想在火星上造房？強化複合冰材料是一種選擇

最新 05-05

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_________________________世界設計者_________________________

冰殼建築

強化複合冰材料建築使移居火星成為可能。

2018年冬天，來自荷蘭埃因霍芬理工大學（TU/e）和哈爾濱工業大學（HIT）的師生組成國際團隊，經過兩年精心準備，設計建造了世界上有史以來最高的冰殼式冰塔——高達31米的「弗拉門戈冰塔」。此前，荷蘭團隊已在芬蘭實現了多項冰殼結構，包括2014年的複合冰穹頂結構（Pykrete Dome），2015年的冰雪聖家堂（Sagrada Familia）與2016年的達芬奇冰橋。

上Pykrete 冰穹頂是大跨冰雪結構的第一次實驗，冰殼跨度到達30米，這種穹頂的形態只會在結構上產生很小的拉力。雖然冰材料具有非常低的拉伸強度，但是複合強化冰材料配合著穹頂形態實現了冰的薄殼結構的可能性

上冰雪聖家堂設計基於巴塞羅那聖家堂，由一座主塔，四座小冰塔與繩網垂掛結構的中殿組成

將複合冰材料噴在巨大的充氣膜上後，弗蘭門戈冰塔高達31米的冰殼結構得以成形，冰殼平均厚度為25厘米。通過在水中添加特殊纖維（如木質纖維）改善冰的微觀結構，是複合冰材料創造新高度記錄的關鍵之一。這種材料組合使冰外殼堅固異常，從而創造出可靠的建材，使大型冰殼結構的建造成為可能。同時，複合冰材料可持續且零污染。水可就地取材，而纖維紙運輸方便，實現冰材料的大跨結構之餘，纖維還具有保溫的效果，故而非常適合臨時建築建造，對於處在冬季的嚴寒地區而言尤為適宜。複合冰材料可用於建立極地考察或石油鑽探的臨時住所，甚至可用於未來火星移民，建造臨時冰屋。這項具有可持續性的建造方法前景十分可觀。

上噴射複合冰材料的工作非常辛苦，往往需要3至5人一組，一個人負責控制噴嘴，其餘人員配合拖動水帶

上複合冰材料噴射工作結束後，冰殼體結構得以完全自成結構，將充氣膜放氣，通過搖拽將充氣膜撤出冰殼，展露冰殼完美的內部結構

冰殼建築施工設備的轉配與編程調配皆由荷蘭埃因霍芬理工大學師生在5年內研發完成，可以實現氣膜數據實時監控，自動充氣以及複合冰材料的半自動生產。冰塔建造團隊由荷蘭埃因霍芬理工大學建築環境學院助理教授 Arno Pronk 帶領 Yaron Moonen 和周軼玲組成，並與哈爾濱工業大學建築學院教授羅鵬和土木工程學院教授武岳通力合作。在持續多年的實驗和實踐後，荷蘭團隊最新研發的可持續複合加強型冰材料技術實驗突破了傳統冰磚建築的局限，由此創造出全球最高的冰殼體結構。其結構穩定，施工方便，材料環保，可實現生產過程的半自動化與實時監控。

上複合冰材料的噴射工作從地基開始逐漸往上，可以看到在基礎部分，一定厚度和強度的冰殼結構不再附著於充氣膜上，而是自身成形

上此時，冰殼結構已經形成了一定的厚度，複合冰材料的噴射工作需要保持24小時不間斷，高空作業與地面作業同時進行

上複合冰材料的噴射已接近尾聲，藍色的充氣膜基本被覆蓋，只剩塔尖部分，建造過程中，由於風力和冰雪材料噴射厚度不均勻等問題導致冰塔主體傾斜，及時通過吊車繩索牽拉調整

不過，冰殼建築的建造過程中還是存在著諸多困難和不確定性，需要實時監控處理。冰塔建造從充氣膜開始，而一個大跨度或者30米高的充氣膜顯然不是正常手段可以搬動的。由於氣溫過低，充氣膜材料整體脆性較大，充氣膜內沒有氣壓，因此極難張開。在某次移動冰塔充氣膜的過程中，吊車由於不恰當運輸在充氣膜上劃開了一個20米長的口子。建造團隊最終花費近8個小時進行修補，整個修補過程在深夜零下26度的環境中進行，是意志和耐力的終極考驗。好在來自荷蘭的小夥子們都非常吃苦耐勞，輪番工作8個小時，連飯也不吃，執意把膜修好。

上在建造過程中，發生充氣膜破損的問題，將類似的充氣膜材料覆蓋破損位置，通過熱熔技術及時修補充氣膜

上從冰殼結構的截面可以看到不同層次的肌理，由於噴射的複合冰材料有木纖維與水和纖維紙漿與水兩種配方，噴射過程兩者交替進行，因此形成不同顏色的層次肌理

另一次毫無徵兆的系統崩潰險些成為 Structural Ice 團隊的巨大危機。雖然團隊已擁有相對先進的監測控壓設備，並實時充氣，保證充氣膜內氣壓穩定，某日充氣膜卻鬼使神差地開始放氣，一時似乎毫無解決辦法。團隊核心成員 Yaron Moonen 和周軼玲第一時間衝到現場，遠遠看見巨型充氣膜在空中失控地搖擺。最後，在前功盡棄的壓力之下和眾人的驚恐之中，Yaron 及時修復了系統電源故障，危機得以解除。及至噴射複合冰材料的最終步驟，工人們不僅被全身淋濕，還必須在零下20多度的環境里持續作業，工期因此再度拖延。

儘管極寒環境中為期一月的高強度建造磨難重重，荷蘭學生與中國學生和工人的交流合作充滿樂趣。荷蘭團隊的成員雖說大部分是學生，卻幾乎都有自己的工作和專長。有人精通水電，有人擅長編程、結構。荷蘭學生超凡的動手能力是險中求勝的要素。一位來自於土木工程專業的碩士生除了精通本專業知識外，還是一名經驗豐富的汽修工人，幾乎對所有的設備從原理維修到更換了如指掌，甚至還是一名業餘話劇演員。

上懸掛繩索的中殿設計靈感來源於高迪聖家堂的懸索結構設計，而將冰雪材料噴射在親水性高的繩索上，冰雪材料附著在繩索達到一定厚度後形成懸掛的冰柱；由於繩網結構的原因，冰塔上呈現菱形的網狀，與噴射冰雪材料自然產生的層層冰柱形成豐富的表面肌理

上弗蘭門戈冰塔的設計結合了東方傳統塔樓的形態和弗拉明戈舞蹈的動勢與優美

歷經整整一個月，弗拉門戈冰塔終於圓滿落成。在充氣膜被撤下的瞬間，微弱的陽光透過白皙的冰材料射入建築內部，形成一圈淡黃色光暈，使人想起西方大教堂神聖的拱頂。六個入口恰如裙擺，莊重而連續的拱門訴說著史詩般的故事。冰塔的內與外是截然不同的，從外觀上看，如若了解西班牙弗蘭門戈舞蹈，便能明白它的造型含義。細看冰塔肌理，在噴射過程中，冰材料會順勢向下流，形成一道道冰柱；由於材料中富含纖維，冰柱表面並不光滑，而是有著一節節祥雲般的紋理。在建成的冰塔前，無人不為它的威嚴和奇異駐足。似是理所當然，冰塔從天而降般出現在你眼前。

Structural Ice Team攝影

周軼玲 Cara Cheung撰文

鄧圓也、saltypink編輯