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復(fù)合材料成為現(xiàn)代建筑發(fā)展新趨勢，讓令人遐想的建筑成為現(xiàn)實

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2024-01-03 15:08:19

隨著科技的不斷進(jìn)步，建筑行業(yè)也在不斷進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)。其中，復(fù)合材料作為重要的技術(shù)突破，在建筑施工領(lǐng)域引發(fā)了巨大的變革。本文將探討復(fù)合材料的特點以及對建筑行業(yè)的影響。

復(fù)合材料是一種由兩種或多種不同材料組合而成的新材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度和耐腐蝕等特點。在建筑領(lǐng)域，復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)部件和裝飾材料上。它的優(yōu)勢在于既能滿足建筑物的結(jié)構(gòu)需求，又能賦予建筑獨特的外觀和設(shè)計。

建筑發(fā)展趨勢：更輕、更大、更強(qiáng)

與任何其他行業(yè)一樣，現(xiàn)代建筑也會隨著行業(yè)變化而不斷發(fā)展。一個最新的趨勢是越來越多地使用非現(xiàn)場模塊化施工方法。這在很大程度上是由經(jīng)濟(jì)和環(huán)境形勢所推動的，在這種形勢下，現(xiàn)場勞動力越來越昂貴和稀缺，建筑項目受到具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境和可持續(xù)性目標(biāo)的制約。

然而，復(fù)合材料卻能提供完美的響應(yīng)。GFRP和CFRP的高強(qiáng)度重量比，加上它們先進(jìn)的結(jié)構(gòu)性能，使大型模塊化元件能夠在非現(xiàn)場以低成本高效地制造。與傳統(tǒng)方法相比，當(dāng)這些材料運到現(xiàn)場，只需少量安裝人員就可以非常快速、經(jīng)濟(jì)高效地完成大面積的建筑。除了明顯的現(xiàn)場優(yōu)勢外，在工廠控制的環(huán)境中制造通常會產(chǎn)生更高質(zhì)量、更具成本效益的產(chǎn)品，并大大減少現(xiàn)場缺陷。

環(huán)境和壽命成本效益

除了節(jié)省時間和成本外，在建筑中使用復(fù)合材料還可以帶來強(qiáng)大的環(huán)境和可持續(xù)性效益。最近一項有關(guān)復(fù)合材料軌道隧道建設(shè)的研究表明，通過使用結(jié)構(gòu)復(fù)合材料模塊化元件而不是傳統(tǒng)的預(yù)制混凝土，可以減少60%的碳排放。

同一項研究估計，由于預(yù)制水平高、構(gòu)件大、重量輕，結(jié)構(gòu)復(fù)合材料模塊化軌道隧道設(shè)計可將施工時間縮短80%。使用標(biāo)準(zhǔn)起重設(shè)備，小團(tuán)隊可以快速輕松地處理模塊，極大地減少了安裝時間和現(xiàn)場成本。

復(fù)合材料的獨特特性也大大降低了擁有成本。復(fù)合材料面板不透水，耐鹽、耐化學(xué)品和其他腐蝕性影響，使用壽命長，免維護(hù)。這些因素在許多應(yīng)用程序中都很常見。

幾乎沒有限制的應(yīng)用

建筑師們尋求獨特的形式來區(qū)分他們的建筑。復(fù)合材料可以塑造幾乎毫無限制的，通常是自支撐的形狀和飾面，元件的尺寸僅受運輸和安裝限制。自20世紀(jì)80年代以來，GFRP材料已成功用于建造大型結(jié)構(gòu)屋頂圓頂。巴林法特赫大清真寺始建于1986年，直徑25米，至今仍是世界上最大的復(fù)合材料屋頂圓頂。

近年來，這項技術(shù)已擴(kuò)展到更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括模塊化結(jié)構(gòu)屋頂系統(tǒng)、立面和覆層元件、裝飾雨棚、遮陽結(jié)構(gòu)等。為碳屋項目設(shè)計的世界上最大的自支撐懸臂屋頂最近在沙特達(dá)曼竣工。

碳屋20米高的碳纖維懸臂屋頂結(jié)構(gòu)由CFRP筋和拱支撐，不使用鋼支撐。碳纖維板采用高壓釜外預(yù)浸工藝生產(chǎn)。每個面板都由內(nèi)部肋條組成，當(dāng)組裝時，這些肋條作為一個連續(xù)的結(jié)構(gòu)，將荷載轉(zhuǎn)移到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上。大約450平方米的面積由16塊外板覆蓋，這些外板又支撐著32塊內(nèi)部天花板。

在形式和功能必須結(jié)合的地方，復(fù)合材料提供了完美的解決方案。在沙特最近完工的沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司總部，遮陽是該地區(qū)第一座碳中和的建筑交付過程中不可或缺的一部分。這座龐大的建筑群由24層、15層和13層塔樓組成，旨在與周圍環(huán)境緊密結(jié)合。玻璃外立面覆蓋著超過30000平方米的高度復(fù)雜的幾何遮陽結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)由玻璃纖維增強(qiáng)塑料制成。

另一個具有挑戰(zhàn)性的形式和功能應(yīng)用是最近在英國國營鐵路流動橋。這種創(chuàng)新的模塊化GFRP系統(tǒng)旨在提高整個英國鐵路網(wǎng)平交道口的安全性。該套件提供了一系列靈活且具有成本效益的階梯式、坡道式和電梯配置，以適應(yīng)廣泛的系統(tǒng)，階梯式“S”配置于2023年1月在什羅普郡向公眾開放。

超高性能混凝土：水泥基復(fù)合材料

就像用玻璃纖維或碳纖維增強(qiáng)聚合物材料一樣，最近的發(fā)展趨勢顯示，水泥基復(fù)合材料通過集成微纖維實現(xiàn)了復(fù)雜的形狀，并獲得了非常高的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度特性。

超高性能混凝土的引入為建筑師提供了與GFRP或CFRP相似的成型特性，其面板比GFRP更薄、更堅固。該產(chǎn)品使用微纖維（通常直徑小于0.20毫米，長度為9-17毫米)以最大限度地減少橫截面厚度并最大限度地提高彎曲強(qiáng)度。

使用最大粒徑為1毫米的超細(xì)材料，并以二氧化硅煙霧作為填充劑，來實現(xiàn)最佳包裝密度，由此產(chǎn)生的產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度通常大于120兆帕，抗彎強(qiáng)度為15兆帕至40兆帕。伴隨著高延展性，使非常薄的面板能夠形成復(fù)雜、精確的形狀。該產(chǎn)品具有潛力的一個典型案例是溫哥華的Oakridge項目，該項目使用超薄（14毫米厚）UHPC面板設(shè)計和建造了模塊化的“避難所吊艙”。

每個吊艙尺寸為4米×3米，由12個高度復(fù)雜、精確的UHPC面板和集成的UHPC座椅組成，這些面板以模塊化形式運輸，在安裝前在溫哥華組裝。完全組裝好的模塊被提升到位并連接到建筑結(jié)構(gòu)上。富有遠(yuǎn)見的開發(fā)商Westbank正在通過這種獨特而創(chuàng)新的應(yīng)用，對一種真正先進(jìn)的復(fù)合材料進(jìn)行改造，從而改變溫哥華的天際線和建筑景觀。

氣凝膠復(fù)合材料

在建筑領(lǐng)域，保溫材料種類繁多，主要分為兩大類：無機(jī)棉類保溫材料和有機(jī)高分子類保溫材料。無機(jī)棉類保溫材料具有優(yōu)異的防火及耐高溫性能，但吸水能力強(qiáng)且吸水后產(chǎn)品本身保溫效果變差；有機(jī)高分子保溫材料具有質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、吸水率低等特點，曾經(jīng)在建筑保溫材料市場中占據(jù)主流地位。

但隨著國家對產(chǎn)品防火性能要求的提高，很大程度上限制了其在國內(nèi)建筑中的應(yīng)用。氣凝膠復(fù)合制品因其優(yōu)異的保溫性能、防火性能和高溫穩(wěn)定性等，同時滿足了建筑領(lǐng)域?qū)Ρ夭牧系谋丶胺阑鹨螅殉蔀榻ㄖ仡I(lǐng)域中備受關(guān)注的新型材料。氣凝膠是由膠體粒子或高聚物分子相互聚集構(gòu)成的具有納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的一種高分散固態(tài)材料，其固體相和孔隙結(jié)構(gòu)均為納米尺度。氣凝膠被譽為世界上密度最小的固體之一，密度為3.0kg/m3，僅為空氣密度的2.75倍，被稱為“凍結(jié)的煙”。正是由于其微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出“蜂窩狀”的多孔形貌，使其具有比表面積大、孔隙率高、密度低、熱導(dǎo)率低等特點。

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