外墙保温研究现状及发展趋势

3 外墙夹芯保温

“物竞天择，适者生存”，经过亿万年进化而来的生物体，生存机制自有其合理性，很多生态建筑原理都能够从自然界中找到对应的模型。作为新生的仿生研究，将其应用到生态建筑设计是重要方法之一。

“鸟巢”^[29]作为国家主体育场馆，建筑整体外形类似于编织的鸟巢，能够引入更多阳光。国家游泳中心被称为“水立方”，场馆结构的设计灵感来自细胞，外立面采用四氟乙烯打造，重量轻，隔热性能好。澳大利亚墨尔本议会大厦 2 期的建筑外体采用白蚁巢穴的结构，能够实现自然对流和通风栈道系统控制和维持温度。大连贝壳博物馆 ^[30] 作为全球最大的贝壳类博物馆，其造型模拟贝壳的外形，外挑大屋盖和楼板作为被动的遮阳系统，能够有效减少夏季阳光直射，起到节能功效。 

仿生建筑在外形、结构、功能等诸多方面都受到了国内外学者的高度重视，结构性能领域的理论研究虽取得了一定的进展，但对于合理结构和节能性方面的整合还缺乏相关的研究。从建筑外墙保温入手，应用仿生技术原理，实现建筑节能的各种创新技术快速涌现。

北极熊 ^[31]的毛发具有特殊的中空多孔结构，可以在其内部捕获空气并降低自身的热传导率，形成的隔热层能够在不同风速下保持其整体隔热性能的稳定性。将外墙结构制成北极熊毛类似的结构，能够起到对外墙的保温效果。

企鹅 ^[32] 的毛发保温构造与北极熊类似，它的每根纤维也具有其他纤维所没有的细小微孔，大量的微孔严重阻碍热量的传递，因此保温性能极好。在墙体保温中采用这种类似结构的材料，也可以起到事半功倍的效果。根据甲虫前翅开发的新型轻质高强仿生板 ^[33]，将其与以农作物秸秆填充空心墙板的新型预制墙板结合，对其保温性能进行研究后发现，其可以满足自保温墙体的要求，且多项指标均未达到限值，具有较高的安全冗余度。蜜蜂制造的蜂窝 ^[34] 也具有良好的隔热功能，通过蜂窝的流体可以与其内壁强迫对流，达到隔热的目的，并且作为 3 种典型多孔材料之一的蜂窝结构其空间架构可以节省原材料。 

蝴蝶拥有着优异的光学特性，通过对其体表研究发现，其翅膀表面含有一种结构，排布着很多精准重复的微小鳞片，能够增加对入射光的吸收。陈浩卿^[35] 基于蝴蝶表面鳞片结构设计了一种陷光保温外墙板，其基本原理就是利用蝴蝶鳞片表面的微纳结构吸收热量来达到升温的目的。将这种高效陷光的性能结构应用到外墙体表面之上进行外墙保温也是重要的研究方向之一。基于蝴蝶表面鳞片结构的墙板保温原理如图 11 所示。

人们对各种生物体进行模仿，并将这些元素应用到实际生活中，这是一种自然的仿生理念，如今仿生建筑已成为一种新的趋势。摒弃传统的设计理念，运用崭新的技术创新，真正合理地设计出复杂独特的仿生建筑，这是一道新的难题。在外墙保温中，将仿生结构应用到外墙表面上，同时加入一些环保材料，能够发挥材料与结构各方面共同的性能。目前，仿生外墙的研究成果较少，但这种新型方向在将来有着无限前景。

根据前文对外墙几种保温方式研究现状的阐述，笔者对比了国内外技术的优缺点，具体如表 1 所示。

由表 1 可知，在表面或内部应用仿生结构达到保温隔热效果这种新型方式要优于传统的保温技术。

如今，社会提倡低碳生活、绿色节能。为响应号召，建筑业作为耗能较大的产业，亟需采取有利于降低能耗的措施。外墙作为建筑体较大的围护结构，当外墙保温性能较差时，就会造成更严重的能耗损失。因此，我国乃至全球对于外墙的保温研究近几年较为热门。 

笔者对外墙的 4 类保温方式进行分析后发现，传统的外墙结构单一，材料简单，因此保温效果较差，热量的散失较为严重，建筑节能效果并不理想。学者们通过对动物翅膀表面以及皮毛等部位进行深入研究，发现其表面具有的各类结构应用到外墙表面可以极大提高外墙的光热转化效率，或者通过表面结构来降低自身的热传导率，保温效果也能够得到相应的提高。利用自然仿生原理减少建筑能耗损失，对外墙保温乃至其他领域都有着极大的启发以及参考价值。