計(jì)制造特殊結(jié)構(gòu)的模具才能成形，技術(shù)難度大，批量生產(chǎn)困難。
(3)材料要求高的強(qiáng)度和剛性及優(yōu)良的綜合性能，因此需要選用各種性能的合金和狀態(tài)，一部分采用中強(qiáng)可焊、可冷彎成形、耐腐蝕的6xxx和5xxx合金(如6005T6、6061T6、6082T6、5083H112、5052H112等)，但強(qiáng)度必須大于300MPa，因此應(yīng)對(duì)合金成分進(jìn)行調(diào)整或開發(fā)新型合金;另一部分要求高強(qiáng)度、高韌性合金(如2024T4、7075T6、5A06H112等)并具有可焊性和冷成型性能，因此也應(yīng)對(duì)合金成分進(jìn)行優(yōu)化。此外，為了保證結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)良綜合性能，需要對(duì)熔鑄、擠壓、熱處理等工藝進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)制造特殊結(jié)構(gòu)的工模具等，技術(shù)含量高、生產(chǎn)難度大、成品率和生產(chǎn)效率很難提高。
(4)為了運(yùn)輸、施工、維護(hù)、裝卸方便，要求產(chǎn)品的尺寸公差和形位公差達(dá)到高精級(jí)或超高精級(jí)水平，這對(duì)模具質(zhì)量和精密淬火工藝提出了很高的要求。
(5)要求產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)，因此對(duì)設(shè)備、鑄錠質(zhì)量、模具技術(shù)和質(zhì)量，擠壓和熱處理工藝等提出很高的要求，特別是對(duì)模具結(jié)構(gòu)與使用壽命提出了更高要求，較一般模具的使用壽命要求提高2倍以上，這對(duì)大型的特殊型材模來說是很難做到的。
3.綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材的廣泛應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的重大意義
(1)鋁合金是目前世界上最理想的綠色建筑結(jié)構(gòu)材料，產(chǎn)業(yè)化與廣泛應(yīng)用，對(duì)推廣綠色建筑業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)城市化和工業(yè)化的進(jìn)程，進(jìn)而促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速持續(xù)發(fā)展和社會(huì)文明進(jìn)步具有重大意義。同時(shí)對(duì)擴(kuò)大鋁合金材料的應(yīng)用領(lǐng)域，加速鋁合金加工產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展將起促進(jìn)作用。
(2)建筑結(jié)構(gòu)中以鋁代木，使鋁合金成為一種真正的“綠色建筑”材料，因?yàn)橐凿X代木可以大大減少砍伐保護(hù)綠色地球的森林，保護(hù)地球的綠色和低碳。何況鋁結(jié)構(gòu)與木結(jié)構(gòu)相比，還是有強(qiáng)度、剛度高，減少結(jié)構(gòu)斷面，增加建筑物使用面積，節(jié)約土地和能源;耐水、防水、水密性、氣密性好，杜絕滲漏水;耐腐蝕性能好，可表面處理，美觀耐用;運(yùn)輸、施工、維護(hù)和裝卸方便，成本低，特別適于高層和大跨度薄殼結(jié)構(gòu)建筑;可回收率大于90%，回收成本和能耗低，而木材使用壽命短，只能作為垃圾回收。可見，鋁合金結(jié)構(gòu)材是一種真正的低碳、綠色、可循環(huán)使用的建筑材料。
(3)在建筑結(jié)構(gòu)中，特別是現(xiàn)代高層民用建筑及大跨度和薄殼結(jié)構(gòu)的大型公用建筑中鋁合金結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)：
密度小。鋁合金的密度僅為鋼密度的1/3，而比強(qiáng)度、比剛度比鋼材高，是典型的理想的輕量化材料。用于高層和大跨度與薄殼結(jié)構(gòu)中，鋁合金空間結(jié)構(gòu)重量比鋼結(jié)構(gòu)的要輕得多，因此，構(gòu)筑物的基礎(chǔ)投資要少得多。
強(qiáng)度高，一般中強(qiáng)鋁合金材料的b可達(dá)300MPa以上，相當(dāng)于Q235鋼，7075T6超高強(qiáng)鋁合金的b可達(dá)700MPa左右，可與高強(qiáng)合金鋼比美，超過高強(qiáng)鋼Q345，而鋁合金的密度小，鋁合金材料的空間結(jié)構(gòu)重量輕。因此，相等重量結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度高。
可制作成各種形狀與規(guī)格的精密結(jié)構(gòu)部件。與鋼鐵相比，鋁合金具有良好的塑性和可成形性，可用各種壓力加工方法(擠壓、軋制、鍛壓和沖壓等)在冷、熱狀態(tài)下大批量加工成各種規(guī)格和形狀的精密空心的和實(shí)心的恒斷面的、變斷面的型材、管材、棒材、板材、鍛件、模鍛件及沖彎件等，而且能使構(gòu)件截面形式更加合理。不需要精密機(jī)械加工條件下，即可滿足任意建筑結(jié)構(gòu)的要求。這是鋼材熱軋、冷軋、擠壓或焊接都無法達(dá)到的。
現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸安裝方便。由于鋁合金結(jié)構(gòu)自重很輕，現(xiàn)場(chǎng)無需大型重型機(jī)械裝置，運(yùn)輸安裝極為輕便，故現(xiàn)場(chǎng)施工周期可大大縮短，成本大大降低。
抗腐蝕、可表面處理、美觀耐用。與鋼結(jié)構(gòu)相比，鋁合金結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是抗腐蝕、經(jīng)久耐用，建筑生命中的防腐工作量少，防護(hù)維修費(fèi)用低，同時(shí)不會(huì)因防腐維修而影響正常的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)及使用。鋁合金結(jié)構(gòu)綠色建筑物廣泛運(yùn)用在濕度大，有酸雨、氣候變化惡劣的環(huán)境或沿海地區(qū)。
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