浅谈日本建筑用钛对我国建筑用钛发展的启示

 

1.前言
钛由于轻量、耐腐蚀、热膨胀系数小、环保、设计性丰富等特性,从上世纪70年代开始在日本被用于各种建筑物。随着日本国内的寺庙佛堂、公共建筑、港湾及渔港护岸改建及国外歌剧院、别墅等各种建筑物用钛的推进,钛建材市场逐步发展繁荣起来。另一方面,随着我国经济的发展,国力的不断增强,国家对公共事业投资的增加,一些大剧院、如杭州大剧院,国家大剧院等、博物馆都开始使用钛建材作为屋顶、外墙装饰等。面对我国初步兴起的钛建材行业,我国钛行业、企业关注日本钛建材的发展、留意钛建材技术动向,并从中汲取经验尤为重要。
2.日本钛建材的发展
2.1兴起原因
    神社、寺庙用钛可以看作是日本钛建材应用的开端。在上世纪七、八十年代时候,原先神社、寺庙屋顶使用的丝柏树皮、薄木板等传统屋顶材料越来越难以购买,屋顶材料的耐用寿命逐渐缩短。其次,屋顶广泛使用的铜本来应该形成的青绿色没有出现,反而出现发黑腐蚀的迹象,材料寿命有缩短的倾向。再加上一直以来神社寺庙追求的是恒久不变的屋顶。所以在这样的背景下,轻量、耐腐蚀、使用寿命长、材质印象与神社寺庙搭配毫无违和感、表面处理后金属色泽多样的钛材,开始作为新兴建材逐步显露锋芒。
2.2历史概况
日本钛建材的最早应用要追溯到1973年建造的早吸日女神社屋顶。东邦钛公司为建造早吸日女神社屋顶开发了钛的着色技术。迄今为止日本建筑用钛已有45年的历史。此后,日本关于钛的着色技术、钛建材的表面处理等技术都得到了长足的发展。
为促进钛建材的发展,1983年日本钛协会(JIS)成立专业建筑组,负责日本钛建材的应用研究,并组织、协调建筑设计部门、施工单位通力协作,开展钛材在建筑领域中的用途开发。1987年,日本建设厅颁布防火材料“第1019号不燃材料”法规,将钛列为不燃材料标准当中,进一步推动了钛建材的发展。


据统计,1990~1999年日本钛建材用量总计为1,537吨,2000~2011年钛建材用量总计为712吨[1]。近年来,日本国内用钛量下降明显,但国外施工面积和钛材使用量却大幅上升。由图1可以看出,日本近年来钛建材的发货量也不稳定,这是由于近年来,日本经济低迷,对公共事业投资不力,没有大型工程造成的。
2.3钛建材的技术
    日本钛建材生产集中在神户制钢和新日铁住金两家公司。新日铁住金公司将无光精轧、氧化铝喷丸处理、酸洗处理三种表面处理方法与数十种着色方法相组合,形成了丰富的产品群。其中无光精轧钛材是用于建筑物最多的产品,氧化铝喷丸钛瓦更是荣获大谷美术奖等奖项;新日铁住金公司与神户制钢公司都已研发出耐变色钛建材,并大范围应用,其中新日铁开发并应用于大分银行大厦的钛建材经过十几年的实践检验,未发现钛建材变色现象,神户制钢开发的轻量钛建材耐酸雨腐蚀、材料寿命长;新日铁在浅草寺的翻修中,还开发了加工性能优良的Super Pureflex®,实现了加工复杂的鬼瓦的生产。此外,自2000年神户制钢解散了自己公司的施工队后,钛建材事业有所败落,2009年国内15个建筑工程当中只有3个使用了该公司的钛材。
2.4应用范围
    日本的钛建材主要应用于屋顶、外墙、纪念碑、钛装饰等等。
2.4.1屋顶
屋顶用钛占到了钛建材的多半以上。近年来比较有代表性的屋顶用钛工程莫过于浅草寺翻修工程。浅草寺是是东京都内最古老的寺庙,也是日本著名的观光景点。迄今为止,浅草寺的宝藏门屋顶(2006年)、正殿屋顶(2010年)、五重塔屋顶翻修(2017年)工程当中都采用了钛建材。其中宝藏门屋顶、正殿屋顶、五重塔屋顶施工面积分为1,080㎡、3,096.3㎡、1,553.9㎡,钛材用量分为8吨、15吨、15吨,详见图2。通过对屋顶更换钛瓦后,屋顶自身的重量最大减重7/8,大大提高了抗震性和安全性。事实也证明,在2011年3月11日的东日本地震的剧烈晃动下屋顶的钛瓦也没有发生错位、掉落等现象[2]。


2004年竣工的福冈县九州国立博物馆(日本国内第四大博物馆)的屋顶采用了0.4mm厚的钛板,用钛量为52吨,施工面积为17,000㎡。该钛板表面通过阳极氧化处理呈蓝色,与周围的青山恰如其分地融合在一起,并呈现出柔和优美的曲线,状似波浪,
除了神社寺庙、公共建筑以外,钛也逐渐被应用于民间建筑。如爱知县丰田市的Kozima保育所(建于1971年)在2016年重建之时,本着有益于环境和儿童的理念,使用了轻量、安全、耐腐蚀、维护简单、不会析出金属离子的钛材铺设木制园舍。工程施工面积为2,258㎡,使用了8吨新日铁的钛薄板 [3]。
2.4.2外墙


图4 东京Big Site钛外墙

外墙用钛仅次于屋顶。1994年竣工的东京国际展览馆(俗称东京Big Sight)呈倒三角状的建筑物外壁分别使用了0.6mm和1.5mm的钛板,施工面积达17,600㎡,用钛量总计140吨,成为当时世界上用钛量最大的建筑物,见图4。
2007年竣工的东邦钛研究所(位于神奈川县)的外墙采用了1.2mm厚的蓝色钛薄板,钛材用量为280kg。
2.4.3纪念碑
在钛城茅崎市,有很多钛制纪念碑。2002年竣工的Southern C钛制纪念碑是茅崎市旅游观光的重点项目,位于茅崎市的海岸南部。它的外圈尺寸为3.5m,内径为2.8m,厚为0.35m,在钛骨材上焊接喷砂处理的3mm的钛板,印上了SOUTHERN BEACH CHIGASAKI(茅崎南海岸)的文字。总重为430kg。海边虽然海风强劲,但由于进行了喷砂处理,到现在仍然保持着当初的光泽
2015年竣工的日本首个火箭火药实验地纪念碑也采用了钛材,茅崎的汐见台和东海岸的南部各设立了纪念碑,见图5。此外,在钛城茅崎,对获得市民荣誉奖的个人都会颁发钛制纪念盾[4]。


2.4.4其他
2010年浅草寺正殿的楼梯扶手也采用了纯钛建材,表面通过离子电镀着色法呈现出黄金色。其耐划痕性好,反复清洁也不会损伤材料。其规格为Φ10mm~100mm x1,200mm。

2013年2月时,在北九州市设立50周年之际,东邦钛公司向北九州市捐赠了钛制的“北九州市市政府”的标志牌。该标志牌长160cm,宽30cm;2017年又向北九州市新地标建筑北九州体育场馆捐赠了使用钛锭制作的体育场馆标牌,高850mm*长1,345mm*厚85mm,重510kg[5]。
2016年重建的新泻之塔基于原先带地图的铜碑上的碑文老化严重,地图和字都无法看清,考虑到临海环境,海盐腐蚀严重的情况,改用钛碑。钛板为纯钛2类,厚8mm,宽1,600mm,高700mm,通过蚀刻和阳极氧化着色相组合,使钛板呈海蓝色[6]。
3启示
近年来虽然我国的建筑领域用钛规模不断扩大,但我国钛工业却未搭乘上这艘快船迅猛前进,这不得不令人扼腕叹息,也不得不令我国的钛企有所反省。而日本建筑领域用钛历史悠久,拥有丰富的经验,值得我们借鉴和学习。
3.1 建筑用钛前景广阔
 随着我国经济的不断发展,目前人们对物质文化的需求和美好生活的需要日益增长,因此,可以大胆地预测今后会有越来越多的大型公共事业投资项目上马,比如兴建大剧院、博物院项目等。这将会为钛建材带来无限商机。另外,我国与日本一样海岸线很长,且拥有比日本更多的古建筑,这些建筑物受气候、大气污染和酸雨危害,出现腐蚀、变色、结构件外露等一系列问题,不容小觑。而钛材的耐腐蚀性能够更好地保护古建筑不受腐蚀,使祖辈们遗留下的宝贵财富能够得到更好的传承。
3.2加强顶层设计、做好钛建材的宣传工作
    日本为了促进钛建材的发展,从行业的高度对钛做了一次重新定位,自上而下助力钛材的推广应用。而我国对钛这一新型的建筑材料还有些陌生,也未从行业高度出发做出统一的规划并实施相关措施来促进钛建材的发展。因此,站到行业层面上,加强钛材加工业和建筑行业的合作、联系与交流,十分必要。笔者认为,相关行业协会应该承担起桥梁的纽带作用,让两个不同的行业在交流碰撞中产生灵感的火花。
钛是一种新型建材,其工业生产只有70年的时间,被用于建筑仅有45年的历史。面对这种新型建材,普通人对它的印象仅局限于应用在飞机、赛车上的高价金属,望而却步成为阻碍钛建材发展的一大硬伤。行业协会、企业不妨效仿日本在展会、推介会采取灵活多样的方式多多宣传钛建材,邀请有合作意向的客户以及利用参观日活动等面向各行业的人进行宣贯,不断提高人们对钛的认知。在宣传的过程中,强调钛轻量(约为铁的60%,铜的50%)、安全、放心(高处作业效率高、工期短、通过提高耐震性减轻整体负担、对环境无污染)以及其 LCC(寿命周期成本)比其他建筑材料低的优点。从图7可以看出,当建筑物使用20~30年以上时,钛材的寿命周期成本低于彩色不锈钢[7]。就这样,通过一系列的推广活动让人们逐渐了解钛并加深信任,才能为钛建材的前进铺砖开路。

3.3加快钛建材研发进度,实现建筑用钛技术突破
    尽管我国与美国、日本、俄罗斯四个国家都是世界上拥有完整钛产业链的国家,但是我国市场产品主要以中低端产品为主,高端钛材技术相对落后,缺乏质量可靠、市场认可的高端产品,而建筑用高端钛产品的企业为数极少,这些产品的高端制造和加工一直被国外的大公司所垄断。截至2017年底,除神户制钢公司以外,仅日本新日铁住金的钛建材在我国的应用已有8例之多,分别是深圳世界之窗(2001年)、杭州大剧院(2004年)、国家大剧院(2007年)、合肥大剧院(2009年)、合肥浜湖国际会展中心(2011年)、芜湖城市规划展示馆和博物馆(2013年)、宁波港口博物馆(2014年)、江苏大剧院(2017年),钛材总用量超过310吨,施工总面积达200,000多平方米,订单金额保守估计在5,000万元以上。
宝钛集团作为国内最大的钛加工材企业,从八十年代就率先开始就生产了一些钛雕塑,开始了钛建材的开发,并在钛金色大晶粒板的制作方面取得了一定的成果[8],近年更完成了石林峡飞碟观景平台的钛合金结构梁工程。但在关键技术上与日本钛建材相比还有一定的差距,目前还没有实现批量化生产,现在当务之急是必须加大钛建材的研发力度,加快研发进程,否则市场再好也是外国的,我国钛企搭乘不上经济快速发展的巨轮,只能扼腕兴叹。因此,对我国钛企而言,唯有苦练内功,突破技术难关,当不久的将来机会来临时,才能稳稳抓住。
3.4降低钛材成本是王道
钛的价格较高,这一直是影响其推广普及的一个瓶颈。因此,必须从源头上下功夫降低钛材成本,如探索新的海绵钛、钛锭电解熔炼方法,替换现有的克罗尔法,降低冶炼的高额电费;简化钛材生产工艺,如从海绵钛、钛锭直接制造钛板坯,压缩工期并节约成本;提高轧制技术,合理促进钛钢共生法的应用;探索3D打印的批量化生产技术等。只有钛材成本降低了,钛建材的成本也才能降低,从而打开更广阔的市场,成为真正意义上的“未来金属”、“梦想金属”。
4.结语
钛的轻量、耐腐蚀、不变色、环保、后期维护成本低等特性,使得它在建筑行业中有很大的应用潜能,日本已将它应用于各种建筑当中,并将其捧为古建筑维护行业的一颗闪耀的明星,在现代建筑中也流光溢彩。随着今后我国经济的发展,不难预测钛建材将会得到更多的应用。为打开钛建材这个高端钛材市场,相关行业协会、钛材企业、建筑设计所等需要加强协作,在务实求稳当中苦炼内功,共同推进钛建材的开发和钛材加工工艺的研究,为“中国制造2025” 增砖添瓦。