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探讨自然环境因素对于不同海洋区域建筑的影响

2020-06-29 534 上传者：管理员

摘要：随着海洋技术以及人居理念的发展,人们对于生产生活空间的需求越来越多,对于海洋建筑的研究成为了当下热点话题之一。本文通过对海洋建筑的概念及背景研究,总结了影响海洋建筑发展的自然环境因素,包括水文环境、大气环境、微生物、海洋灾害等等,并且在这个基础上分析了自然环境因素对于不同海洋区域建筑的影响,希望为未来海洋建筑的研究提供帮助。

关键词：
海洋建筑
海洋灾害
海洋环境
环境因素
自然环境因素
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1、引言

随着经济发展以及科学技术的进步,人们对于生产生活空间的需求日益增大,同时陆地的土地资源快被人们开发到极限,因此,科学家和建筑师们开始加强对海洋空间的开发利用。另一方面,在进入21世纪之后,人类面临着人口的急速增长:世界人口以约3600人/天的速度向沿海地区转移。这种转移使沿海地区的居住空间急剧减少,也促使人们对于海洋居住空间的探索走向更深层次。

2019年4月,在海军成立70周年多国海军活动中,习近平主席会见外方代表团团长时指出:海洋对于人类社会生存和发展具有重要意义,应立足自身、放眼世界,运用有效手段,联合一切积极力量,推动构建海洋命运共同体。

2、海洋建筑的概念

海洋建筑是一种区别于陆地建筑的建设工程,随着社会进步、技术发展,人们开启了海洋开发的新篇章。广义的海洋建筑包括所有海洋工程。根据《防治海洋工程建设项目污染损害海洋环境管理条例》第三条的规定:“海洋工程是指以开发、利用、保护、恢复海洋资源为目的,并且工程主体位于海岸线向海一侧的新建、改建、扩建工程。”[1]狭义的海洋建筑指在海岸、海上和海底所进行的用于海洋防护、生产、娱乐、交通等用途的建筑工程施工及其准备活动。本文研究的海洋建筑是指纳入人类活动场所的海洋空间,包括在其上兴建的建筑物及其附属结构物。

3、影响海洋建筑的自然环境因素浅析

和陆地环境不同的是,海洋环境会给建筑物带来不稳定、腐蚀等一系列问题,以下从水文环境、大气环境、微生物和海洋灾害四个方面分析影响海洋建筑的自然环境因素。

3.1水文环境对海洋建筑的影响

在众多影响因素当中,水文环境对于海洋建筑有最直接的影响。而水文环境包括海水温度、海水密度、盐度、海流、海浪等等,这些因素在一定情况下都会对海洋建筑的建设产生影响。

3.1.1海水温度

海水温度反映海水热状况,在对海洋建筑设计的时候需要根据海水温度变化的规律来调整房屋的温度调控。

3.1.2海水密度

海水密度指单位体积内海水的质量。和浅海区相比,深海区海水密度大;和高温区相比,低温区海水密度大;和低盐区相比,高盐区海水密度大。

3.1.3海水盐度

海水盐度反映海水中的含盐量。海水盐度与海洋建筑的稳定性息息相关,建设区域的海洋盐度越高,海洋建筑单位体积所受的浮力越大。

3.1.4海流

海流指海水沿流动方向通过一定的速度,进行的非周期性的活动。由于海流存在的普遍性,其运动会对于海洋建筑产生一定影响。[2]

图1-未来海上城市构想图

图2-方舟

图3-日本巨球状海上漂浮城市

图4-海底建筑

3.1.5海浪

波高和波长异常的海浪对海洋建筑结构破坏性巨大,又加上海浪的产生是随机和未知的,严重影响了海洋建筑结构的稳定性。

3.2大气环境对海洋建筑的影响

大气环境中的温度、湿度、风速、气压和降水会对于海洋建筑有很大的影响。

3.2.1温度

通过温度的变化使得海洋快速发生水化反应,使得海洋建筑的混凝土硬度发生变化,同时也使水分挥发速度加快,让很大一部分的水分减少,对于海洋建筑用料及环境来说都属于不利因素。[3]同时海洋环境中水分蒸发现象较为频繁,随着水分的蒸发,海洋建筑的水泥性质发生变化,骨料浆之间的粘结力也会降低。

3.2.2湿度

海洋环境复杂,相对湿度差异大。和陆上建筑相比,海洋建筑混凝土材料内部含水率更高,导致海洋建筑的抗压强度和环压抗拉强度小。

3.2.3日照

太阳日照当中的紫外线对于海洋建筑有着极大的威胁。紫外线会影响海洋建筑材料的聚合物降解速率,长时间受强紫外线照射的情况下,海洋建筑物寿命会大大缩短。

3.2.4风荷载

风荷载是风雨建筑接触时在其表面形成的一种牵引力。在海洋环境下,风荷载对于建筑的影响相比于陆地建筑来说更大。其主要影响是使建筑产生侧向变形,风大时会使得海洋建筑产生振动。

3.2.5海雾

海雾产生于海水表面大气,是一种水汽凝结(华)现象。由于海洋独特的湿性环境,一般来说海雾主要出现在冬季的早晨,浓度相比于陆地来说要大得多,一般来说,海雾持续时间比较长,对海洋建筑物的混凝土和钢筋侵蚀较为明显。

3.2.6降水

雨、雪等在形成和降落过程中会发生一系列化学反应,与二氧化硫以及氮氧化合物产生PH小于5.6的降水为酸性降水。海洋由于湿气重,更易形成降雨,因此受到酸雨侵蚀更多,主要会腐蚀建筑外墙的外露构件。

3.3微生物对海洋建筑的影响

海洋微生物其成长环境较为特殊,长期需要海水当中的养分滋养,可以在温度较低,养分较少的环境当中大量繁殖,其在海洋环境当中既担当着分解者,又担当着生产者的角色。从分类上来说,可分为海洋真菌、海洋细菌以及海洋病毒,本文主要探讨对于海洋建筑有明显影响的海洋真菌及海洋细菌两类。

3.3.1铁细菌

铁细菌大量存在于二价铁离子浓度高的海域。铁细菌可以在海水特定环境当中与海洋建筑表面的铁锈层发生大规模的化学反应,其形成的铁锈层会使水质发生污染,并且会在建筑表皮形成一定的电化学腐蚀。

3.3.2硫酸盐还原菌

硫酸盐还原菌在无氧条件下大量繁殖产生黏液,加速锈垢的形成,还可能堵塞海洋建筑的管道,甚至使海洋建筑的构件产生腐蚀和穿孔。

3.3.3硫杆菌

硫杆菌依靠还原新型无机硫化物产生能量,是一种自养兼厌氧型细菌。厌氧条件下,硫杆菌需要硝酸盐,还会溶解气态氮,对于海洋建筑表皮有一定的腐蚀作用。

3.3.4木生真菌

木生真菌大多为腐生菌,善于分解纤维素,数量大且分布广。在浅海环境和热带海域中分布更加广泛,易使海洋建筑的木质结构腐烂。[4]

3.3.5寄生藻体真菌

寄生藻体真菌是海洋中数量最多的真菌之一,数子囊菌类最多,约占海洋真菌种数的1/3。有共生、腐生和寄生等多种类型,能够破坏聚氨基甲酸酯等分子合成材料。[5]

3.3.6红树林真菌

红树林真菌多数营腐生生活,在海洋中大量存在,对于海洋建筑表面的木质结构产生腐蚀影响。[6]

3.3.7海草真菌

海草真菌数量很少,多栖居于叶部,为海洋植物提供营养,多数靠依附生活,少数自由生活,可使海洋建筑中的木质结构腐烂。

3.3.8寄生动物体真菌

寄生动物体真菌营寄生生活,存在于动物外骨骼及壳部,对聚氨基甲酸酯等分子合成材料产生危害。

3.4海洋灾害对海洋建筑的影响

海洋中的灾害可以对海洋建筑结构产生直接的危害。

3.4.1海冰

海冰对建筑物结构的危害巨大。其一般是指在海平面上下浮动的冰块部分,会因为海洋环境的变化对于建筑产生很大的破坏影响,其对于海洋建筑基础会产生变形和破坏,使建筑受损。

3.4.2海底滑坡

海底滑坡指海底沉积物在重力作用下沿斜坡滑动的过程,包括蠕动、崩塌与重力流等现象,对海洋建筑物的稳定性有摧毁性的危害。

3.4.3海底侵蚀

各种类型的淘谷地貌、强烈的海底侵蚀与堆积、沙波等海底地表地质因素,严重影响了海洋建筑安全。[7]

3.4.4电化学腐蚀

当海洋建筑处于海水环境当中,由于金属及合金表面具有微观不均匀性,导致海水中的金属界面上电极电位不均匀,形成了无数具有腐蚀性的微电池。[8]

3.4.5地震

地震产生地震惯性力、位移以及压力,对海洋建筑稳定性产生破坏性的危害。地壳的运动还会产生一系列海底滑坡和海底崩塌现象,使得海洋建筑的基础部分遭到破坏,使得海洋建筑发生一系列下沉和滑坡现象。

4、自然环境因素对不同海洋建筑设计与建造的影响

随着海洋建筑技术的不断发展,在海洋的很多区域都有了相应形式的建筑构造物。根据建筑建造的地域不同,海洋建筑可以分成海面建筑、浅海建筑和深海建筑三类。

4.1自然环境因素对海面建筑的影响

海面建筑主要指的是建设在海面上的建筑物和与陆地相连的漂浮载体,或者是以某种形式固定在海面上的建筑。俄罗斯的雷米工作室设计了一个拱形海上漂浮建筑,命名其为“方舟”(图2)。部分海面建筑用绳索和锚固定在某一位置,不随风浪流任意漂移,其结构特点是柔性非常大。目前的海面建筑通常由泡沫浮基、混凝土基座和轻质上部三部分组成。

海面建筑受到海洋地理条件限制,其基座常常会受到海水温度、海水密度、海水盐度、海流、海浪等方面的影响。在大气环境当中,温度和湿度会影响海面建筑的水泥性质和骨料浆的粘连性,日照和风会对海面建筑表面的塑料、石材、金属、砖瓦和木材等筑材产生风化等影响。而近海的海雾也会对海面建筑物的混凝土和钢筋产生侵蚀现象。对于海面建筑物来说,大气环境当中的降水会对其产生较大的影响,主要会腐蚀海面建筑外墙外露构件,使混凝土碳化,使海面建筑的金属结构锈蚀。

而在各类海洋灾害中,由于海面建筑大多是漂浮在海面上,因此受到海水的腐蚀较多,特别是海面建筑金属界面上的电极电位不均匀会造成电化学腐蚀,穿透或剥落海面建筑金属表面涂层、破坏建筑表面保护层。除此之外,地震也会导致海面建筑的地基发生破坏,引起海面建筑基座的下沉、滑移和倾倒事故。

4.2自然环境因素对浅海建筑的影响

浅海区指海面以下200m内的区域。浅海区阳光充沛,其上半部多为喜光性浮游植物,而在浅海区的下半部和底部只生长着暗光性的植物。由于浅海区距离海面近,有一定的可见光,生物较为友善,因此是海洋建筑重点的突破方向之一。很多移动半潜平台、天然气和石油勘探开采平台、浮式贮油库、浮式飞机场等建设工程都在浅海区展开。[9]而在浅海区的海洋建筑在施工方面通常会选择对水下岩石施工,利用沉井法、沉管法等等。

由于在水面以下,大气环境对浅海建筑影响较小,水文环境当中的海水温度、海水密度、海水盐度都会对浅海建筑表皮材质和温度方面产生影响。在浅海区的微生物群体当中,存在最多的当属铁细菌、硫酸盐还原菌、硫杆菌,含有铁成分的金属建筑材质为其提供了一个天然的生长繁殖场所,使他们可以快速繁殖生长。在浅海建筑材质表皮形成的铁锈层和锈瘤不仅污染水质,甚至促使产生氧差电池腐蚀,导致建筑材质局部穿孔,造成经济上的损失,并且对于浅海建筑表皮有一定的腐蚀作用。

4.3自然环境因素对深海建筑的影响

深海区是指水深在500m以下的海域。相对于海面和浅海区来说,深海区的环境是相对稳定的。深海区生物数量少,氧的消耗相应减少,含氧量有所增高,那里生物栖息密度相对地高一些,深海区的盐度基本上是恒定的。深海底部的广大面积都覆盖以微细的沉积物,通常称为软泥。就目前来说,深海区大部分为无光或者是微光环境,对于海洋建筑的建造技术要求较高,目前在深海区以建设无人深潜的潜水器和遥控的海底采矿设施等为主。

深海建筑受到大气环境影响较少,但会受到海流、海水温度、海洋密度、海水盐度等方面的影响,使得深海建筑结构抗压强度和环压抗拉强度减小。在深海区域,会受到微生物环境影响较多,深海环境中的木生真菌、寄生藻体真菌、红树林真菌、海草真菌、寄生动物体真菌等会对于深海建筑的木质结构造成损害,使深海建筑中的木质结构腐烂。此外,在深海环境中,由于海底滑坡和海底侵蚀的影响,会让深海建筑一侧桩腿的地基基础减弱,产生的不均匀沉降使其发生倾斜翻倒。

5、结语

目前海洋建筑面对的水文环境、大气环境、微生物作用、海洋灾害,以及人为因素都对于海洋建筑发展造成了阻碍。在未来的研究中,需要利用先进科技手段减少或排除这些因素的干扰,使得海洋建筑能遍布世界各大海区,为人类拓宽生产生活空间提供新的选择。本文通过对影响海洋建筑的自然环境因素研究总结,根据建筑所处海洋区域的不同,将海洋建筑形式分为海面建筑,浅海建筑以及深海建筑三类,并浅析自然环境因素对于不同海洋区域建筑的影响,为未来海洋建筑的发展打下夯实的基础。

参考文献：

[1]周旦平.试论海洋工程建设法律体系的构建[J].海洋信息,2015(02):34-37.

[2]王奎民.主要海洋环境因素对水下航行器航行影响分析[J].智能系统学报,2015,10(02):316-323.

[3]文贺珍,胡亚艳,肖四琴,冯爱芹.气候变化对建筑工程的影响研究[J].科技视界,2013(36):101+89.

[4]徐婧.湛江红树林滩涂海洋真菌资源初步研究[D].广东海洋大学,2011.

[5]方喆.海洋丝状真菌灰绿曲霉AgLigD基因功能分析和光感应的初步分析[D].华东理工大学,2010.

[6]武素茹.海洋厌氧微生物膜对碳钢的腐蚀机理与过程[D].中国海洋大学,2007.

[7]吴承强.福建近岸海域海底地貌研究[D].中国海洋大学,2011.

[8]赵林,龚建东.船舶海水管路中常见电化学腐蚀及防止方法[J].科技资讯,2013(13):93.

[9]刘学庆.海洋环境工程钢材腐蚀行为与预测模型的研究[D].中国科学院研究生院(海洋研究所),2004.

韩晨平,翟羽佳,潘靖尹.影响海洋建筑设计与建造的自然环境因素浅析[J].中外建筑,2020(05):77-79.

基金:“北京建筑大学北京未来城市设计高精尖创新中心(未来“城市-建筑”设计理论与探索实践研究,项目编号UDC2018010411资助.