绿色环保建筑铝型材门窗开发及应用

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，因为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。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、不争自明的事实，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有些不堪重负、力不从心的感觉，显示出要退出历史舞台的姿态。“绿色建筑”概念的提出助长了这种趋势。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。能负此重任的绿色建筑材料非铝莫属，因为经对比分析，当今世界的主要材料中，铝更具“绿色”的特点。铝合金具有密度小；比强度高；耐腐蚀；可表面处理；塑性好、可加工成各种特殊形状和规格的型材、管材、棒材和板材及锻件材等；不粘水，有良好的水密性、气密性和防漏水性能；可回收率达90%以上，再生能耗低、成本低、可反复循环使用；易运输，施工装卸方便，维护费用低等优良特性，是最理想的轻量化材料，而轻量化正是实现“绿色建筑”—低碳、节能、环保、安全的重要途径，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大规模兴起。目前正在研制和起步阶段的是以铝合金结构材料替代木结构和钢结构材料，根据初步试验研究和实践证明，铝结构较木结构和钢结构具有一系列无可比拟的优势。是一种名符其实的“绿色建筑”材料。具体来说，用铝合金作建筑结构材料具有密度小（2.7），仅钢材（7.8）的1/3左右；比强度高（相当于高强结构合金钢材）；耐腐蚀，可表面处理，美观耐用（建筑生命周期中的防腐工作量少，费用低，不影响正常生产经营使用，可用于湿度大、有酸雨或沿海地区；耐磨损、耐疲劳、可反复使用；不吸水、气密性和水密性效果好；具有良好的隔音、吸音和防漏水效果；空间结构现代感强：铝合金空间结构轻，基础投资少，便于装卸和施工，特别是对高层建筑和现代化的大跨度和薄壳结构建筑的设计、制造、施工具有独特的特点；塑性好，易成形，可加工成各种形状特殊大型整体空心和实心型材、管材和棒材，适应各种风格的建筑结构需要，使建筑构件的形式更合理；铝合金结构自重轻，现场无需大型重型机械配置，运输安装极轻便，可大大缩短施工周期，提高业主经济效益；全装配式施工，达到模块化、建筑工业化的标准，施工现场无噪音、无粉尘、对水、气无污染，属典型的绿色材料，绿色施工；同等跨度情况下，结构断面大幅减少（约钢结构的1/8截面），可增加建筑物6%左右使用面积，减少10%左右的空间浪费，节约土地和能源；铝合金材料可回收，回收率达90%以上，而且回收的能耗和成本很低，可循环，再次利用率大，是典型的可再生循环使用的环保材料。因此，越来越受到“绿色建筑”的青睐，以铝代木，以铝代塑，以铝代钢将越来越明显地成为“绿色建筑”业的大趋势。
 

2. 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、镶边等一般不承受重力，只需美观耐用就行。而结构材料是整个

建筑物的顶梁柱。以往，建筑结构材主要选用优质木材和钢材。为了绿化地球，森林不宜多砍伐，因此，木结构的应用越来越少了，在提倡低碳、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，污染环境部安全等原因，也逐渐感到力不从心 ，很难承担“绿色建筑”结构材的重任。因此，理想的绿色建筑铝合金结构材正慢慢登上绿色建筑结构材料的舞台，大有以铝代木、以铝代钢正成为“绿色建筑”结构材料主体之势。铝合金结构材料也有价格较高，加工技术含量高，生产难度大，各种性能难于合理匹配等特点，需要进行研究和产业化开发。
 

绿色建筑铝合金结构挤压材的特点和技术要求简述如下：

（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。表1为某厂生产的部分绿色建筑铝合金结构挤压材的断面信息表。

（2）为了提高建筑物的整体强度和刚度，和便于现代化大跨度和薄壳结构设计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3300MPa，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、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很高的要求，特别是对模具结构与使用寿命提出了更高要求，较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。

3. 绿色建筑铝合金结构挤压材的广泛应用及产业化生产的重大意义

（1）铝合金是目前世界上最理想的绿色建筑结构材料，产业化与广泛应用，对推广绿色建筑业的发展，促进我国城市化和工业化的进程，进而促进国民经济的高速持续发展和社会文明进步具有重大意义。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促进作用。

（2）建筑结构中以铝代木，使铝合金成为一种真正的“绿色建筑”材料，因为以铝代木可以大大减少砍伐保护绿色地球的森林，保护地球的绿色和低碳。何况铝结构与木结构相比，还是有强度、刚度高，减少结构断面，增加建筑物使用面积，节约土地和能源；耐水、防水、水密性、气密性好，杜绝渗漏水；耐腐蚀性能好，可表面处理，美观耐用；运输、施工、维护和装卸方便，成本低，特别适于高层和大跨度薄壳结构建筑；可回收率大于90%，回收成本和能耗低，而木材使用寿命短，只能作为垃圾回收。可见，铝合金结构材是一种真正的低碳、绿色、可循环使用的建筑材料。

（3）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：

• j 密度小。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，是典型的理想的轻量化材料。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要轻得多，因此，构筑物的基础投资要少得多。
• k强度高，一般中强铝合金材料的sb可达300MPa以上，相当于Q235钢，7075T6超高强铝合金的sb可达700MPa左右，可与高强合金钢比美，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。
• l 可制作成各种形状与规格的精密结构部件。与钢铁相比，铝合金具有良好的塑性和可成形性，可用各种压力加工方法（挤压、轧制、锻压和冲压等）在冷、热状态下大批量加工成各种规格和形状的精密空心的和实心的恒断面的、变断面的型材、管材、棒材、板材、锻件、模锻件及冲弯件等，而且能使构件截面形式更加合理。不需要精密机械加工条件 

  下，即可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。

• m 现场运输安装方便。由于铝合金结构自重很轻，现场无需大型重型机械装置，运输安装极为轻便，故现场施工周期可大大缩短，成本大大降低。
• n 抗腐蚀、可表面处理、美观耐用。与钢结构相比，铝合金结构的主要优点之一是抗腐蚀、经久耐用，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运用在湿度大，有酸雨、气候变化恶劣的环境或沿海地区。
• o不粘水，水密性好，可防水，杜绝渗漏水。由于铝合金建筑系统的铝合金结构是配合铝合金屋面材料一体化挤压成形，其连接形式可以配合屋面材料完美结合，做到零渗漏防水，而且铝加工材不粘水、不怕水渗漏和腐蚀。
• p 可回收循环使用是真正的绿色材料。铝合金材料回收成本很低，能耗仅电解铝的5%。可循环再次利用率大，回收率可达到90%以上（是钢材回收率的5倍以上），基本和铝锭价格差异不大，是典型的绿色环保材料。

• q 可实现绿色加工。使用铝合金结构可实现全装配式施工，达到模块化建筑、建筑工业化的标准。施工现场无噪音、无粉尘、对水气无污染，属典型的绿色材料、绿色施工。
• r 节约土地、能源和建筑成本。同等跨度情况下，结构断面大幅减小（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，具有重大的经济效益和明显的社会效益。加速我国城市化工业化的进程，确保国民经济的高速持续发展并改善我国经济增长和社会文明发展的质量。同时可拓展铝材的使用领域和市场占有份额，促进铝加工（特别是挤压加工）的发展和技术的进步。

4. 绿色建筑铝合金结构挤压材的应用及典型工程举例

铝合金作为一种建筑材料，具有一系列其它建材不可替代的优点。铝合金结构稳定，可采用独特短程线结构专利设计，稳定性高，结构紧凑，净跨度大，最大跨度可达300米，结构强度能适应各种不均衡风载、雪载等恶劣环境条件。

铝合金结构具有高性价比，耐腐蚀，无需定期维修和防腐处理，永久密封技术和独特设计保证不漏水，良好的隔音和吸音效果，单节点至少可承受50kg以上的吊挂重量，最大内部自承载超过200吨，可直接吊装灯光、音响，无需附加装置。

另外，在建造多功能体育场馆、溜冰场和各种配套商业设施及其它各种大型民用公共建筑工程中的应用也相当广泛。铝合金结构在建造游泳馆和溜冰场中可发挥其它材料不可比拟的优势。不同于其它体育馆场，在游泳馆中水气蒸发很严重，特别是池水中的消毒成分蒸发后会严重腐蚀馆内的其它金属材料，如果游泳馆采用钢结构，势必会影响整个场馆的稳定性。相反，铝合金结构耐腐蚀，可以很好地抵御水蒸气的侵蚀，保护场馆的结构不受损失，而且美观耐用。

铝合金空间结构现代感强，施工便捷，在体育、演艺、环保等大跨度标志性建筑中应用前景广阔。铝合金作为“轻量化合金材料与结构部件”重点推行的新型金属材料，轻量化铝合金材料可以替代传统的钢材和木材及其它建材，是符合“节能环保型建材”要求，是未来绿色建筑的发展方向。

铝合金结构挤压材早在航空航天、交通运输、汽车、动力能源、电子电器、机电制造等方面获得了广泛的应用。但在建筑工程方面的推广应用仅是近几十年的事，铝合金作为建筑和桥梁的结构材料，首先在意大利、西班牙、德国、法国、美国等工业发达国家使用，后来在日本、加拿大、英国等流行。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。我国由于基础较差，经济实力较弱（铝材的成本大大高于钢材）所以起步较晚，但近年来，由于我国经济实力的加强，并已成为铝业大国，加之正处于工业化、城市化建设高潮，以及绿色概念的普及，大大促进了我国绿色建筑工程上以铝代木、以铝代钢的进程。目前，我国很多大城市的重要建筑物已广泛采用绿色建筑铝合金结构材料。

我国经济实力的加强，并已成为铝业大国，加之正处于工业化、城市化建设高潮，以及绿色概念的普及，大大促进了我国绿色建筑工程上以铝代木、以铝代钢的进程。目前，我国很多大城市的重要建筑物已广泛采用绿色建筑铝合金结构材料。

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技术的基础上，结合我国实际情况，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独特的特点，尤其在复杂空间曲面和大跨度结构方面具有很好的优势。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，具有其它建材不可替代的优点，经济效益和社会效益明显。

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舞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，满足了设计和规范要求，不仅取得了良好的经济效益和社会效益，更为重要的是铝合金包括结构技术在工程实践中得到了进一步的提高和改善。

5. 小结

5.1铝合金挤压材与其它建材相比，具有一系列的无可比拟的优异特性，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。 

5.2 绿色建筑铝合金结构挤压材品种多、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，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。可促进挤压加工技术的发展。

5.3 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，加速我国工业化和城市化的发展并提高其水平，确保我国国民经济高速持续发展，同时可拓展铝材的应用领域，促进铝加工工业的发展。