更高性能的CFRP 预制混凝土

预制混凝土是指在别处浇制而非在最后的施工现场浇制的混凝土，它通过在可重复使用的模具或形式中固化混凝土而制成。不同尺寸、形状的预制混凝土都可采用纤维增强其可靠性及开裂后的韧性。预制混凝土在可受控的工厂环境中生产，可以在固化过程中密切监控预制混凝土，从而生产出比在施工现场以混凝土灌注和固化更高质量的产品。这种场外生产还可以实现更广泛的设计上可能性，包括使用轻质、高强度混凝土混合料；预制板中采用泡沫芯绝缘材料；以及以钢或其他合成材料进行加固。这些选项允许更长的跨度、减少的支架数量和使用更薄的面板，所有这些都有助于降低重量和成本。

预制工厂可以将其混凝土模具重复使用成百上千次，这也有助于降低成本。施工现场的复杂程度也降低了，因为预制件的制造可以在建筑物的地基时开始。预制件可以先存储在生产现场，然后运输到施工现场并根据需要进行安装。

近年来，预制混凝土以其低廉的成本、出色的性能，成为建筑业的新宠。繁多的样式、重量轻，加上出色的挠曲强度和性能，使其在在桥梁、停车场、写字楼、仓储设施、高层公寓和其他住宅结构以及商业和公共市政建筑中普遍使用。

早在2004年，Altus Group集团就将CarbonCast技术引入北美市场，由于采用了碳纤维增强材料，使其具有更高的重量和成本优势。Altus集团与北美Chomarat公司合作，组成预制混凝土制造商联盟，为建筑市场带来了创新技术。其在预制混凝土板中使用其碳纤维/环氧C-GRID作为剪力桁架，创建了一个比大多数现浇混凝土、固体预制混凝土和常规钢筋预制混凝土墙体系更轻、更薄和更强的预制墙体系。

宿舍楼底部的餐厅

由于碳纤维比钢强得多，可以增加板材的尺寸，也就是说，生产和运输的零件更少，所以安装速度更快，在施工过程中整体的碳足迹要比传统预制的更少。此外，由于碳纤维具有较低的热导率，采用C-GRID碳纤维格栅增强的墙板也具有良好的隔热性能，因此更实用于舒适、节能建筑的建造。

截至目前，已有超过1400个CarbonCast项目施工完成，总计370万平方米。Altus集团认为，C-GRID碳纤维格栅增强结构是提高建筑效率和性能需求的解决方案。公司最近完成的一个施工项目是乔治亚州大学在亚特兰大市中心的学生公寓。

竞标前的准备

Altus集团董事总经理约翰• 卡森表示：“学生住房市场非常庞大，并且越来越多地使用预制混凝土。”他解释说，这种类型的项目通常从业主（例如学院或大学）开始，然后再加上负责项目设计的建筑师和总承包商。后者将有助于确定建筑围护结构作为设计过程的一部分。通常，业主、建筑师和承包商团队，将通过包括预制造商在内的一个设计协助模式，以优化预制件的数量，这些预制件的数量将直接影响到成本。预制件在调度和决定如何完成元件的架设方面也扮演着重要的角色。

在竞标过程之后，由Choate 建筑公司、Cooper Carry ＆Associates 建筑公司和预制造商Metromont 组成的竞标团队获得了乔治亚州大学学生公寓的建设项目。

这个项目很有挑战意义，因为它是一个建在城市中心的校园。“这里实际上没有多少住房，但却拥有本州最大的学生群体。这一项目就是为了应对这种不断的学生增长。”在这种城市环境中，意味着空间就是金钱。Metromont公司业务发展经理George Spence指出：“整个建筑用地为1.4英亩，其中建筑物占地1英亩，没有放置材料的多余空间。因此，团队很早就决定将工作地转移到Metromont工厂。”他补充说：“这样一来，只须一个承包商在现场竖立墙壁即可，不需要空间用于储存。卡车只需要拉到现场，预制板就可以直接安装了。”

步骤1                                                                                         步骤2                                                                                    步骤3

另一个问题是成本。大学不希望因此增加学生的负担。这意味着新宿舍必须经济“实惠”。 然后是施工时间表。Spence 说：“我们有一年的时间从基建施工到学生入住”。

Cooper Cary开始与GSU和其他团队成员一起进行建筑设计。尽可能提高项目的建筑模块，即住宅单元的效率。这对占地面积为23,583平方米的项目来说非常重要。整个项目包括320间套房式和半套房式宿舍间，共1,152张床位。

除此之外，设计师还试图在每层楼上为不同层次的社交活动创造空间，并且在入口楼层创建一间400个座位的餐厅，但是为了达到成本目标，没有太多的结构性调整的余地。实际上，建筑物的表皮也是结构，所以所用材料非常重要。这种结构必须是可建造的，但也能提供理想的美感。它能够融入到亚特兰大市中心，但也有学校自己的特色。大学希望通过现代和传统的结合，令每个建筑特都成为巩固学校品牌的一部分。有很多要求同时展开，预制件生产必须具有提供解决方案的独特能力。

整个项目被设计成一个完全预制的建筑——由其预制混凝土构成所有元素。这样可以使施工速度提高至少15-25%。以CarbonCast 为基础的设计特点是具有砖和喷砂混凝土外饰的承重墙板。热效率高，这种绝缘墙板所具有的R 值，超过了内部装修所要求的建筑物能源规范。所有的墙体系统要求都是在一个预制板上完成的，而一般建筑物需要几个转包商才能完成单独的框架、隔热、内部装饰、防潮层，以及防水和外部装修。这种CarbonCast 结构提供了墙壁系统所需的一切：密封、防水、防潮，而且省去了75 美元/ 平方米的螺栓、框架和绝缘材料的费用。

重量轻，绝缘性高

C-GRID被开发用于替代混凝土结构和预制板中的焊接金属丝网。它由24K和50K碳纤维丝束组成，使用连续的旋转成型工艺将其彼此垂直组装成网格，使用坚韧的热固化环氧树脂将其连接起来。 在CarbonCast墙体系统中，C-GRID是整体复合板设计的关键组成部分。

CarbonCast隔热墙板使用泡沫隔热材料夹在两个混凝土墙体部分之间，称为“板层”（图1）。Spence解释说：“C-GRID作为一个桁架，把墙板正面和背面固定在一起，这在结构上非常有效。”例如，229毫米厚的CarbonCast隔热墙板，中间使用76-102毫米的泡沫，并通过C-GRID桁架固定在一起。从外观上与229毫米厚的实心混凝土板没有差别。“但是C-GRID可以使墙板轻40-50%。”他补充说，“将C-GRID墙板运关到施工现场比较重实心墙板更便宜，每辆卡车可以运载两到三个C-GRID墙板。”

热性能也是一个好处。C-GRID墙板具有更高的绝缘价值，这减少了建筑物的能源使用和碳足迹。Spence表示：“C-GRID的另一大优点是不存在热桥。当建筑物的隔热层被破坏时，热桥就会发生，因为热或冷是通过紧固件和其他部件之间的金属及金属接触传导而产生的。C-GRID墙板可以防止这种情况发生，因为C-GRID不是金属，因此不会中断泡沫绝缘性能或将温度导入或导出面板。”连续保温是当今大多数建筑的规范要求。这里也没有空隙或空腔来支撑霉菌生长，并且C-GRID板提供了固有的耐腐蚀性和耐火性，因而不需要额外的层或混凝土添加剂。

快节奏的生产

随着设计和施工方法的确定，Metromont与Cooper Cary和Record（EOR）工程师一起优化了面板的尺寸，以满足建筑规范要求的最少数量的面板。在设计的最后阶段，在设计的最后阶段，建筑物中的每一部分都被设计成承载其所需的载荷，并且其结构框架和其他预制元件的连接都是详细的。

当Metromont预制工厂开始生产时，每个墙板都是使用基本相同的步骤制成的。“这些板材高度为3.7 米，这是建筑物内从天花板到地板的跨度；对于这个项目，长度为7.3-13.4米不等。首先浇注的是每个面板的外表面。使用了一个63.5毫米厚的建筑混凝土混凝土浇筑在15.875毫米厚的用于外墙的砖面上，这些砖面已经被放置在模具中。接下来，将102毫米厚的发泡聚苯乙烯（EPS）泡沫板放置在顶部（步骤1）。然后，将C-GRID条垂直放置在EPS泡沫板的旁边，并在固定的间隔内，将19毫米的厚度向下插入湿的混凝土中（步骤2）。其顶部将一直延伸到最终浇筑的混凝土。所有这些将外部层连接到内部层，然后再浇筑。

在最后的混凝土浇筑前，将预应力缆索和一些传统钢筋（分别参见步骤3中的黑色和棕色绞线）放置在EPS泡沫的顶部。这些也被用于之前浇注的外墙，并且这些承重墙是认可设计的一部分。

黄色塑料盖（步骤3中可见的黄色“杯子”），是用于起重机吊起面板时的插入件，每个锚点都用一个正方形的C-GRID网格固定。最后，将76.2毫米厚的内部混凝土抹平（步骤4）。Metromont 公司的生产人员可以在一个小时内制作一个面板。然后，大约需要10个小时，这些面板会固化，直到混凝土达到剥离强度——4000 psi——在这种强度下模板可以被移除。然后，面板的模具重新设置，准备为第二天再次浇筑。

步骤4                                                                                               步骤5                                                                             步骤6

C-GRID桁架的位置是由EOR定义的，它基于墙体系统的结构要求和每个项目的具体要求。一般来说，C-GRID抗剪腹板的间距为0.6m。非承重墙体需要较少的栅格连接，因此它们可以间隔更大。然而，对于这个项目，每个面板都是要求承重的。

当面板完成后，它们被装在卡车上，以便及时送到施作地点。在建筑工地，用起重机吊起面板并使之就位（步骤5）。在垂直墙板和水平地板上嵌入金属板或金属角。这些焊接在一起形成了墙与地板的连接。由此产生了建筑物的箱形结构。当焊接完成后，在结构上，这座建筑物就完成了。最后一层混凝土浇注在已安装的面板上以覆盖焊接连接的细节。

预制结构，包括总计1,803个预制件和18,643平方米的C-GRID板，是6名员工在五个月内完成的。项目大约一个月后，开始引进其他工程。这使得承包商能够快速安装电气、管道和室内装修系统，以便在新学年开始时完成宿舍的建设。

继续提高效率

大学生宿舍项目只是CarbonCast系统基于C-GRID成功的一个例子。Spence说：“目前我们已经把所有的垂直墙板都转换成了这个系统。”

他补充说：“我们刚刚使用这些墙板在佛罗里达州的坦帕（Tampa）建造了公寓，因为C-GRID墙板能够承受200英里/小时的飓风。这是一项严格的建筑规范要求，你也可以用坚实的混凝土来完成，但它又重又贵。”

CarbonCast系统在蓬勃发展的数字世界中也是一个优势。Spence补充说：“我们建设了庞大的数据中心，确保C-GRID预制墙能够满足180到200英里的强制风力的要求。CarbonCast面板也符合数据中心可控空间（加热/冷却/除湿）的要求。C-GRID面板更经济，且能源成本更低。

但为什么纤维增强塑料（FRP）复合材料必须用碳纤维加固呢？玻璃纤维不会更具成本效益吗？“CarbonCast还有其他FRP 形式，比如玻璃纤维增强乙烯基酯树脂。”Carson回答说。“但CarbonCast提供更高的性能，足以让您使用更少的混凝土。”

最后一点是，Chomarat作为C-GRID制造商、Altus集团作为CarbonCast技术许可方，以及Altus Group的预制造商成员，作为CarbonCast许可证的成员，彼此之间形成了特殊的合作关系。所有使用CarbonCast的成员都使用相同的设计工程协议和制造准则。Chomarat 的C-GRID制造过程是独一无二的。它直接向每个预制者提供加固桁架，是用于建筑应用的碳纤维增强塑料CFRP 成本最低的形式之一。

一般来说，复合材料能够为项目提供很大的灵活性。减少安装时间、提高防火安全性、延长墙体结构服役周期、减少能源消耗都是选择CarbonCast产品的重要原因。此外，还加快了建筑和施工的速度。业内人士认为，这将推动预制混凝土在整体建筑市场份额的持续增长，并继续为C-GRID和CarbonCast提供机会。