绿色建筑铝合金结构型材的研发及应用

文 / 刘静安

长期以来，建筑业，特别是民用建筑业一直是许多国家的第一支柱产业。由于它与国民经济的发展、人民生活水平的提高，以及社会文明的进步息息相关，在国民经济的持续高速发展中，起着举足轻重的作用。

一、绿色建筑业应用铝合金是未来的发展趋势

在建筑材料中，除了水泥（砂石、砖块等）以外，主要是木材和钢材。森林是保持地球生态平衡的主要因素，不宜多砍伐，已是众所周知的事实。就是作为主要结构材料的钢材，在重视节能、环保和安全的当今世界也会有不堪重负、力不从心的感觉，呈现出要退出历史舞台的趋势。“绿色建筑”概念的提出凸显了这一未来趋势。

所谓“绿色建筑”就是低碳、节能、环保安全、可回收再生、可循环发展的建筑业或建筑材料。能担当此重任的绿色建筑材料非铝莫属，因为经过对比分析，当今世界的主要材料中，铝更具“绿色”的特点。铝合金是最理想的轻量化材料，而轻量化正是实现“绿色建筑”、实现“低碳、节能、环保、安全”发展的重要途径，因此，以铝代木、以铝代钢正成为“绿色建筑”的重要趋势。

除了大量使用铝门窗和幕墙替代木、塑料和钢门窗外，以铝合金模板和脚手架替代木质、塑料和钢铁模板和脚手架在国内外也正被广泛使用。目前，正在研制和起步阶段的，是以铝合金结构材料来替代木结构和钢结构的材料。根据初步试验研究和实践证明，铝结构较之木结构和钢结构具有一系列无可比拟的优势。因此，越来越受到“绿色建筑”的青睐。

二、绿色建筑铝合金结构挤压材的特点与技术要求

建筑结构材料不同于建筑装饰材料，是整个建筑物的主要承力部件。建筑装饰材料如门窗、幕墙、围栏、天花板和镶边等一般不承受重力，只需美观耐用即可。而结构材料是整个

建筑物的顶梁柱。以前，建筑结构材料主要选用优质木材和钢材。为了绿化地球，森林不宜过多砍伐，因此，木结构的应用日益减少。在大力提倡“低碳、节能、环保安全”的今天，钢材由于其重量重、资源短缺、能耗大、不易回收、易腐蚀、污染环境不安全等原因，已很难承担“绿色建筑”结构挤压材的重任。因此，理想的绿色建筑铝合金结构挤压材正慢慢登上绿色建筑结构材料的舞台，“以铝代木、以铝代钢”大有成为“绿色建筑”结构材料主体之势。不过，铝合金结构材料因其具有价格较高、加工技术含量高、生产难度大、各种性能难以合理匹配等特点，需要进行研究和产业化开发，还有很漫长的一段路要走。

为了能更好地研发铝合金的应用，以便为人类所服务，在此，简述绿色建筑铝合金结构挤压材的特点和技术要求。

1.产品品种多、规格范围广、外廓尺寸和断面积大，形状复杂、壁厚相差悬殊、难度系数大，大部分为特殊的异形空心型材，也有宽厚比大的实心型材，舌比大的半空心型材，以及异形的管材和棒材。

2.为了提高建筑物的整体强度和刚度，便于现代化大跨度和薄壳结构设计，绿色建筑铝合金结构挤压材多采用整体组合结构型材，即由多块形状各异的中、小型型材拼组成一块大型整体结构型材，有的宽度大于600mm，断面积大于400cm2，壁厚差大于20mm，舌比大于8，需要采用7000t以上的大型挤压机，设计制造特殊结构的模具才能成形，技术难度大，批量生产困难。

3.材料要求高的强度和刚性及优良的综合性能，因此需要选用各种性能的合金和状态，一部分采用中强可焊、可冷弯成形、耐腐蚀的6xxx和5xxx合金（如6005T6、6061T6、6082T6、5083H112、5052H112等），但强度必须大于≥300MPa，因此应对合金成分进行调整或开发新型合金；另一部分要求高强度、高韧性合金（如2024T4、7075T6、5A06H112等）并具有可焊性和冷成型性能，因此也应对合金成分进行优化。此外，为了保证结构材料的优良综合性能，需要对熔铸、挤压、热处理等工艺进行优化，设计制造特殊结构的工模具等，技术含量高、生产难度大、成品率和生产效率很难提高。

4.为了运输、施工、维护和装卸方便，要求产品的尺寸公差和形位公差达到高精级或超高精级水平，这对模具质量和精密淬火工艺提出了很高的要求。

5.要求产业化批量生产，因此对设备、铸锭质量、模具技术和质量，挤压和热处理工艺等提出较高的要求，特别是对模具结构与使用寿命提出更高的要求，较之一般模具的使用寿命要求提高2倍以上，这对大型的特殊型材模来说，是很难做到的。

三、绿色建筑铝合金结构挤压材的广泛应用及产业化发展的重大意义

铝合金是目前世界上最理想的绿色建筑结构材料，其产业化与推广和普及应用，对推动绿色建筑业的发展、促进我国城镇化和工业化的进程，进而促进国民经济的又好又快地可持续发展，以及社会文明的进步具有重大意义。与此同时，对扩大铝合金材料的应用领域、加速铝合金加工产业和技术的发展将起到积极的促进作用。

建筑结构中倡导“以铝代木”，可以大大减少对森林的砍伐，在生产中实现“绿色和低碳”，保护地球家园，因为铝合金结构材本身是一种真正的低碳、绿色、可循环使用的建筑材料。

在建筑结构中，特别是现代高层民用建筑及大跨度和薄壳结构的大型公用建筑中，铝合金结构与钢结构相比，具有明显优势：

1.铝合金的密度仅为钢密度的1/3，而比强度、比刚度、比钢材高，用于高层和大跨度与薄壳结构中，铝合金空间结构重量比钢结构的重量要轻得多，因此，构筑物的基础投资要少得多。

2.强度高。可与高强合金钢媲美，超过高强钢Q345，而铝合金的密度小，铝合金材料的空间结构重量轻。因此，相等重量结构的比强度高。

3.可制作成各种形状与规格的精密结构部件，以满足任意建筑结构的要求。这是钢材热轧、冷轧、挤压或焊接都无法达到的。

4.现场运输安装方便，无需大型重型机械，现场施工周期可大大缩短，成本大大降低。

5.与钢结构相比，铝合金结构具有“抗腐蚀、经久耐用”的特点，建筑生命中的防腐工作量少、防护维修费用低，同时不会因防腐维修而影响正常的生产经营及使用。铝合金结构绿色建筑物广泛应用在湿度大、有酸雨、气候变化恶劣的环境或沿海地区。

6.不粘水、水密性好、可防水，杜绝渗漏水⑦铝合金材料回收成本很低，能耗仅电解铝的5%。可循环利用，回收率可达到90%以上（是钢材回收率的5倍以上），是典型的绿色环保材料。

7.使用铝合金结构可实现全装配式施工。

8.达到模块化建筑和建筑工业化的标准。施工现场无噪音、无粉尘、对水气无污染，属于典型的绿色材料、绿色施工。

9.在同等跨度下，结构断面大幅减少（约为钢结构的1/8截面），可增加建筑物6%左右的使用面积，减少10%左右的空间浪费，节约土地和能源。同时大大节约建筑施工成本。

由此可见，以铝合金结构替代钢结构，可使建筑工程与施工绿色化，环保化，可大大节省资源、能源和建筑施工与维护使用成本，具有较好的的经济效益和社会效益。它对促进铝加工（特别是挤压加工）的发展和技术进步，具有积极的现实意义。

四、绿色建筑铝合金结构挤压材的应用及经典工程实例

铝合金结构挤压材很早就在航空航天、交通运输、汽车、动力能源、电子电器、机电制造等方面得到广泛应用，但在建筑工程方面的推广应用，则仅仅是近几十年的事。

铝合金作为建筑和桥梁的结构材料，首先在意大利、美国等国家使用。目前，世界各主要工业发达国家都“以铝代木、以铝代钢”，广泛应用铝合金材料作为绿色建筑的模板、脚手架等建筑施工机械用材和工程结构用材。而在我国的起步较晚。但近年来，随着我国国力的增强，加之工业化和城镇化建设的推进，相信伴随着绿色概念的日益普及，可促进绿色建筑工程在“以铝代木、以铝代钢”方面的发展进程。我国作为铝业大国，目前，绿色建筑铝合金结构材料在许多城市已被广泛采用。比如，上海通用金属结构工程有限公司和上海通正铝业工程金属有限公司在吸收国外先进技术的基础上，结合我国的实际情况，转化开发了铝合金大跨度空间结构建筑的设计、制造和施工专有成套技术。该成套技术是结合轻量化合金的特点，采用超轻高强铝合金结构替代传统的钢结构。铝合金薄壳结构建筑的设计、制造和施工专有技术，主要在结构造型和节点设计、制造和施工方面体现了其独到的特点，尤其是在复杂空间曲面和大跨度结构方面，具有特有的优势。该技术所涉及的铝合金薄壳结构设计和施工技术具有新颖性和先进性，铝合金薄壳结构建筑是一种新型的节能环保建筑，具有其他建材不可替代的优点，可产生良好的经济效益和社会效益。又比如，该公司先后采用该材料，完成了中国成都现代五项赛事中心游泳击剑馆、体育场、新闻中心铝网壳；武汉体育学院综合体育馆铝合金屋盖；世界非遗文化中心世纪标志塔外墙铝合金装饰网架工程等多项现代新型结构建筑工程的设计、加工和安装（EPC交钥匙工程）施工，不仅满足了设计和规范要求，而且为铝合金结构技术在工程实践中得到进一步的提高和改善。如左图所示。

五、小结

铝合金挤压材与其他建材相比，具有一系列无可比拟的优越性，是一种理想的绿色建筑结构材，符合“节能、环保型建材”要求，是未来绿色建筑的发展方向。

绿色建筑铝合金结构挤压材的品种多、形状复杂、规格范围广、技术要求高、生产难度大，要求优化合金成分，设计制造各种特殊结构的优质模具。只有优化熔铸、挤压、热处理和精整，才能大批量生产出优质的挤压结构材，从而大大促进挤压加工技术的发展。

绿色建筑铝合金结构挤压材的产业化、批量生产和广泛的应用可促进我国绿色建筑业的发展，可拓展铝材的应用领域，促进铝加工工业的发展。同时，加速我国工业化和城镇化的发展进程，确保我国国民经济又好又快地可持续发展。

[1] 刘静安，谢建新，大型铝合金型材挤压技术与工模具优化设计[M]，北京：冶金工业出版社，2003.6

[2] 刘静安，谢水生，铝合金材料应用与开发[M]，北京：冶金工业出版社，2011.5

[3] 董春明，铝构建未来——铝在绿色建筑中的优势，中国铝加工与铝市场通报，2012 No2.P12