復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的回顧與展望

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(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

傳統(tǒng)建筑材料如木材、鋼材、混凝土等在建筑應(yīng)用中，由于其自身固有的特點(diǎn)和局限性如木材易腐爛、鋼材易銹蝕、混凝土自重大等缺點(diǎn)，以及難以滿足侵蝕等特殊環(huán)境條件下的使用要求，促使人們不斷尋找新的具有綜合優(yōu)異性能的材料來替代。復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能從一開始出現(xiàn)就吸引人們不斷地嘗試將其應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。在過去的幾十年里，復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，同時(shí)也展現(xiàn)出一系列其所特有的優(yōu)異性能，如可設(shè)計(jì)性、可整體成型，能實(shí)現(xiàn)大跨結(jié)構(gòu)、自重輕、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)少、維護(hù)成本低等。

復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用不同于以往任何一種傳統(tǒng)建筑材料(木材、鋼材和混凝土等)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝到建造安裝技術(shù)以及使用性能等均有其特殊性。本文簡(jiǎn)要回顧了復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展歷程，重點(diǎn)介紹了幾種有代表性的建筑應(yīng)用。

1 全復(fù)合材料建筑

復(fù)合材料即纖維增強(qiáng)塑料(FRP)應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域最早可追溯到20世紀(jì)40年代，人類制造的第一個(gè)軍用復(fù)合材料雷達(dá)罩，作為一款經(jīng)典的復(fù)合材料建筑產(chǎn)品一直沿用至今。雖然復(fù)合材料價(jià)格昂貴，卻始終沒能阻止人們探索其應(yīng)用的腳步。20世紀(jì)60年代至70年代是復(fù)合材料建筑的先鋒探索階段，人們嘗試設(shè)計(jì)并制造出一些復(fù)合材料建筑或建筑部件，比較有名的如阿聯(lián)酋迪拜國際機(jī)場(chǎng)的頂棚等。有代表性的全復(fù)合材料建筑如位于英國蘭開夏郡的GFRP(玻璃纖維增強(qiáng)塑料)二十面體教室[1]，其由一系列手糊成型的幾何形狀為四面體形的建筑模塊組成，整個(gè)建筑呈二十面體，四面體形建筑模塊通過凸緣連接組裝起來，此結(jié)構(gòu)表明通過幾何形狀的改變可獲得足夠的強(qiáng)度和堅(jiān)固性。另外，如瑞士巴塞爾第一個(gè)采用PFRP(拉擠纖維增強(qiáng)聚合物)建造的住宅(辦公)建筑“EyecatcherProject”[2]，建筑高15m，共5層，占地面積10m×12m，立柱和斜柱分別由一H型材和兩U型材組合而成，水平框架梁由兩U型材和4塊拉擠平板構(gòu)成。在所有建筑部分，拉擠型材通過高強(qiáng)環(huán)氧樹脂和螺栓連接。這些建筑雖然保留下來并使用至今，但也僅限于嘗試性的探索，除了在極地、海洋、島嶼等較惡劣、苛刻的自然環(huán)境條件下有零星的應(yīng)用之外，遠(yuǎn)未形成商業(yè)化的規(guī)模和開發(fā)應(yīng)用。

2 復(fù)合材料建筑制品與構(gòu)件

在摸索和應(yīng)用全復(fù)合材料建筑的同時(shí)，一些單個(gè)的復(fù)合材料建筑產(chǎn)品、構(gòu)件也陸續(xù)地被開發(fā)出來并獲得了一定的應(yīng)用。除倉庫、貨棧、冷卻塔、波型瓦等規(guī)模應(yīng)用外，還有各種形式的雕塑小品、大空間廳堂覆頂，或諸如亭子、加油站等城市小品[3]。這些建筑應(yīng)用多是嘗試性的、替代性的。復(fù)合材料的設(shè)計(jì)更多是“等代設(shè)計(jì)”，從其具體應(yīng)用來看，以裝飾性、非承重或半承重居多，其應(yīng)用更多的是側(cè)重于復(fù)合材料的某一個(gè)或幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)而加以應(yīng)用，如易于成型、質(zhì)輕、高強(qiáng)、透光或耐腐蝕等。由于對(duì)大多數(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域尚不熟悉，所以或以不考慮材料的力學(xué)性能為前提，或以犧牲材料的某些力學(xué)性能為代價(jià)，如過度強(qiáng)調(diào)復(fù)合材料應(yīng)用中的剛度要求，而犧牲其強(qiáng)度及其他力學(xué)性能[4]?？傮w來看，這些應(yīng)用基本上局限于非承重結(jié)構(gòu)和輕量化、次承力結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。在具體的應(yīng)用過程中，也逐漸摸索出一些適合玻璃鋼復(fù)合材料性能的理想結(jié)構(gòu)形式，如作為三維構(gòu)件的夾心板、殼體、折板、雙曲面和傘形等結(jié)構(gòu)[5]。這些產(chǎn)品早期大多采用手糊成型，沒有統(tǒng)一的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)規(guī)范，復(fù)合材料產(chǎn)品種類名目繁多，生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量的隨意性大，處于低效率生產(chǎn)、低水平復(fù)制的階段。隨著復(fù)合材料模壓成型[6]、拉擠成型等機(jī)械化成型技術(shù)逐步替代手工工藝，以及長(zhǎng)期使用性能的表現(xiàn)和使用經(jīng)驗(yàn)的積累，其應(yīng)用逐步向規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。但是，復(fù)合材料產(chǎn)品之間以及復(fù)合材料與傳統(tǒng)建筑材料之間的連接問題，一直是制約其進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用的瓶頸。

3 ACCS建筑與復(fù)合材料人行橋、橋面板

3.1 ACCS建筑

20世紀(jì)80年代，自動(dòng)單元建筑模塊的概念開始被引入建筑行業(yè)，其核心是將制造出的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的單元建筑模塊組裝成新的建筑，具有代表性的是現(xiàn)由美國StrongwellCorporation公司持有的ACCS系統(tǒng)(先進(jìn)復(fù)合材料建筑體系)。ACCS建筑包括有一定數(shù)量的互鎖FRPC(纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料)Maunsell單元板，這些單元板可以組合成具有優(yōu)異性能的不同結(jié)構(gòu)而應(yīng)用于建筑行業(yè)。單元建筑模塊的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)也深刻地影響和改變著復(fù)合材料建筑的模式和規(guī)模。標(biāo)準(zhǔn)化的單元建筑模塊易于快速地裝配和替換，節(jié)省了相應(yīng)的建筑安裝時(shí)間和成本；大型復(fù)雜整體模塊可以將原有建筑結(jié)構(gòu)極大地簡(jiǎn)化，且有利于提高其整體性能，而復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性又使得可以通過優(yōu)化其組成、結(jié)構(gòu)而滿足建筑模塊不同部分的性能要求。

3.2 復(fù)合材料人行橋與橋面板

復(fù)合材料單元建筑模塊起初應(yīng)用于建筑墻板、屋面，但其最廣泛和重要的應(yīng)用則是橋梁建筑，包括復(fù)合材料人行橋和復(fù)合材料橋面板。

最早的復(fù)合材料人行橋出現(xiàn)在以色列，此后陸續(xù)在亞洲、歐洲和北美建成。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅在歐洲以GFRP為主要構(gòu)件的橋梁已經(jīng)超過2 000座，其中1 500座以上是GFRP人行橋[7]；近年來，GFRP在歐美等國已經(jīng)成為橋梁工程的一種新型結(jié)構(gòu)材料。FRP人行橋的優(yōu)點(diǎn)是輕質(zhì)、易于實(shí)現(xiàn)大跨，生產(chǎn)和建設(shè)方便，特別適用于一些難以抵達(dá)和環(huán)境條件受限的區(qū)域?，F(xiàn)有復(fù)合材料人行橋的凈跨度從幾米到幾十米不等，絕大多數(shù)采用復(fù)合材料拉擠產(chǎn)品。

橋面板是橋梁結(jié)構(gòu)中磨損最大和維修量最大的部位，既有橋面板表面磨損造成的損壞，也包括橋梁系統(tǒng)自身性能的下降，同時(shí)還面臨著車道數(shù)量增加和日益增長(zhǎng)的荷載需求，以容納主要交通動(dòng)脈持續(xù)增長(zhǎng)的車輛等問題。對(duì)原有橋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行持續(xù)不斷的修復(fù)、翻新除了需要可觀的費(fèi)用外，同時(shí)在維護(hù)期間由于繞道和延誤還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)能以及時(shí)間、資源等經(jīng)濟(jì)損失。橋面板使用FRPC板后，由于其維護(hù)要求大幅度降低，可減少使用周期費(fèi)用；同時(shí)由于FRP板的質(zhì)量非常輕，僅為混凝土的1/4～1/5，可以節(jié)省基礎(chǔ)費(fèi)用，提高橋梁的有效載荷水平和抗震性，同時(shí)使無支撐大跨成為可能。將FRPC板應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)替換和投入使用僅需幾天時(shí)間，甚至只需要幾小時(shí)，可以大幅度縮短施工建設(shè)周期和節(jié)約建設(shè)成本。

近20年來，美國交通部門一直在用復(fù)合材料板替代已腐蝕或已不達(dá)標(biāo)的橋面板，已有100多座橋梁實(shí)施了不同的FRP橋面板替換工程[8]。為此，美國政府高速公路管理部門開啟了一項(xiàng)有關(guān)延長(zhǎng)橋梁使用壽命的創(chuàng)新技術(shù)重大研究和發(fā)展項(xiàng)目，稱為“高速公路壽命”。

橋梁?jiǎn)卧ㄖK(橋面板、梁和柱)一般采用拉擠成型，也有少部分采用模壓成型，如“三明治型”橋面板。絕大多數(shù)拉擠產(chǎn)品的幾何形狀類似于鋼材，商業(yè)化應(yīng)用時(shí)有不同的尺寸和等級(jí)。盡管單一方向增強(qiáng)的拉擠型材在輕量化和次承力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果比較令人滿意，但無法應(yīng)用于主承力結(jié)構(gòu)(橋面板、梁和柱)。目前已商業(yè)化應(yīng)用的拉擠型材主要品種為單一開網(wǎng)型(如H型、角型、床型)和閉合型(長(zhǎng)方形和盆型)，由于此類材料在網(wǎng)狀與凸緣之間缺乏連貫性，導(dǎo)致網(wǎng)狀與凸緣結(jié)合處過早失效是其普遍的破壞模式[2]。因此，采用拉擠成型的橋面板大多由拉擠型材粘結(jié)組合而成，這些型材采用成熟的工藝生產(chǎn)，而且粘結(jié)操作是在生產(chǎn)工廠完成，能實(shí)現(xiàn)最佳質(zhì)量控制。這樣不僅可以有效克服單一拉擠型材的缺點(diǎn)，而且可以通過改變組合型材的截面形狀生產(chǎn)出不同類型的橋面板。

近年來，真空灌注成型技術(shù)在大型復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電葉片生產(chǎn)上得到了成功應(yīng)用，也逐漸被引入到復(fù)合材料橋梁構(gòu)件(梁、柱、橋面板)的生產(chǎn)。例如，俄羅斯建設(shè)的系列復(fù)合材料跨河拱形橋即采用真空灌注成型，其跨度在15～30m之間，設(shè)計(jì)壽命為100年，2008年已在莫斯科一地鐵站建成第一座復(fù)合材料橋[1]。采用真空灌注成型可減少生產(chǎn)步驟，省去場(chǎng)地組裝，從而降低生產(chǎn)成本，而且真空灌注成型適合大型的復(fù)雜復(fù)合材料產(chǎn)品的制造，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 結(jié)語

綜觀復(fù)合材料應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的發(fā)展歷程，大致可分為三個(gè)階段：在最初階段，人們?cè)噲D將其直接應(yīng)用于建設(shè)各類住宅(辦公)建筑，即全復(fù)合材料建筑，但多是嘗試性、探索性的零星應(yīng)用；第二階段為單個(gè)復(fù)合材料制品或構(gòu)件在建筑領(lǐng)域簡(jiǎn)單的替代性應(yīng)用，并逐步向規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展；第三階段以復(fù)合材料人行橋和橋面板的成功應(yīng)用為代表，由標(biāo)準(zhǔn)單元建筑模塊組成的復(fù)合材料建筑體系，極大地推動(dòng)了復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用向縱深發(fā)展，并將深刻影響和改變未來復(fù)合材料建筑的模式和規(guī)模。

復(fù)合材料生產(chǎn)工藝技術(shù)的發(fā)展與成熟，在一定程度上影響到復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的范圍、形式和規(guī)模。復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)由手糊成型到機(jī)械化成型的發(fā)展，不僅實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料建筑產(chǎn)品由非標(biāo)準(zhǔn)化單個(gè)制件到批量成套標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件制造的轉(zhuǎn)變，有效地降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品性能，同時(shí)也推動(dòng)了復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用由小尺寸、零星的非承重結(jié)構(gòu)向大型、規(guī)?；某兄亟Y(jié)構(gòu)的跨越。

雖然復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用已從簡(jiǎn)單的模仿、復(fù)制到發(fā)展出部分適合自身特點(diǎn)的建筑結(jié)構(gòu)體系和建造方法，但復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用總體上仍然處于起步階段。創(chuàng)新是復(fù)合材料成功應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的關(guān)鍵，未來復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)充分發(fā)揮其優(yōu)異的物理性能和發(fā)展建筑結(jié)構(gòu)的潛力。FRP的可裁剪性、比強(qiáng)度高、比剛度大和潛在的高耐久性等特點(diǎn)，將帶來建筑學(xué)、設(shè)計(jì)和城市建筑結(jié)構(gòu)的重大改變的巨大潛力，未來可發(fā)展如凈跨度橋、智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、獨(dú)立于環(huán)境之外的大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系[9]。其次，伴隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的推進(jìn)，發(fā)展成熟可靠的低成本復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)，進(jìn)一步降低其生產(chǎn)成本和對(duì)環(huán)境的影響，走綠色可持續(xù)發(fā)展的道路，是未來復(fù)合材料應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的必然趨勢(shì)。