Поиск по сайту
Авторизация
Логин:
Пароль:
Забыли свой пароль?

Эволюции отношений между строительством и архитектурой

A storey of buildings and materials


На протяжении всей истории разработка новых материалов и технологий позволила создать более функциональные и эстетически привлекательные здания. С появлением устойчивой архитектуры роль материаловедения в создании инноваций становится все более заметной, чем когда-либо.

Лондонский офис Nature Reviews Materials окружен складами, первоначально построенными для хранения товаров, транспортируемых по канальной сети в XIX и XX веках. Выполняя свое предназначение на протяжении многих десятилетий, а также с сокращением использования каналов и прибытием близлежащей станции King's Cross (Кинг-Кросс), их функционирование необходимо было изменить. Некоторые склады были преобразованы в офисы или дома, другие были снесены. Это естественная последовательность событий для быстро развивающейся области большого города; здания редко разрушаются из-за структурных проблем, а скорее потому, что с течением времени их цель сдвигается. Имея это в виду, неудивительно, что в наши дни здания рассчитаны на 50 лет, хотя имеющиеся в нашем распоряжении материалы обеспечивают гораздо более прочные конструкции. Понятно, что строительные материалы должны соответствовать некоторым основным требованиям в отношении прочности, огнестойкости и общей безопасности, но это не единственные соображения для архитекторов, выбирающих материалы для новых разработок. Здания должны быть эстетически приятными, практичными и удобными. Более того, они должны быть устойчивыми - фактор, который становится все более важным в мире, голодном энергией.

В этом выпуске мы объединим архитекторов, дизайнеров и исследователей материалов для изучения эволюции отношений между материаловедческой наукой и архитектурой. В обзоре [1] Мартин Бекхолд и Джеймс Уивер обсуждают использование различных классов материалов в архитектуре, в то время как Guido Wimmers обращается к комментарию [2] к использованию древесины для высотных зданий. Также в комментарии [3] Skylar Tibbits и его коллеги изучают возможности дизайна, созданные ауксетическими материалами. В нашем разделе «Обзор исследований» мы изучаем два материала, которые имеют отношение к строительной отрасли и устойчивой архитектуре: разработка высокопроизводительных сталей с 3D-печатью и повышение эффективности солнечных элементов на основе материалов и нетоксичных материалов [5]. Наконец, рост встроенных солнечных устройств - это тема Перспективы [6] Серхио Бревелли и Франческо Мейнарди, в которой прослеживается прогресс в оптимизации люминесцентных солнечных концентраторов.

Здания составляют огромный кусок энергопотребления в мире: они составляют более 40% энергопотребления ЕС, США и Китая [7]. Вклад каждого здания в этот показатель двоякий, являясь суммой его воплощенной энергии - энергии, необходимой для ее создания, и ее выбросов. Конструкция новых материалов и конструкций может помочь уменьшить использование обоих видов энергии. Одним из способов снижения воплощенной энергии является использование новых материалов (например, можно посмотреть здесь каталог современных строительных материалов), таких как бетон со встроенными частицами диоксида титана, которые действуют как катализаторы для реакций, которые улучшают качество воздуха за счет удаления оксидов азота [8]. Традиционные материалы также могут играть определенную роль; например, древесина имеет низкую воплощенную энергию и может секвестрировать углерод. Использование древесины для строительства высотных зданий становится все более распространенным [2].

Что касается выбросов, то устойчивые здания в настоящее время являются реальностью. Они охватывают пассивные здания, которые минимизируют энергию, необходимую для обогрева или охлаждения, и нулевые здания с чистой энергией, которые производят всю энергию, которую они потребляют. Согласно руководящим принципам Европейского союза, к 2020 году все новые здания должны быть почти нулевыми; сдвигу в значительной степени способствуют достижения в области материаловедения. Например, окна могут быть заменены прозрачными материалами, которые используют солнечный свет для генерации электричества. Люминесцентные солнечные концентраторы уже используются для этой цели и представляют собой изысканный пример архитектурной интеграции солнечных устройств [6].

Новые материалы и технологии обработки также играют важную роль, когда жилье нужно строить быстро и дешево, например, во время гуманитарных кризисов. Активные материалы, которые изменяют форму при воздействии экологических воздействий, таких как тепло или влажность, могут быть отправлены в плоской форме, а затем отображать их предварительно запрограммированную форму на месте без необходимости сборки при воздействии на соответствующие условия. Успехи в технологиях обработки, в частности появление крупномасштабных машин для производства присадок, позволяют 3D-печать бетонного дома в течение 24 часов.

Еще один способ, с помощью которого материаловедение влияет на архитектуру и дизайн, - это катализировать инновации и творчество, предлагая новые способы построения привлекательных зданий и объектов. Например, фасады из изогнутого стекла в настоящее время относительно распространены, а также здания с кинетическими фасадами, которые могут реагировать на изменения в их среде. С увеличением количества материалов, которые могут быть напечатаны в 3D - прозрачное стекло [9] и высокопроизводительные стали [10] - это очень недавние дополнения - творчество дизайнеров может быть действительно развязано. Опыт пользователей теперь в центре внимания, с появлением одежды и мебели, которые могут приспособиться к телу для повышения комфорта и производительности [3].

Однако разработки более совершенных материалов недостаточно для достижения цели более устойчивой архитектуры. Использование меньшего количества материалов и сокращение комбинации различных типов материалов облегчат повторный сбор при разрушении здания; например, фрикционная сварка древесины позволяет компонентам соединяться без использования металлических винтов и адгезивов, а наноструктурированные поверхности могут сделать металлические фигуры цветными без использования лака.

Заглядывая в прошлое столетие, возможно, наши офисы возле King's Cross будут выполнять новые цели как здания с автономным питанием с незначительным воздействием на окружающую среду. Способность достичь этой цели, по большей части, уже имеется в нашем распоряжении. В настоящее время исследователи материалов, архитекторов и дизайнеров объединяют свои опытные знания для создания великолепных устойчивых зданий.

Использованные источники

1.    Bechthold, M. & Weaver, J. C. Materials science and architecture. Nat. Rev. Mater. 2, 17082 (2017).

2.    Wimmers, G. Wood: a construction material for tall buildings. Nat. Rev. Mater. 2, 17051 (2017).

3.    Papadopoulou, A., Laucks, J. & Tibbits, S. Auxetic materials in design and architecture. Nat. Rev. Mater. 2, 17078 (2017).

4.    Pacchioni, G. 3D printing: may the strength be with you. Nat. Rev. Mater. 2, 17081 (2017).

5.    Ashworth, C. Photovoltaics: voltage victory for kesterite solar cells. Nat. Rev. Mater. 2, 17078 (2017).

6.    Meinardi, F., Bruni, F. & Brovelli, S. Luminescent solar concentrators for building-integrated photovoltaics. Nat. Rev. Mater. 2, 17072 (2017).

7.    Zhang, Y. et al. China’s energy consumption in the building sector: a life cycle approach. Energy Build. 94, 240–251 (2015).

8.    Chen, J. & Poon, C.-S. Photocatalytic construction and building materials: from fundamentals to applications. Build. Environ. 44, 1899–1906 (2009).

9.    Kotz, F. et al. Three-dimensional printing of transparent fused silica glass. Nature 544, 337–339 (2017).

10.   Wang, Y. M. et al. Additively manufactured hierarchical stainless steels with high strength and ductility. Nat. Mater. dx.doi. org/10.1038/nmat5021 (2017).