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纤维复合材料让你的房子又坚固又美观
发布时间:2018-08-01
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  现代城市的发展和经济的繁荣推动了整个建筑业的发展,而建筑业对建筑材料耐久性、低维护、可设计性等方面的要求持续上升,使得复合材料在建筑业的普及率逐步增长。根据研究机构MarketsandMarkets发布的一份报告:全球建筑用复合材料市场预计到2026年将达89.8亿美元,在2016年到2026年的预测期内复合年均增长率为6.00%。建筑领域已经成为继汽车、航空航天之后最具潜力的纤维复合材料应用市场。

 

  现代建筑对材料提出更高要求

 

  过去,建筑师一直使用传统的建筑材料(木材、石头、钢铁、混凝土等),但随着城市化进程的加快和建造技术的进步,现代社会对建筑的功能性和审美性也更为关注,薄壳结构、悬挑结构、悬索结构、网架结构等新型结构丰富了传统的建筑设计领域,因此也对建筑材料提出了更高的要求。而复合材料的引入带来了建筑业的革新,它们在施工领域的应用使得传统材料被逐渐取代,设计人员在实施具有未来派设计的项目时所遇到的许多障碍已经不复存在。

 

  1.建筑材料需要轻质高强

  在建筑设计中,对材料自身重量的考虑是一个关键因素,如果材料自重大,势必增加大量的支撑、稳固结构以及牢固的地基结构。当下,减小建筑结构中部件自身重量,在保证其安全可靠的前提下,降低建造难度和成本、提升利用空间是很多建筑设计师追求的目标之一。因此,质轻而高强的纤维复合材料越来越多地被建筑设计师纳入到结构件的设计选材之中。

 

  2.新型建筑追求功能的多样化

  由于传统建筑材料的功能已经得到充分的发挥,已经很难满足建筑的多功能性要求。例如,如何在满足建筑的多样化外形的同时,还具有隔热保温吸声采光等多种功能,而纤维复合材料为这些问题提供了潜力十足的解决方案。

 

  3.现场施工需要更加便捷

  过去,建筑工地嘈杂、脏乱的景象无可避免,建筑工期往往也比较长。而通过采用预先成型的纤维复合材料来制作整体构件,进行现场拼装,可以极大地改善建筑施工的工况条件,减轻现场作业强度。并且随着各种成型工艺的进步、3D打印技术的大型化和规模化发展,今后纤维复合材料预制构件将在建筑领域有更多应用。

 

  建筑用纤维复合材料的性能特点

 

  与传统建筑材料相比,复合材料提供的主要优势有:

 

  1.设计灵活性和美学性

  纤维复合材料作为结构材料应用时,由于它是基体材料和增强材料等组分材料的组合,既可保持原组分材料的某些特点,又能发挥组合后的新特性,而且可根据结构需要进行设计,以满足单一材料无法达到的性能要求。此外,随着成型技术的不断进步,纤维复合材料几乎可以实现任何形状,可具有复杂的结构和艳丽的颜色,从而达到结构形式和建筑美学的高度统一。鉴于这种设计灵活性,单个纤维复合材料部件能够取代需要许多传统材料的复杂单元,为设计师和施工方都带来了极大的可能性。

 

  2.比强度和比刚度高

  一些采用高强纤维增强的复合材料具有比传统材料高出数倍的比强度和比刚度,即使在机械和环境的压力下,也能保持其形状和功能。

 

  3.抗疲劳性能好

  一般金属的疲劳强度为拉伸强度的40%~50%,而某些纤维复合材料的疲劳强度可达其拉伸强度的70%~80%,具有良好的抗疲劳性能。

 

  4.良好的耐化学性

  传统的钢筋等建筑材料是不耐腐蚀的,而大部分纤维复合材料是优良的耐腐蚀材料,其用在建筑中一般具有良好的耐酸、碱、盐等化学介质侵蚀的能力,尤其是在一些近海等环境较为严峻的地方,纤维复合材料具有更优的应用潜能。

 

  5.良好的抗震性能

  纤维复合材料相对传统建筑材料自振频率更高,不易出现共振,而且通常在加载速度和频率条件下不容易出现因共振而快速脆断的现象;同时因为其存在大量的界面,振动阻尼性也很大,一旦激起振动,衰减也快。

 

  6.过载安全性好 

  在纤维复合材料中,由于有大量独立的纤维,当过载时复合材料中即使有少量纤维断裂,载荷都会迅速重新分配到未被损坏的纤维上,不至于造成建筑构件在瞬间丧失承载能力而断裂。

 

  几种常用于建筑领域的纤维复合材料

 

  1.纤维增强混凝土

  纤维增强混凝土是在对混凝土的创新过程中应运而生的一种产品,有钢纤维、玻璃纤维碳纤维、芳纶纤维等作为增强材料。纤维的本身性能如强度、模量、断裂长度等和纤维在材料中的空间结构、体积含量等都决定着混凝土的性能。

  纤维增强混凝土分为短纤维增强混凝土和长纤维增强混凝土。短纤维增强混凝土中的纤维一般切成几毫米至几十毫米长度,随机掺入砂浆基材之中,可以替代或部分替代钢筋。与传统混凝土相比,其拉伸强度和抗弯强度大,防裂性能好,多用于内外装饰板材和部件。长纤维增强混凝土多采用连续的玻璃纤维、碳纤维纤维等制成棒状、网状或三维异形织物,用树脂制成纤维增强塑料骨架,以替代钢筋构成新型复合混凝土材料,常用作墙板、护墙板和建筑物主体。一般来说长纤维增强混凝土的性能优于短纤维增强混凝土。

  随着技术的进步,混凝土材料不仅要承受载荷,还要适应多功能和智能建筑的需求。因此一些采用纤维增强的功能/智能混凝土也逐渐兴起,如屏蔽磁场水泥基复合材料、应变自感应混凝土、温差水泥基复合材料、自修复混凝土、导电水泥混凝土等。

 

  2.纤维复合材料涂层织物

  涂层织物是在织物上覆盖一层高分子涂层剂或其他材料而得到的复合材料。作为底布的纤维织物起到骨架的作用,承担着复合材料的抗张强力、撕裂强力、尺寸稳定性等方面的功能;涂层则承担着保护底布组织以及防水、耐腐蚀等表面特性的职能。基布的性能影响着最终产品的性能,玻璃纤维、芳纶纤维、涤纶纤维等制作基布的效果较为理想。根据涂层织物在建筑中主要用作膜结构建筑材料、棚盖布、软性屋顶等。

 

  3.FRP复合材料

  纤维增强塑料(简称FRP,即Fiber Reinforced Plastic)是由玻璃纤维、碳纤维及芳纶纤维等,采用基底材料如聚乙烯树脂、环氧树脂等胶合后,经过特制的模具进行挤压、拉拔而成型。不同的纤维化学成分不同,其力学性能差别很大,相应的FRP也表现出差别很大的物理力学性质。

  目前,玻璃纤维增强塑料(GFRP)是应用最为广泛的一种复合材料,采用玻璃纤维作为增强材料,以热固性或热塑性树脂作为基体材料。GFRP具有重量轻、强度高、耐热、耐腐蚀、采光透光效果好、安装维护方便、成本相对较低等特点。

  此外,碳纤维复合材料由于其高强度、耐疲劳、耐高温、导电、传热等优异性能,近年来其在建筑工程中的应用也逐渐兴起,尤其是在建筑加固方面,通过采用碳纤维复合材料对一些承载力不足的建筑构件进行加固来满足载荷要求。此外,碳纤维现代高智能化的新型建筑工程中的应用前景较为广阔,但碳纤维复合材料的价格成本相对较高,其在建筑业的接受程度比汽车、航空等行业还是要低一些。

 

纤维复合材料让你的房子又坚固又美观

 

  纤维复合材料的建筑应用案例

 

  目前,全世界已有许多建筑在装饰性外立面、组合部件和巨型支撑结构(如穹顶)甚至建筑物整体中采用了纤维复合材料,一些建筑师和工程师也在开发更加复杂的解决方案,以满足一些独特的功能需要和设计美学追求。

 

  1.欧盟检察署大楼

  荷兰TGM建筑公司与Indupol公司、力联思以及BüFA和 Solico公司通过紧密而成功的合作,成功的实现了欧盟检察署大楼外立面独特的设计和造型,为建筑业注入创新的复合材料应用技术。复合材料部件由Indupol公司制造,采用手糊工艺在模具里成型获得特定的形状和尺寸,使用的树脂来自力联思和Büfa(由经销商Euroresins交付)。模压之后,制品表面经过处理,覆以白色面漆,然后运送到安装现场。制品安装仅需很少量脚手架,由起重机吊起安装到大楼上。

 

  2.印度加尔各答纽顿小学教学楼

  Abin 设计工作室的设计师Abin Chaudhuri为印度加尔各答纽顿小学建立了独特的地标,从远处看,每个外立面看起来就像一个复杂的具有字母和数学符号的鲁比克魔方® (Rubik’s Cube®)。这些字母和符号为外立面创造了一种定制模板。这些结构能够为孩子们带来一种图形化但又有趣的美学体验。

  由于需要各种各样耐用且轻便的复杂形状,该团队用玻纤增强塑料制造了488块3.2 x 3.2米的板,每块板由13种不同的符号组合组成。在对几种不同的复合材料和非复合材料进行试验后,该团队确定了玻璃纤维毡增强聚丙烯系统最能满足其需求。每块板仅重154磅。由钢制成的网格状框架与FRP板相匹配,Z型钢材嵌入板中,固定在建筑物上。结构混凝土板突出于建筑物表面以确保精确数量的板材可以安装在外立面的所有表面上。这使板材更容易从后面进行安装,并确保更好的采光。这些板材安装在不同的方向上,使外立面具有随机效果。建成后,这种外立面环绕27000平方英尺的建筑物。

 

  3.旧金山现代艺术馆(SFMOMA) 

  Kreysler & Associates公司为旧金山现代艺术馆(SFMOMA) 的东立面设计了700块“雨幕”纤维增强塑料板。这些FRP板覆盖10层的建筑,并起到防水作用。这些FRP板固定在铝制框架上,形成一个水平的涟漪纹理就像旧金山湾的水域。根据Kreysler & Associates 公司总裁Bill Kreysler 介绍,SFMOMA扩建项目是北美最大的多层建筑纤维增强塑料外墙的应用例。

  这些FRP板是由可回收的发泡聚苯乙烯(EPS)泡沫模具制成,先用由数控热线机磨成大致形状,再用五轴数控刳刨机制作最后的双弯曲表面。没有两块板是一样的,大多数的宽度是5.5英尺,长度在6到30英尺之间。其表面厚度只有3/16英尺。

 

  4.苹果公司总部大楼

  位于加州库比蒂诺的苹果公司新总部价值50亿美元,其屋顶由迪拜第一复合材料技术公司制造,总生产面积达64250平方米。

  这是有史以来最大的独立碳纤维屋顶。这种圆形屋顶由44块同样半径的板构成,平均70英尺长11英尺宽,分别连接到中间的小型中心毂上。它在迪拜沙漠中组装和测试,然后运送到加利福尼亚州的库比蒂诺(Cupertino),其重量为80吨,直径超过140英尺。相比之下,波音787的起飞重量不到30吨,翼展197英尺。

 

  5.麦加大清真寺 

  这是迪拜第一复合材料技术公司(PCT)的另一个壮观的作品,该公司在麦加大清真寺建造了一座世界最大的滑动穹顶。其直径将达到36米,用一个移动的系统驱动,具有下穹顶和上部覆层双层的结构。据PCT的市场和活动协调员Djibril Waimer介绍,玻璃纤维增强聚合物(GFRP)板用于覆盖屋顶的结构钢框架。这种框架支撑在四个电动轮驱动器上,可以滑动到一侧,以便庭院可以露天,为清真寺提供自然通风。

 

  6.巴黎俄罗斯东正教大教堂 

  Sicomin公司是一家设计高性能环氧树脂系统配方的公司,它向巴黎的俄罗斯东正教大教堂的五个镀金圆屋顶提供了一套完整的既制造模具又制造部件的复合材料。Sicomin向瑞士Carboman集团的Décision公司提供用于圆屋顶模具的材料,使用Sicomin公司的SR8100 / SD7820高效120°C Tg环氧树脂灌注系统灌注一组玻璃纤维多轴向织物和巴沙木增强模具。

  圆屋顶的板材本身是在Multiplast公司在法国瓦纳的工厂使用Sicomin SR8100 / SD4772环氧灌注系统和专门研制的玻璃纤维增强材料铺层生产的。通过将其重量级四轴向品牌织物QX1180和500 gsm机织物结合。圆屋顶使用Sicomin的复合材料解决方案对该项目来说有许多优点。轻质屋顶可以快速安装而且能减少建筑结构的静负荷。另一个好处就是屋顶的离线生产和装饰可以在受控条件下进行,生产过程不会受到天气影响。Sicomin在实验室进行大量的DSC试验以优化后固化过程,以确保完成的部件的稳定性,随后工匠用86000片真正的金箔镀在640平方米的圆屋顶表面。

 

  7.生态胶囊屋Ecocapsule 

  斯洛文尼亚的团队利用轻量化复合材料设计出一款生态胶囊屋Ecocapsule,这种小巧的胶囊屋只有4.57米长,2.13米宽,可利用面积仅为6.5平方米。项目团队利用玻璃纤维和聚酯树脂,分别造出胶囊屋的主要三个部件(底部、左侧半弧和右侧半弧),以及门窗和其他内饰部件。采用真空灌注的生产工艺,玻璃纤维织物和聚酯树脂被分层铺放在铝结构之上,最终形成轻量化胶囊屋。

  框架结构完成之后,其余零部件(包括电力、水系统、地暖系统、内饰等)都是依靠人工安装上去的。里面的桌椅橱柜采用的是轻质蜂窝板材。建成之后,胶囊屋总重仅为1.18吨。

 

  8.伦敦维多利亚和阿尔伯特博物馆(V&A) John Madejski庭院凉亭

  实验建筑师Achim Menges和Moritz Dörstelmann与结构工程师Jan Knippers和气候工程师Thomas Auer一起研发了机器人织造碳纤维长亭。这种长亭现在陈列在伦敦维多利亚和阿尔伯特博物馆(V&A)的John Madejski庭院。亭子的每个部件的设计是基于甲虫前翅的结构——被称为“翅鞘”。200平方米的结构由漏斗形支架支撑,其中每一块是用单段树脂涂敷纤维构成的,重量为45公斤。制造每个部件时,树脂浸渍的玻璃纤维和碳纤维缠绕在金属模架上,然后固化形成刚性六边形部件。

  该技术涉及到用机械臂缠绕复合材料——旨在利用碳纤维的材料特性赋予像制造结构部件一样的强度。一系列这些单个细胞样的模块用来建造长亭独特的形状。这40个单元平均每个需要3小时来制造。

 

  9.ICD/ITKE亭

  斯图加特Achim Menges教授在新作 ICD/ITKE亭中展示了一种全新的建筑,其灵感来自于生活在水下,并居住在水泡中的水蜘蛛的建巢方式。整个亭子是在一层柔软的薄膜内部用机器人织上可以增强结构的碳纤维而形成的轻型纤维复合材料外壳构筑物,同时这种建造方式使用到最少的材料实现了结构稳定性。

 

  10.上海迪士尼乐园明日世界 

  上海迪士尼乐园明日世界占地面积超过2300平方米,广泛的内部和外部建筑结构和座椅都是用几百种不同形状和尺寸的阻燃(FR)胶衣饰面FRP复合材料模塑部件组成的。

  所有所需的FRP(纤维增强塑料)部件都是手糊成形的,由复合材料制造专家E-Grow公司利用包括斯科特•巴德Crestapol 1212高性能ATH三水合铝填充聚氨酯丙烯酸酯树脂和阻燃剂预加速Iso-NPG聚酯胶衣Crystic 967 FR的防火层压系统制造,可以提供各种定制颜色。

  用于迪士尼乐园的所有FRP必须满足中国对完全组装复合材料部件的B1防火性等级要求,该规范由中国国家建筑和工程材料检验测试中心制定。为了确保符合消防规范,E-Grow 公司使用Crestapol 1212高性能聚氨酯丙烯酸酯,并含有170 phr三水合铝(ATH)作为辅助树脂。根据需要加入了450g/㎡的玻璃纤维短切原丝毡和450 g/㎡的无捻粗纱布增强材料。

 

  在建筑中使用复合材料时的障碍

 

  尽管纤维复合材料已经在建筑领域崭露头角,并且得到了很多实际的应用,但是,在应用过程中还存在一些问题,阻碍了纤维复合材料在建筑领域的推广。

 

  其一,由于在公共安全方面控制风险的重要性,在民用建筑中使用的纤维复合材料必须遵守标准和技术规范。然而,目前的标准文献还很少,有限的标准/技术规范还在发展中。如果没有足够的标准和技术规范,这些纤维增强材料就只能被用于演示和研究项目之列。标准化的测试和材料表征方法能够最大限度地减少FRP材料的输出和规格的不确定性。技术规范允许安全、自信地设计、建造和管理含有FRP材料的结构。

 

  其二,与普通材料相比,纤维复合材料的成本相对较高,在实际应用中,许多施工单位的资金条件不允许,导致材料的使用具有很大的局限性。因此,要不断研究新技术的应用,开发新型经济适用的纤维复合材料,运用科技的手段降低材料成本,使其纤维复合材料的应用更加广泛。

 

  其三,建筑行业的集中度相对较低,纤维复合材料在建筑中的实践也各不相同,甚至在不同地区之间也存在差异。纤维复合材料在建筑业的创新往往是地方性的,而且往往得不到应有的宣传。许多建筑研究机构、高校、设计单位、施工单位以及建筑商对纤维复合材料的接受程度还十分有限。因此加大对纤维复合材料在建筑领域的应用的宣传也很有必要。

 

  尽管存在这些困难,但由于其独特的特点,一些复合材料已经被选择成为传统建筑材料的替代品,传统的建筑行业发生了翻天覆地的变化。随着技术的不断发展,建筑用复合材料也在逐渐更新,建筑模板的种类也是层出不穷。纤维复合材料在缩短工期,减轻结构质量,提高装配化程度,便于采用现代化施工方法,提高建筑质量和耐久性等方面已经显示出了巨大的潜力。

 

  此外,在今后的研究及应用过程中,建筑用纤维复合材料还应朝着提高生产率、绿色环保、节能减排、改善居住环境、提高建筑功能和质量、开发新的应用领域的方向发展,同时通过对材料的加工工艺以及成分设计的研究,进一步发挥塑料建材的优势,拓展其应用空间。未来,纤维复合材料必将在建筑领域大显身手,而我们的人居环境和建筑风貌也将呈现出更加多功能、多样化的发展形态。(来源:玻纤情报网)

 

 

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