天然石材在建筑中的运用以及其构造原理与实例分析

天然石材在建筑中的运用以及其构造原理与实例分析也许人类自从有了建造的欲望,就开始和石材有了不解之缘,石材装饰材料很早就被应用于建筑空间中，因为其容易获得，坚固耐用、美观、华丽和高贵，在建筑中应用日趋广泛。建筑装饰石材包括天然石材和人工石材两种。天然石材是一种具有悠久历史的建筑材料，河北赵州桥和意大利比萨斜塔都是天然石材建造的。天然石材具有较高的强度、硬度、耐磨、耐久等优良的物质力学性质；而天然石材经表面处理表现出美丽的色彩和纹理，又具有较佳的装饰性。然而从20年代80起，人造石的出现使装饰用石材的家族更加的庞大，石材的加工制作的工艺越来越先进，石材在装饰中应用越来越广泛。一、石材类装饰材料的来源（一）、天然石材的来源天然石材来源自岩石，各种造岩矿物在不同的物质条件下，形成不同的岩石类型，通常可分为三大类，即火成岩、沉积岩和变质岩。1.火成岩（岩浆岩）火成岩是地壳内部岩浆冷却凝固而成的岩石，是组成地壳的主要岩石，按地壳质量计量，火成岩占89%。由于岩浆冷却条件不同，所形成的岩石具有不同的结构性质，根据岩浆冷却条火成岩分为三类：深成岩、喷出岩和火山岩。2.沉积岩（旧称水成岩）沉积岩是露出地表的各种岩石（火成岩、变质岩及早期形成的沉积岩），在外力作用下，经风化、搬运、沉积、成岩四个阶段，在地表及地下不太深的地方形成的岩石。其主要特征是呈层状，外观多层理和含有动、植物化石。沉积岩中的所含矿产极为丰富，有煤、石油、锰、铁、铝、磷、石灰石和盐岩等。沉积岩仅占地壳质量的5%，但其分布极广，约占地壳表面积的75%，因此，它是一种重要的岩石。建筑中常用的沉积岩有石灰岩、砂岩和碎屑石等。3.变质岩变质岩是地壳中原有的岩石（包括火成岩、沉积岩和早先生成的变质岩），由于岩浆活动和构造运动的影响，原岩变质（再结晶，使矿物成分、结构等发生改变）而形成的新岩石。一般，由火成岩变质成的称为正变质岩，由沉积岩变质成的称副变质岩。按地壳质量计，变质岩占65%。建筑中常用的变质岩有大理岩、石英岩和片麻岩等。二、石质类装饰材料的分类（一）.建筑装饰石材的分类：1.天然大理石（1）.天然大理石的组成特点：天然大理石是一种变质岩，它是由石灰岩、白云岩、方解石、蛇纹石等在高温、高压作用下变质而生成，其结晶主要由方解石和白云石组成，主要成分是碳酸钙，其含量约为50%-75%，呈弱碱性。有的大理石含有一定量的二氧化硅，有的不含有二氧化硅。颗粒细腻（指碳酸钙），表面条纹分布一般较不规则，硬度较低。（2）.天然大理石的结构以及性质特点：①.大理岩多呈细晶粒结构，属块状结构②.体积密度大③.抗压强度高④.吸水率低⑤.莫氏硬度3—4级，较易于雕琢、磨光⑥.杂质少，坚固耐久⑦.纹理细密、丰富，色彩、图案多样可开光性强⑧.抗风化能力差（少数的大理石抗风化能力强，如：汉白玉、艾叶青等）（3）天然大理石的具体分类：A类：优质的大理石，具有相同的、极好的加工品质，不含杂质和气孔。B类：特征接近前一类大理石，但加工品质比前者略差；有天然瑕疵；需要进行小量分离、胶粘和填充。C类：加工品质存在一些差异；瑕疵、气孔、纹理断裂较为常见。修补这些差异的难度中等，通过分离、胶粘、填充或者加固这些方法中的一种或者多种即可实现。D类：特征与C类大理石的相似，但是它含有的天然瑕疵更多，加工品质的差异最大，需要同一种方法进行多次表面处理。这类大理石连累了许多色彩丰富的石材，他们具有很好的装饰价值。（4）、主要品种中国大理石资源广博、品种丰富，有云南、山东、四川、安徽、福建、广东、辽宁、湖北、北京等二十多个省市盛产近400个品种的大理石，其中最值得一提的是云南大理石云南是大理石之乡，其石材以品种多样、石质细腻、光泽柔滑、图案独特而闻名，目前主要有云灰、白色和彩花三种大理石2.花岗石（麻石）（1）.天然花岗的特点：天然花冈石的主要成分为酸性物质，质地硬，属硬石材，密度为2500Kg/m3～2700Kg/m3，常呈现均粒斑纹及发光云母颗粒，其结构致密，抗压强度高，吸水率小于0.75%，材质坚硬，具有耐磨、耐火、耐大气及化学介质侵蚀、不易风化、耐腐蚀性强的特点。天然花冈石经加工磨光后，石材的花纹晶粒细小，云母与石英细晶分散其中，形成亮光闪烁、色泽深浅有变化、斑点花纹美丽的装饰效果，适合于外墙、柱面等的装饰。（2）.天然花岗石主要品种：1).剁斧板材石材表面经手剁斧加工，表面粗糙，呈有规则的条状斧纹。剁斧板材表面的质感粗犷大方，多用于建筑外墙、防滑地面等。2).机刨板材石材表面被机械刨成较为平整的表面，有较规则的刨切纹，用途与剁斧板材一致。3).粗磨板材石材表面经过粗磨，表面较光整没有光泽，多用于装饰需要柔光效果的墙面、基座和纪念碑等。4)磨光板材石材经精细加工，表面光洁，材质的晶体纹理清晰，颜色绚丽，多用于室内外地面、墙面、立柱等处的装饰。（3）、主要品种我国的花岗岩同样资源同样蕴藏丰富，品种繁多。有四川、山东、广东、河南、江西、山西、湖南等十多个省市盛产100多个优秀的花岗岩品种。如：江西的石棉红，山东的济南青，广东的中山玉，江西的豆绿，河南的菊花青、云里梅，山西的贵妃红、麻点白等。世界上有许多国家盛产好的花岗岩品种。如：意大利的石灰华、维罗纳红、卡拉腊白等。三、建筑石材的应用在众多材料的贡献中，石材是非常特殊的，无论是在远古时代还是在当今的文明社会，从数万年前的原始人山石洞穴到二十一世纪文明人的生活空间，石材一直是建筑、装饰中最常用的材料之一，很少有其他材质能象石材一样有着几万年甚至几百万年的生成史及如此长久的使用史。石材的应用应该追溯到人类的起源时代，当时的人们就已经学会了用石材类作为一个攻击生存的武器。石材的坚硬、优良的性能和丰富的蕴藏，被各个历史时期的人们所青睐。作为一种建筑材料，石材承受了千百年来风雨的冲洗淋刷，但依然屹立。如今，还保留着许多石材建筑。现如今，石材不仅仅运用于建筑之中，还作为一种装饰装扮着我们的生活空间。石材应用于我们生活的方方面面，像石材类地板、卫生间防滑地砖、汉白玉的浴缸、大理石修砌的建筑外立面等。（一）、石材在古代的应用世界很多历史时期中，石材作为一种常见的装饰材料却给人类带来了非同一般的装饰与建筑艺术。各个历史时期中的石雕、玉雕、石器以及各种建筑用石材，由此可见石材扮演着非比寻常的作用。西方历史中，运用石材作为基础材料是西方古建筑的主流。并且石不但是重要的建筑语言，更是艺术表达的重要载体。艺术家依据主题及表现手法的需要选择不同的石料。传统建筑中大量出现的石雕塑像、石镶嵌壁画以及丰富的窗饰、柱饰更使石的使用呈现多彩的面貌。中国的古代建筑中木材是一种主流的建筑基础材料，石材多作为桥梁、装饰性形象、雕塑、以及作为一种地面的基石。还有一个重要的应用是宗教中的应用，例如敦煌石窟等。如图：中国古代运用石材建造的赵州桥，建造在隋朝大业年间，由著名匠师李春设计和建造。虽然经历了这么多年风雨的腐蚀冲刷，但是赵州桥依然是保存完善。（二）、石材在现代空间的应用现代建筑中石改变着形态却更具丰富面貌。认识到石材的合理开发利用和不可再生性，人类开始开发利用各种加工石材的技术以达到预期目的。瓷砖、陶砖、人造石、石粉、马赛克……这些新型建材都以石为母体，又在各自的分支中不断推陈出图为人民大会堂湖北厅，地面和墙面都铺满了石材，使这个空间显得富丽堂皇。此图为北京西苑饭店，这个饭店是五星级饭店。如图所示的为本饭店的餐厅背景墙，这些背景墙的石材很有特色，古韵十足。西苑饭店所用的石材有碧桂园、绿玉石、白玉石、海纹玉等。左图为，北京广西大厦的大堂。这个大堂地面用的是石材水刀拼花来装饰，组成的图案多变化，富有动感。这个是广西大厦的卫生间地面，其使用的是黄底金线石材，进口大理石。本案同样是北京广西大厦，使用的是天然石材做卫生间的地面、墙面以及台面板。整天色调黄色为主，台面板使用的是黑底金线，与墙面的黑色石材正好相呼应，整天效果统一而又富有变化，不过与非常的死板。广州国际信托大厦广州国际信托大厦用的雪花白对花，所谓雪花白对花就是同一块石板对剖之后往两边展开，所得两片薄板能够镜像般地相似，它给人一种的不同凡响的镜像视觉冲击力，彰显石之高贵、优雅。广州国际信托大厦大面积在墙面运用雪花白对花，大气凝重。四、石材幕墙的构造原理（一）、石材幕墙材料1）石材：设计要求，确定石材的品种、颜色、花纹和尺寸规格2）骨架及连接材料：石材幕墙的骨架形式目前广泛采用的是铝合金型材型，层高较大的楼层常常采用钢型材。钢龙骨、连接件（角码）等钢材必须做防腐处理（镀锌或防锈漆）；3）辅助材料合成树脂胶粘剂：用于粘贴石材要求具有防水和耐老化性能。防水胶泥：用于密封连接件。嵌缝膏：用于嵌填石材接缝。(二)石材幕墙的连接形式1、绑扎固定灌浆法(传统)2、钢销式连接钢销式连接是最早采用的连接方式，它通常在石板上下边钻直径7-8mm的圆孔，插入直径5-6mm的不锈钢销，钢销孔内注入大理石胶，钢销连接不锈钢板，不锈钢板用螺栓与横梁连接。3、短槽式连接（托板式）短槽式连接是将钢销式连接的圆孔改为有效长度为100mm的沟槽，将钢销改为80mm宽的挂钩板。4、通槽式连接是在石板上下边开有通长的槽口，由通长的挂板拉结。槽口深17-22mm，宽6-7mm，挂板深入槽15mm。5、干挂件连接膨胀螺栓销钉密封胶结构胶不锈钢挂件不锈钢螺栓膨胀螺栓孔调整孔螺栓孔销钉螺栓孔6、背栓式连接背栓式连接是在石材背面开背栓孔，将背栓植入背栓孔后在背栓上安装连接件，用连接件将石材与幕墙结构体系连接(图1)。五、天然石材的实例应用1、日本青年建筑师隈岩吾(KengoKuma)在其一系列的作品中,不断尝试对于木材、纸、竹子、石材甚至塑料的创新运用,通过对这些并不多见的技术的不断实验和尝试,建筑师成功地塑造了其在建筑材料使用上的国际声誉,技术服务于艺术并且表达着艺术.在其石材美术馆(见图2)作品中,通过和白井石材这一石材业主的沟通,得知了石材可以比较轻松地加工成格栅,建筑最后采用组长1500mm,截面是40mm×150mm的芦野石做格栅,并通过间距1500mm的带锯齿形沟槽的石柱固定,形成了独特的外墙肌理和遮阳效果.而且,该建筑还采用了厚度仅6mm的透光大理石,产生了独特的光影和空间效果.2、在瑞士Stpius(1996)教堂[1](见图3)设计中,建筑师FranzFueg就尝试着用透明石材创造教堂内部神秘的空间效果,教堂外墙由灰色的尺寸1.5m和1m,厚度是28mm的大理石板构成,板材自身由钢柱支撑,光线可以穿过大理石落到室内,形成朦胧而又有石材纹理的特殊光影效果,同时反映着四季和周边景色的不断变化.3、建筑师伦佐·皮亚诺和工程师彼得·怀斯合作设计的意大利教士朝圣教堂(PadrePioPilgrim-age)(见图4),利用了当地的石材并采用了后张承重这一石材运用的新技术,形成了45m跨度的石拱结构,创造了石材跨度的历史之最.而整个建造过程也是石材开采、工厂加工、施工过程一系列的高新技术的运用成果,将石材的性能发挥到了极致.六、结语就像阿特金斯(Atkins)和巴格纳尔(Bage-nal)指出的那样:伟大的建筑流派总是与精良的材料一起诞生,而每一栋较重要的建筑都对应着一采石场(制砖厂)或一片缺失的森林[4].经典的石材建筑也有这种唇齿相依的依赖关系,帕提侬对应的是潘泰列孔山,而故宫中大量的优质汉白玉来源于西郊房山的大石窝和门头沟的清白口.随着全球对于生态和可持续发展的追求,倡导绿色建材成为大势所趋,在盛产石材的地域大力推广石材建筑,正符合这一要求.从石材开采、加工运用中的材料消耗、到减少放射污染、再到如何实现石材的有机更新都成为新的研究课题,对石材的可持续利用必将成为未来建筑艺术的创新点.而中国建筑要想实现从数量到质量的根本转变,必须在提高建筑技术整体水平的同时,提高建筑师创造性运用技术的能力,二者缺一不可.相信随着石材加工工艺的变化和建筑观念的更新,中国建筑一定会有更多的石材建筑精品出现.