复合材料在建筑领域应用的回顾与展望

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(山西职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

传统建筑材料如木材、钢材、混凝土等在建筑应用中，由于其自身固有的特点和局限性如木材易腐烂、钢材易锈蚀、混凝土自重大等缺点，以及难以满足侵蚀等特殊环境条件下的使用要求，促使人们不断寻找新的具有综合优异性能的材料来替代。复合材料以其优异的性能从一开始出现就吸引人们不断地尝试将其应用于建筑结构领域。在过去的几十年里，复合材料在建筑领域获得了广泛应用，同时也展现出一系列其所特有的优异性能，如可设计性、可整体成型，能实现大跨结构、自重轻、使用寿命长、维护少、维护成本低等。

复合材料在建筑领域的应用不同于以往任何一种传统建筑材料(木材、钢材和混凝土等)，从产品设计、生产工艺到建造安装技术以及使用性能等均有其特殊性。本文简要回顾了复合材料在建筑领域的应用与发展历程，重点介绍了几种有代表性的建筑应用。

1 全复合材料建筑

复合材料即纤维增强塑料(FRP)应用于建筑结构领域最早可追溯到20世纪40年代，人类制造的第一个军用复合材料雷达罩，作为一款经典的复合材料建筑产品一直沿用至今。虽然复合材料价格昂贵，却始终没能阻止人们探索其应用的脚步。20世纪60年代至70年代是复合材料建筑的先锋探索阶段，人们尝试设计并制造出一些复合材料建筑或建筑部件，比较有名的如阿联酋迪拜国际机场的顶棚等。有代表性的全复合材料建筑如位于英国兰开夏郡的GFRP(玻璃纤维增强塑料)二十面体教室[1]，其由一系列手糊成型的几何形状为四面体形的建筑模块组成，整个建筑呈二十面体，四面体形建筑模块通过凸缘连接组装起来，此结构表明通过几何形状的改变可获得足够的强度和坚固性。另外，如瑞士巴塞尔第一个采用PFRP(拉挤纤维增强聚合物)建造的住宅(办公)建筑“EyecatcherProject”[2]，建筑高15m，共5层，占地面积10m×12m，立柱和斜柱分别由一H型材和两U型材组合而成，水平框架梁由两U型材和4块拉挤平板构成。在所有建筑部分，拉挤型材通过高强环氧树脂和螺栓连接。这些建筑虽然保留下来并使用至今，但也仅限于尝试性的探索，除了在极地、海洋、岛屿等较恶劣、苛刻的自然环境条件下有零星的应用之外，远未形成商业化的规模和开发应用。

2 复合材料建筑制品与构件

在摸索和应用全复合材料建筑的同时，一些单个的复合材料建筑产品、构件也陆续地被开发出来并获得了一定的应用。除仓库、货栈、冷却塔、波型瓦等规模应用外，还有各种形式的雕塑小品、大空间厅堂覆顶，或诸如亭子、加油站等城市小品[3]。这些建筑应用多是尝试性的、替代性的。复合材料的设计更多是“等代设计”，从其具体应用来看，以装饰性、非承重或半承重居多，其应用更多的是侧重于复合材料的某一个或几个优点而加以应用，如易于成型、质轻、高强、透光或耐腐蚀等。由于对大多数的应用领域尚不熟悉，所以或以不考虑材料的力学性能为前提，或以牺牲材料的某些力学性能为代价，如过度强调复合材料应用中的刚度要求，而牺牲其强度及其他力学性能[4]。总体来看，这些应用基本上局限于非承重结构和轻量化、次承力结构领域。在具体的应用过程中，也逐渐摸索出一些适合玻璃钢复合材料性能的理想结构形式，如作为三维构件的夹心板、壳体、折板、双曲面和伞形等结构[5]。这些产品早期大多采用手糊成型，没有统一的产品标准和生产规范，复合材料产品种类名目繁多，生产工艺和产品质量的随意性大，处于低效率生产、低水平复制的阶段。随着复合材料模压成型[6]、拉挤成型等机械化成型技术逐步替代手工工艺，以及长期使用性能的表现和使用经验的积累，其应用逐步向规模化、标准化方向发展。但是，复合材料产品之间以及复合材料与传统建筑材料之间的连接问题，一直是制约其进一步发展与应用的瓶颈。

3 ACCS建筑与复合材料人行桥、桥面板

3.1 ACCS建筑

20世纪80年代，自动单元建筑模块的概念开始被引入建筑行业，其核心是将制造出的统一标准的单元建筑模块组装成新的建筑，具有代表性的是现由美国StrongwellCorporation公司持有的ACCS系统(先进复合材料建筑体系)。ACCS建筑包括有一定数量的互锁FRPC(纤维增强聚合物基复合材料)Maunsell单元板，这些单元板可以组合成具有优异性能的不同结构而应用于建筑行业。单元建筑模块的出现极大地促进了复合材料在建筑领域的应用，同时也深刻地影响和改变着复合材料建筑的模式和规模。标准化的单元建筑模块易于快速地装配和替换，节省了相应的建筑安装时间和成本；大型复杂整体模块可以将原有建筑结构极大地简化，且有利于提高其整体性能，而复合材料的可设计性又使得可以通过优化其组成、结构而满足建筑模块不同部分的性能要求。

3.2 复合材料人行桥与桥面板

复合材料单元建筑模块起初应用于建筑墙板、屋面，但其最广泛和重要的应用则是桥梁建筑，包括复合材料人行桥和复合材料桥面板。

最早的复合材料人行桥出现在以色列，此后陆续在亚洲、欧洲和北美建成。据不完全统计，仅在欧洲以GFRP为主要构件的桥梁已经超过2 000座，其中1 500座以上是GFRP人行桥[7]；近年来，GFRP在欧美等国已经成为桥梁工程的一种新型结构材料。FRP人行桥的优点是轻质、易于实现大跨，生产和建设方便，特别适用于一些难以抵达和环境条件受限的区域。现有复合材料人行桥的净跨度从几米到几十米不等，绝大多数采用复合材料拉挤产品。

桥面板是桥梁结构中磨损最大和维修量最大的部位，既有桥面板表面磨损造成的损坏，也包括桥梁系统自身性能的下降，同时还面临着车道数量增加和日益增长的荷载需求，以容纳主要交通动脉持续增长的车辆等问题。对原有桥面结构进行持续不断的修复、翻新除了需要可观的费用外，同时在维护期间由于绕道和延误还会导致产能以及时间、资源等经济损失。桥面板使用FRPC板后，由于其维护要求大幅度降低，可减少使用周期费用；同时由于FRP板的质量非常轻，仅为混凝土的1/4～1/5，可以节省基础费用，提高桥梁的有效载荷水平和抗震性，同时使无支撑大跨成为可能。将FRPC板应用于桥梁结构替换和投入使用仅需几天时间，甚至只需要几小时，可以大幅度缩短施工建设周期和节约建设成本。

近20年来，美国交通部门一直在用复合材料板替代已腐蚀或已不达标的桥面板，已有100多座桥梁实施了不同的FRP桥面板替换工程[8]。为此，美国政府高速公路管理部门开启了一项有关延长桥梁使用寿命的创新技术重大研究和发展项目，称为“高速公路寿命”。

桥梁单元建筑模块(桥面板、梁和柱)一般采用拉挤成型，也有少部分采用模压成型，如“三明治型”桥面板。绝大多数拉挤产品的几何形状类似于钢材，商业化应用时有不同的尺寸和等级。尽管单一方向增强的拉挤型材在轻量化和次承力结构的应用效果比较令人满意，但无法应用于主承力结构(桥面板、梁和柱)。目前已商业化应用的拉挤型材主要品种为单一开网型(如H型、角型、床型)和闭合型(长方形和盆型)，由于此类材料在网状与凸缘之间缺乏连贯性，导致网状与凸缘结合处过早失效是其普遍的破坏模式[2]。因此，采用拉挤成型的桥面板大多由拉挤型材粘结组合而成，这些型材采用成熟的工艺生产，而且粘结操作是在生产工厂完成，能实现最佳质量控制。这样不仅可以有效克服单一拉挤型材的缺点，而且可以通过改变组合型材的截面形状生产出不同类型的桥面板。

近年来，真空灌注成型技术在大型复合材料风力发电叶片生产上得到了成功应用，也逐渐被引入到复合材料桥梁构件(梁、柱、桥面板)的生产。例如，俄罗斯建设的系列复合材料跨河拱形桥即采用真空灌注成型，其跨度在15～30m之间，设计寿命为100年，2008年已在莫斯科一地铁站建成第一座复合材料桥[1]。采用真空灌注成型可减少生产步骤，省去场地组装，从而降低生产成本，而且真空灌注成型适合大型的复杂复合材料产品的制造，具有巨大的发展潜力。

4 结语

综观复合材料应用于建筑领域的发展历程，大致可分为三个阶段：在最初阶段，人们试图将其直接应用于建设各类住宅(办公)建筑，即全复合材料建筑，但多是尝试性、探索性的零星应用；第二阶段为单个复合材料制品或构件在建筑领域简单的替代性应用，并逐步向规模化、标准化发展；第三阶段以复合材料人行桥和桥面板的成功应用为代表，由标准单元建筑模块组成的复合材料建筑体系，极大地推动了复合材料在建筑领域的应用向纵深发展，并将深刻影响和改变未来复合材料建筑的模式和规模。

复合材料生产工艺技术的发展与成熟，在一定程度上影响到复合材料在建筑领域应用的范围、形式和规模。复合材料生产技术由手糊成型到机械化成型的发展，不仅实现了复合材料建筑产品由非标准化单个制件到批量成套标准化构件制造的转变，有效地降低了生产成本，提高了产品性能，同时也推动了复合材料在建筑领域的应用由小尺寸、零星的非承重结构向大型、规模化的承重结构的跨越。

虽然复合材料在建筑领域的应用已从简单的模仿、复制到发展出部分适合自身特点的建筑结构体系和建造方法，但复合材料在建筑领域的应用总体上仍然处于起步阶段。创新是复合材料成功应用于建筑领域的关键，未来复合材料在建筑领域的应用应充分发挥其优异的物理性能和发展建筑结构的潜力。FRP的可裁剪性、比强度高、比刚度大和潜在的高耐久性等特点，将带来建筑学、设计和城市建筑结构的重大改变的巨大潜力，未来可发展如净跨度桥、智能结构系统、独立于环境之外的大型结构系统等创新结构体系[9]。其次，伴随着“工业4.0”和“中国制造2025”的推进，发展成熟可靠的低成本复合材料生产技术，进一步降低其生产成本和对环境的影响，走绿色可持续发展的道路，是未来复合材料应用于建筑领域的必然趋势。