淺談日本建筑用鈦對我國建筑用鈦發展的啟示

 

1.前言
鈦由于輕量、耐腐蝕、熱膨脹系數小、環保、設計性豐富等特性,從上世紀70年代開始在日本被用于各種建筑物。隨著日本國內的寺廟佛堂、公共建筑、港灣及漁港護岸改建及國外歌劇院、別墅等各種建筑物用鈦的推進,鈦建材市場逐步發展繁榮起來。另一方面,隨著我國經濟的發展,國力的不斷增強,國家對公共事業投資的增加,一些大劇院、如杭州大劇院,國家大劇院等、博物館都開始使用鈦建材作為屋頂、外墻裝飾等。面對我國初步興起的鈦建材行業,我國鈦行業、企業關注日本鈦建材的發展、留意鈦建材技術動向,并從中汲取經驗尤為重要。
2.日本鈦建材的發展
2.1興起原因
    神社、寺廟用鈦可以看作是日本鈦建材應用的開端。在上世紀七、八十年代時候,原先神社、寺廟屋頂使用的絲柏樹皮、薄木板等傳統屋頂材料越來越難以購買,屋頂材料的耐用壽命逐漸縮短。其次,屋頂廣泛使用的銅本來應該形成的青綠色沒有出現,反而出現發黑腐蝕的跡象,材料壽命有縮短的傾向。再加上一直以來神社寺廟追求的是恒久不變的屋頂。所以在這樣的背景下,輕量、耐腐蝕、使用壽命長、材質印象與神社寺廟搭配毫無違和感、表面處理后金屬色澤多樣的鈦材,開始作為新興建材逐步顯露鋒芒。
2.2歷史概況
日本鈦建材的最早應用要追溯到1973年建造的早吸日女神社屋頂。東邦鈦公司為建造早吸日女神社屋頂開發了鈦的著色技術。迄今為止日本建筑用鈦已有45年的歷史。此后,日本關于鈦的著色技術、鈦建材的表面處理等技術都得到了長足的發展。
為促進鈦建材的發展,1983年日本鈦協會(JIS)成立專業建筑組,負責日本鈦建材的應用研究,并組織、協調建筑設計部門、施工單位通力協作,開展鈦材在建筑領域中的用途開發。1987年,日本建設廳頒布防火材料“第1019號不燃材料”法規,將鈦列為不燃材料標準當中,進一步推動了鈦建材的發展。


據統計,1990~1999年日本鈦建材用量總計為1,537噸,2000~2011年鈦建材用量總計為712噸[1]。近年來,日本國內用鈦量下降明顯,但國外施工面積和鈦材使用量卻大幅上升。由圖1可以看出,日本近年來鈦建材的發貨量也不穩定,這是由于近年來,日本經濟低迷,對公共事業投資不力,沒有大型工程造成的。
2.3鈦建材的技術
    日本鈦建材生產集中在神戶制鋼和新日鐵住金兩家公司。新日鐵住金公司將無光精軋、氧化鋁噴丸處理、酸洗處理三種表面處理方法與數十種著色方法相組合,形成了豐富的產品群。其中無光精軋鈦材是用于建筑物最多的產品,氧化鋁噴丸鈦瓦更是榮獲大谷美術獎等獎項;新日鐵住金公司與神戶制鋼公司都已研發出耐變色鈦建材,并大范圍應用,其中新日鐵開發并應用于大分銀行大廈的鈦建材經過十幾年的實踐檢驗,未發現鈦建材變色現象,神戶制鋼開發的輕量鈦建材耐酸雨腐蝕、材料壽命長;新日鐵在淺草寺的翻修中,還開發了加工性能優良的Super Pureflex®,實現了加工復雜的鬼瓦的生產。此外,自2000年神戶制鋼解散了自己公司的施工隊后,鈦建材事業有所敗落,2009年國內15個建筑工程當中只有3個使用了該公司的鈦材。
2.4應用范圍
    日本的鈦建材主要應用于屋頂、外墻、紀念碑、鈦裝飾等等。
2.4.1屋頂
屋頂用鈦占到了鈦建材的多半以上。近年來比較有代表性的屋頂用鈦工程莫過于淺草寺翻修工程。淺草寺是是東京都內最古老的寺廟,也是日本著名的觀光景點。迄今為止,淺草寺的寶藏門屋頂(2006年)、正殿屋頂(2010年)、五重塔屋頂翻修(2017年)工程當中都采用了鈦建材。其中寶藏門屋頂、正殿屋頂、五重塔屋頂施工面積分為1,080㎡、3,096.3㎡、1,553.9㎡,鈦材用量分為8噸、15噸、15噸,詳見圖2。通過對屋頂更換鈦瓦后,屋頂自身的重量最大減重7/8,大大提高了抗震性和安全性。事實也證明,在2011年3月11日的東日本地震的劇烈晃動下屋頂的鈦瓦也沒有發生錯位、掉落等現象[2]。


2004年竣工的福岡縣九州國立博物館(日本國內第四大博物館)的屋頂采用了0.4mm厚的鈦板,用鈦量為52噸,施工面積為17,000㎡。該鈦板表面通過陽極氧化處理呈藍色,與周圍的青山恰如其分地融合在一起,并呈現出柔和優美的曲線,狀似波浪,
除了神社寺廟、公共建筑以外,鈦也逐漸被應用于民間建筑。如愛知縣豐田市的Kozima保育所(建于1971年)在2016年重建之時,本著有益于環境和兒童的理念,使用了輕量、安全、耐腐蝕、維護簡單、不會析出金屬離子的鈦材鋪設木制園舍。工程施工面積為2,258㎡,使用了8噸新日鐵的鈦薄板 [3]。
2.4.2外墻


圖4 東京Big Site鈦外墻

外墻用鈦僅次于屋頂。1994年竣工的東京國際展覽館(俗稱東京Big Sight)呈倒三角狀的建筑物外壁分別使用了0.6mm和1.5mm的鈦板,施工面積達17,600㎡,用鈦量總計140噸,成為當時世界上用鈦量最大的建筑物,見圖4。
2007年竣工的東邦鈦研究所(位于神奈川縣)的外墻采用了1.2mm厚的藍色鈦薄板,鈦材用量為280kg。
2.4.3紀念碑
在鈦城茅崎市,有很多鈦制紀念碑。2002年竣工的Southern C鈦制紀念碑是茅崎市旅游觀光的重點項目,位于茅崎市的海岸南部。它的外圈尺寸為3.5m,內徑為2.8m,厚為0.35m,在鈦骨材上焊接噴砂處理的3mm的鈦板,印上了SOUTHERN BEACH CHIGASAKI(茅崎南海岸)的文字。總重為430kg。海邊雖然海風強勁,但由于進行了噴砂處理,到現在仍然保持著當初的光澤
2015年竣工的日本首個火箭火藥實驗地紀念碑也采用了鈦材,茅崎的汐見臺和東海岸的南部各設立了紀念碑,見圖5。此外,在鈦城茅崎,對獲得市民榮譽獎的個人都會頒發鈦制紀念盾[4]。


2.4.4其他
2010年淺草寺正殿的樓梯扶手也采用了純鈦建材,表面通過離子電鍍著色法呈現出黃金色。其耐劃痕性好,反復清潔也不會損傷材料。其規格為Φ10mm~100mm x1,200mm。

2013年2月時,在北九州市設立50周年之際,東邦鈦公司向北九州市捐贈了鈦制的“北九州市市政府”的標志牌。該標志牌長160cm,寬30cm;2017年又向北九州市新地標建筑北九州體育場館捐贈了使用鈦錠制作的體育場館標牌,高850mm*長1,345mm*厚85mm,重510kg[5]。
2016年重建的新瀉之塔基于原先帶地圖的銅碑上的碑文老化嚴重,地圖和字都無法看清,考慮到臨?;肪?,海鹽腐蝕嚴重的情況,改用鈦碑。鈦板為純鈦2類,厚8mm,寬1,600mm,高700mm,通過蝕刻和陽極氧化著色相組合,使鈦板呈海藍色[6]。
3啟示
近年來雖然我國的建筑領域用鈦規模不斷擴大,但我國鈦工業卻未搭乘上這艘快船迅猛前進,這不得不令人扼腕嘆息,也不得不令我國的鈦企有所反省。而日本建筑領域用鈦歷史悠久,擁有豐富的經驗,值得我們借鑒和學習。
3.1 建筑用鈦前景廣闊
 隨著我國經濟的不斷發展,目前人們對物質文化的需求和美好生活的需要日益增長,因此,可以大膽地預測今后會有越來越多的大型公共事業投資項目上馬,比如興建大劇院、博物院項目等。這將會為鈦建材帶來無限商機。另外,我國與日本一樣海岸線很長,且擁有比日本更多的古建筑,這些建筑物受氣候、大氣污染和酸雨危害,出現腐蝕、變色、結構件外露等一系列問題,不容小覷。而鈦材的耐腐蝕性能夠更好地?;す漚ㄖ皇芨?,使祖輩們遺留下的寶貴財富能夠得到更好的傳承。
3.2加強頂層設計、做好鈦建材的宣傳工作
    日本為了促進鈦建材的發展,從行業的高度對鈦做了一次重新定位,自上而下助力鈦材的推廣應用。而我國對鈦這一新型的建筑材料還有些陌生,也未從行業高度出發做出統一的規劃并實施相關措施來促進鈦建材的發展。因此,站到行業層面上,加強鈦材加工業和建筑行業的合作、聯系與交流,十分必要。筆者認為,相關行業協會應該承擔起橋梁的紐帶作用,讓兩個不同的行業在交流碰撞中產生靈感的火花。
鈦是一種新型建材,其工業生產只有70年的時間,被用于建筑僅有45年的歷史。面對這種新型建材,普通人對它的印象僅局限于應用在飛機、賽車上的高價金屬,望而卻步成為阻礙鈦建材發展的一大硬傷。行業協會、企業不妨效仿日本在展會、推介會采取靈活多樣的方式多多宣傳鈦建材,邀請有合作意向的客戶以及利用參觀日活動等面向各行業的人進行宣貫,不斷提高人們對鈦的認知。在宣傳的過程中,強調鈦輕量(約為鐵的60%,銅的50%)、安全、放心(高處作業效率高、工期短、通過提高耐震性減輕整體負擔、對環境無污染)以及其 LCC(壽命周期成本)比其他建筑材料低的優點。從圖7可以看出,當建筑物使用20~30年以上時,鈦材的壽命周期成本低于彩色不銹鋼[7]。就這樣,通過一系列的推廣活動讓人們逐漸了解鈦并加深信任,才能為鈦建材的前進鋪磚開路。

3.3加快鈦建材研發進度,實現建筑用鈦技術突破
    盡管我國與美國、日本、俄羅斯四個國家都是世界上擁有完整鈦產業鏈的國家,但是我國市場產品主要以中低端產品為主,高端鈦材技術相對落后,缺乏質量可靠、市場認可的高端產品,而建筑用高端鈦產品的企業為數極少,這些產品的高端制造和加工一直被國外的大公司所壟斷。截至2017年底,除神戶制鋼公司以外,僅日本新日鐵住金的鈦建材在我國的應用已有8例之多,分別是深圳世界之窗(2001年)、杭州大劇院(2004年)、國家大劇院(2007年)、合肥大劇院(2009年)、合肥浜湖國際會展中心(2011年)、蕪湖城市規劃展示館和博物館(2013年)、寧波港口博物館(2014年)、江蘇大劇院(2017年),鈦材總用量超過310噸,施工總面積達200,000多平方米,訂單金額保守估計在5,000萬元以上。
寶鈦集團作為國內最大的鈦加工材企業,從八十年代就率先開始就生產了一些鈦雕塑,開始了鈦建材的開發,并在鈦金色大晶粒板的制作方面取得了一定的成果[8],近年更完成了石林峽飛碟觀景平臺的鈦合金結構梁工程。但在關鍵技術上與日本鈦建材相比還有一定的差距,目前還沒有實現批量化生產,現在當務之急是必須加大鈦建材的研發力度,加快研發進程,否則市場再好也是外國的,我國鈦企搭乘不上經濟快速發展的巨輪,只能扼腕興嘆。因此,對我國鈦企而言,唯有苦練內功,突破技術難關,當不久的將來機會來臨時,才能穩穩抓住。
3.4降低鈦材成本是王道
鈦的價格較高,這一直是影響其推廣普及的一個瓶頸。因此,必須從源頭上下功夫降低鈦材成本,如探索新的海綿鈦、鈦錠電解熔煉方法,替換現有的克羅爾法,降低冶煉的高額電費;簡化鈦材生產工藝,如從海綿鈦、鈦錠直接制造鈦板坯,壓縮工期并節約成本;提高軋制技術,合理促進鈦鋼共生法的應用;探索3D打印的批量化生產技術等。只有鈦材成本降低了,鈦建材的成本也才能降低,從而打開更廣闊的市場,成為真正意義上的“未來金屬”、“夢想金屬”。
4.結語
鈦的輕量、耐腐蝕、不變色、環保、后期維護成本低等特性,使得它在建筑行業中有很大的應用潛能,日本已將它應用于各種建筑當中,并將其捧為古建筑維護行業的一顆閃耀的明星,在現代建筑中也流光溢彩。隨著今后我國經濟的發展,不難預測鈦建材將會得到更多的應用。為打開鈦建材這個高端鈦材市場,相關行業協會、鈦材企業、建筑設計所等需要加強協作,在務實求穩當中苦煉內功,共同推進鈦建材的開發和鈦材加工工藝的研究,為“中國制造2025” 增磚添瓦。