先进复合材料让令人遐想的建筑成为现实

长期以来，复合材料已经广泛应用于从航空航天、铁路、风能到工业产品的高要求、安全关键的应用中。巨型的一体化结构件，如风力发电机叶片和短舱，证明了GFRP和近期的CFRP等产品令人难以置信的高比强度，以及它们在最恶劣的条件和应用中所展示的惊人耐用性。

为什么复合材料没有在建筑中得到更广泛的应用呢？也许是由于缺乏专业的知识，又或者是对传统材料的过于执着。

与任何其他行业一样，现代建筑也会随着行业变化而不断发展。一个最新的趋势是越来越多地使用非现场模块化施工方法。这在很大程度上是由经济和环境形势所推动的，在这种形势下，现场劳动力越来越昂贵和稀缺，建筑项目受到具有挑战性的环境和可持续性目标的制约。

然而，复合材料却能提供完美的响应。GFRP和CFRP的高强度重量比，加上它们先进的结构性能，使大型模块化元件能够在非现场以低成本高效地制造（图1）。与传统方法相比，当这些材料运到现场，只需少量安装人员就可以非常快速、经济高效地完成大面积的建筑。除了明显的现场优势外，在工厂控制的环境中制造通常会产生更高质量、更具成本效益的产品，并大大减少现场缺陷。

图1 由BFG International为科威特Avenues购物中心生产的装饰性GFRP风管整流罩（26m×12m）

除了节省时间和成本外，在建筑中使用复合材料还可以带来强大的环境和可持续性效益。最近一项有关复合材料轨道隧道建设的研究表明，通过使用结构复合材料模块化元件而不是传统的预制混凝土，可以减少60%的碳排放。

同一项研究估计，由于预制水平高、构件大、重量轻，结构复合材料模块化轨道隧道设计可将施工时间缩短80%。使用标准起重设备，小团队可以快速轻松地处理模块，极大地减少了安装时间和现场成本（图2）。

图2 BFG International对6米跨度组合模块化轨道隧道的研究

复合材料的独特特性也大大降低了拥有成本。复合材料面板不透水，耐盐、耐化学品和其他腐蚀性影响，使用寿命长，免维护。这些因素在许多应用程序中都很常见。

建筑师们寻求独特的形式来区分他们的建筑。复合材料可以塑造几乎毫无限制的，通常是自支撑的形状和饰面，元件的尺寸仅受运输和安装限制。自20世纪80年代以来，GFRP材料已成功用于建造大型结构屋顶圆顶。巴林法特赫大清真寺始建于1986年，直径25米，至今仍是世界上最大的复合材料屋顶圆顶（图3）。

图3 BFG International为巴林法特赫大清真寺设计GFRP圆顶

近年来，这项技术已扩展到更广泛的应用领域，包括模块化结构屋顶系统、立面和覆层元件、装饰雨棚、遮阳结构等。为碳屋项目设计的世界上最大的自支撑悬臂屋顶最近在沙特达曼竣工（图4）。

图4 BFG International碳屋项目中的碳纤维结构

碳屋20米高的碳纤维悬臂屋顶结构由CFRP筋和拱支撑，不使用钢支撑。碳纤维板采用高压釜外预浸工艺生产。每个面板都由内部肋条组成，当组装时，这些肋条作为一个连续的结构，将荷载转移到基础结构上。大约450平方米的面积由16块外板覆盖，这些外板又支撑着32块内部天花板。

在形式和功能必须结合的地方，复合材料提供了完美的解决方案。在沙特最近完工的沙特基础工业公司总部，遮阳是该地区第一座碳中和的建筑交付过程中不可或缺的一部分（图5）。这座庞大的建筑群由24层、15层和13层塔楼组成，旨在与周围环境紧密结合。玻璃外立面覆盖着超过30000平方米的高度复杂的几何遮阳结构，这些结构由玻璃纤维增强塑料制成。

图5 Sabic总部采用BFG International的GFRP立面元素

另一个具有挑战性的形式和功能应用是最近在英国国营铁路流动桥。这种创新的模块化GFRP系统旨在提高整个英国铁路网平交道口的安全性。该套件提供了一系列灵活且具有成本效益的阶梯式、坡道式和电梯配置，以适应广泛的系统，阶梯式“S”配置于2023年1月在什罗普郡向公众开放（图6）。

图6 英国什罗普郡铁路桥超高性能混凝土：水泥基复合材料

就像用玻璃纤维或碳纤维增强聚合物材料一样，最近的发展趋势显示，水泥基复合材料通过集成微纤维实现了复杂的形状，并获得了非常高的结构和强度特性。

超高性能混凝土的引入为建筑师提供了与GFRP或CFRP相似的成型特性，其面板比GFRP更薄、更坚固。该产品使用微纤维（通常直径小于0.20毫米，长度为9-17毫米)以最大限度地减少横截面厚度并最大限度地提高弯曲强度。

使用最大粒径为1毫米的超细材料，并以二氧化硅烟雾作为填充剂，来实现最佳包装密度，由此产生的产品抗压强度通常大于120兆帕，抗弯强度为15兆帕至40兆帕。伴随着高延展性，使非常薄的面板能够形成复杂、精确的形状。该产品具有潜力的一个典型案例是温哥华的Oakridge项目，该项目使用超薄（14毫米厚）UHPC面板设计和建造了模块化的“避难所吊舱”（图7）。

图7 温哥华Oakridge项目

每个吊舱尺寸为4米×3米，由12个高度复杂、精确的UHPC面板和集成的UHPC座椅组成，这些面板以模块化形式运输，在安装前在温哥华组装。完全组装好的模块被提升到位并连接到建筑结构上。富有远见的开发商Westbank正在通过这种独特而创新的应用，对一种真正先进的复合材料进行改造，从而改变温哥华的天际线和建筑景观。