怎样在火星上建造圣家族教堂？

冰壳建筑

强化复合冰材料建筑使移居火星成为可能。

2018年冬天，来自荷兰埃因霍芬理工大学（TU/e）和哈尔滨工业大学（HIT）的师生组成国际团队，经过两年精心准备，设计建造了世界上有史以来最高的冰壳式冰塔——高达31米的“弗拉门戈冰塔”。此前，荷兰团队已在芬兰实现了多项冰壳结构，包括2014年的复合冰穹顶结构（Pykrete Dome），2015年的冰雪圣家堂（Sagrada Familia）与2016年的达芬奇冰桥。

 上    Pykrete 冰穹顶是大跨冰雪结构的第一次实验，冰壳跨度到达30米，这种穹顶的形态只会在结构上产生很小的拉力。虽然冰材料具有非常低的拉伸强度，但是复合强化冰材料配合着穹顶形态实现了冰的薄壳结构的可能性

 上    冰雪圣家堂设计基于巴塞罗那圣家堂，由一座主塔，四座小冰塔与绳网垂挂结构的中殿组成

将复合冰材料喷在巨大的充气膜上后，弗兰门戈冰塔高达31米的冰壳结构得以成形，冰壳平均厚度为25厘米。通过在水中添加特殊纤维（如木质纤维）改善冰的微观结构，是复合冰材料创造新高度记录的关键之一。这种材料组合使冰外壳坚固异常，从而创造出可靠的建材，使大型冰壳结构的建造成为可能。同时，复合冰材料可持续且零污染。水可就地取材，而纤维纸运输方便，实现冰材料的大跨结构之余，纤维还具有保温的效果，故而非常适合临时建筑建造，对于处在冬季的严寒地区而言尤为适宜。复合冰材料可用于建立极地考察或石油钻探的临时住所，甚至可用于未来火星移民，建造临时冰屋。这项具有可持续性的建造方法前景十分可观。

 上    喷射复合冰材料的工作非常辛苦，往往需要3至5人一组，一个人负责控制喷嘴，其余人员配合拖动水带

 上    复合冰材料喷射工作结束后，冰壳体结构得以完全自成结构，将充气膜放气，通过摇拽将充气膜撤出冰壳，展露冰壳完美的内部结构

冰壳建筑施工设备的转配与编程调配皆由荷兰埃因霍芬理工大学师生在5年内研发完成，可以实现气膜数据实时监控，自动充气以及复合冰材料的半自动生产。冰塔建造团队由荷兰埃因霍芬理工大学建筑环境学院助理教授 Arno Pronk 带领 Yaron Moonen 和周轶玲组成，并与哈尔滨工业大学建筑学院教授罗鹏和土木工程学院教授武岳通力合作。在持续多年的实验和实践后，荷兰团队最新研发的可持续复合加强型冰材料技术实验突破了传统冰砖建筑的局限，由此创造出全球最高的冰壳体结构。其结构稳定，施工方便，材料环保，可实现生产过程的半自动化与实时监控。

 上   复合冰材料的喷射工作从地基开始逐渐往上，可以看到在基础部分，一定厚度和强度的冰壳结构不再附着于充气膜上，而是自身成形

 上    此时，冰壳结构已经形成了一定的厚度，复合冰材料的喷射工作需要保持24小时不间断，高空作业与地面作业同时进行

 上    复合冰材料的喷射已接近尾声，蓝色的充气膜基本被覆盖，只剩塔尖部分，建造过程中，由于风力和冰雪材料喷射厚度不均匀等问题导致冰塔主体倾斜，及时通过吊车绳索牵拉调整

不过，冰壳建筑的建造过程中还是存在着诸多困难和不确定性，需要实时监控处理。冰塔建造从充气膜开始，而一个大跨度或者30米高的充气膜显然不是正常手段可以搬动的。由于气温过低，充气膜材料整体脆性较大，充气膜内没有气压，因此极难张开。在某次移动冰塔充气膜的过程中，吊车由于不恰当运输在充气膜上划开了一个20米长的口子。建造团队最终花费近8个小时进行修补，整个修补过程在深夜零下26度的环境中进行，是意志和耐力的终极考验。好在来自荷兰的小伙子们都非常吃苦耐劳，轮番工作8个小时，连饭也不吃，执意把膜修好。

 上   在建造过程中，发生充气膜破损的问题，将类似的充气膜材料覆盖破损位置，通过热熔技术及时修补充气膜

 上    从冰壳结构的截面可以看到不同层次的肌理，由于喷射的复合冰材料有木纤维与水和纤维纸浆与水两种配方，喷射过程两者交替进行，因此形成不同颜色的层次肌理

另一次毫无征兆的系统崩溃险些成为 Structural Ice 团队的巨大危机。虽然团队已拥有相对先进的监测控压设备，并实时充气，保证充气膜内气压稳定，某日充气膜却鬼使神差地开始放气，一时似乎毫无解决办法。团队核心成员 Yaron Moonen 和周轶玲第一时间冲到现场，远远看见巨型充气膜在空中失控地摇摆。最后，在前功尽弃的压力之下和众人的惊恐之中，Yaron 及时修复了系统电源故障，危机得以解除。及至喷射复合冰材料的最终步骤，工人们不仅被全身淋湿，还必须在零下20多度的环境里持续作业，工期因此再度拖延。

尽管极寒环境中为期一月的高强度建造磨难重重，荷兰学生与中国学生和工人的交流合作充满乐趣。荷兰团队的成员虽说大部分是学生，却几乎都有自己的工作和专长。有人精通水电，有人擅长编程、结构。荷兰学生超凡的动手能力是险中求胜的要素。一位来自于土木工程专业的硕士生除了精通本专业知识外，还是一名经验丰富的汽修工人，几乎对所有的设备从原理维修到更换了如指掌，甚至还是一名业余话剧演员。

 上    悬挂绳索的中殿设计灵感来源于高迪圣家堂的悬索结构设计，而将冰雪材料喷射在亲水性高的绳索上，冰雪材料附着在绳索达到一定厚度后形成悬挂的冰柱；由于绳网结构的原因，冰塔上呈现菱形的网状，与喷射冰雪材料自然产生的层层冰柱形成丰富的表面肌理

 上    弗兰门戈冰塔的设计结合了东方传统塔楼的形态和弗拉明戈舞蹈的动势与优美

历经整整一个月，弗拉门戈冰塔终于圆满落成。在充气膜被撤下的瞬间，微弱的阳光透过白皙的冰材料射入建筑内部，形成一圈淡黄色光晕，使人想起西方大教堂神圣的拱顶。六个入口恰如裙摆，庄重而连续的拱门诉说着史诗般的故事。冰塔的内与外是截然不同的，从外观上看，如若了解西班牙弗兰门戈舞蹈，便能明白它的造型含义。细看冰塔肌理，在喷射过程中，冰材料会顺势向下流，形成一道道冰柱；由于材料中富含纤维，冰柱表面并不光滑，而是有着一节节祥云般的纹理。在建成的冰塔前，无人不为它的威严和奇异驻足。似是理所当然，冰塔从天而降般出现在你眼前。

Structural Ice Team 摄影

周轶玲 Cara Cheung 撰文

邓圆也、saltypink 编辑

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