塑造建筑的未来

在沙特阿拉伯国王阿卜杜拉金融区内，BFG 国际制造了3,000 多个独特的玻璃纤维面板。来自Armacell 的泡沫芯使面板保持重量轻的同时也保持了硬度。

在过去的100年中，建筑师一直使用传统的建筑材料（木材、石头、钢铁、混凝土等），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。

到目前为止，复合材料已经在二级结构和巨型支撑结构（如穹顶）中得到广泛应用。然而，一些建筑师和工程师目前正在开发更加复杂的解决方案，以满足一些设计师的创造力，以及他们在设计建筑和独特作品时挑战既定的准则的愿望。这些设计应用只有在使用复合材料的情况下才有可能，这是利用了这些材料的低重量和它们在如此复杂的形状中被塑型的能力。

例如，苹果公司的乔布斯剧院的整个地上结构除了科技感十足的玻璃之外，舒展轻盈的屋顶也是其一大特色，而这个屋顶所使用的材料正是 FRP。

建筑复合材料公司Kreysler and Associates的负责人比尔•克雷斯勒（Bill Kreysler）表示，过去十年来，建筑师对复合材料的态度出现了令人鼓舞的趋势。“十年前，我们要去找建筑师们试图解释我们做了什么，以及他们为什么要考虑我们。”建筑师们曾经认为玻璃纤维是他们想要但买不起的东西的廉价替代品。如今，这种情况正在迅速改变。今天，复合材料在建筑规范中被公认为是一种合法的建筑材料，随着建筑师不断探索设计出更复杂形状的新方法，复合材料越来越多地被用于项目中。

其中一个例子是位于美国德克萨斯州圣安东尼奥河基金会汇合公园的露天必和必拓展馆，由Matsys设计工作室的安德鲁•库维兹（Andrew Kudless）设计。该展馆位于占地3.5英亩公园的中心地带，从这里可以俯瞰圣安东尼奥河和圣佩德罗河的汇合处。建筑师希望利用计算机数控技术（CNC）和机器人，以泡沫塑料来制作用于展馆墙壁的模板，然后用这些泡沫模型作为铸造混凝土创建GFRP模板。但是，不熟悉复合材料的建筑商只有在木模的出价非常高之后才会考虑使用玻璃纤维模具。Kreysler＆Associates能够以低得多的成本生产出所需的模具。

高度为30英尺、能够浇筑混凝土“花瓣”墙的模具必须承载巨大的湿混凝土的重量。“玻璃纤维必须尺寸稳定，能够承受每平方英尺500磅的水压。”Kreysler说。这需要大量的工程材料。它更厚，还有一些加强肋条，且包括一个相当复杂的钢支撑框架。当它们被重复使用时，玻璃纤维模具保留了最初的形状。这是木模具所不具备的另一个优势，木模具吸收水分，并在重复使用时发生形状的改变。

在整个项目中，Kreysler & Associates和他的同事们都与Kudless及Lake|Flato Architects的设计师们紧密合作。Kreysler公司表示：“项目早期的合作是很重要的，特别是在一些不寻常的事情上，所以设计是基于一种可行的制造方法。关于如何制造模具的早期想法、如何运输，以及如何组装它们是我们在项目进展时能够提供的有用信息。”

使用玻璃纤维模具使Kudless能够实现他想要的曲线和光滑表面，生产出客户要求的独一无二的结构。Kudless说：“它比起初人们想象的还要准确，而且只有通过使用复合材料、计算机数控技术（CNC）和机器人的结合，才能打磨出这些泡沫材料。”

复杂的几何

虽然FRP可用于建筑应用中制作模具，但它也可作为世界上最令人惊叹的建筑外观的主要材料。在沙特阿拉伯利雅得国王阿卜杜拉金融区第二高的高塔——卡夫德世界贸易中心（KAFD）引人注目的外立面上，就使用了FRP复合材料。

BFG国际与迪拜Permasteelisa公司合作，开发和制造了3,000多个独特的外墙面板，面积超过47,000平方码。BFG的业务开发和项目经理马修•塞利什（Mathew Sailesh）表示：“挑战在于在非常短的时间内、在严格的尺寸公差范围内，创造出几何形状上的巨大变化。安全方面至关重要，整个组件都经过了测试和批准，符合建筑规范的NFPA 285和ASTM E84消防安全规范。”

聚氨酯、阻燃和抗紫外线凝胶涂层的聚酯表皮和来自Armacell的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）泡沫芯。泡沫面板几乎能够达到50英尺长，并实现所需的刚度，且重量轻。“大跨度 PET泡沫芯板是专为满足严格的高速风荷载标准而量身定做的。”Armacell Benelux S.A.的PET泡沫销售和营销经理亨利•沙佩勒（Henri Chapelle）说。

“这绝对是一项成就，即面板按时提供并具有所需的几何形状，因此每个面板都能完美对齐，并且可以轻松地现场组装。”Sailesh说，所有送到现场的面板都非常完美。BFG于2016年底完成了外墙包装。

优化光和热

在美国的俄亥俄州哥伦布市，复合材料制造商Kalwall的面板为一个有百年历史的仓库提供了自然照明，且没有多余的热量。该仓库是当地酿酒厂的生产设施。乔纳森巴恩斯建筑与设计公司（JBAD）对该建筑进行了翻新设计，按要求拆除Middle West Spirits一层楼的中间第三部分，并在其位置上建造一个55英尺高的建筑。但最初计划用于添加侧壁的聚碳酸酯材料太贵了，所以他们选择了Kalwall复合材料。

Kalwall生产复合结构夹芯面板，将两个特殊配方的半透明FRP面粘合到由互锁铝或复合工字梁构成的网格芯上。面板包含一个绝缘层，与玻璃纤维外立面一起控制通过的光量和太阳能热量。

Kalwall自己生产玻璃纤维并在面板结构中使用专用树脂，仔细选择组合以确保客户得到预期的效果。“我们观察他们想要在面板中显示什么属性。是颜色，是透光率，还是一定的防火性能？国际销售主管兼副总裁艾米•凯勒（Amy Keller）说。“我们有50或60种不同类型的玻璃纤维，可以根据这种特殊应用的需求来制造。”

Kalwall和JBAD一起设计了这个设计，改变了其面板以产生一种独特的外观。他们通过将薄的、垂直的偏移线通过面板组合在一起，达到了一种类似木板的效果。JBAD的合伙人凯蒂•维切利奥（Katy Viccellio）说：“在大楼的南面，我们有最密集的隔热层，能让最少的热量和光线通过，然后我们用玻璃或不同程度的绝缘材料把面板打碎。它在面板中间产生了一种条纹效果。”

使用复合材料还有其他好处。凯勒（Keller）说：“我们和建筑师一起设计了钢支架，比原来的布局节省了大量的资金。”KalWror设计还包括许多相同的面板，使承包商更容易安装。业主喜欢面板可以用作外部和内部表面——不需要干式墙，而且他们很容易清洗。

耐候天气

位于德克萨斯的加尔维斯敦岛，加尔维斯敦的海底侦察基地必须经受住墨西哥湾海岸的闷热天气以及高达150英里/小时的飓风。资源规划建筑师事务所的建筑师鲍勃•兰德尔（Bob Randall）为建筑物的外部设计了百叶窗式墙体系统，允许光线和空气进入外部走道，使建筑物居住者可以欣赏到海湾的景色。由于百叶窗既有结构也有装饰性，Randall想要使用比铝更耐用的材料。因此他联系了Strongwell，一家FRP复合材料和拉挤结构制造商。

Strongwell的结构工程师斯蒂芬•布朗宁（Stephen Browning）说：“他给了我们一张他想要的手绘草图，然后问我：你能用拉挤复合材料做些什么。”由8英寸宽的法兰横梁、6英寸的通道和8英寸的百叶窗组成的坚固的百叶窗。它们符合风荷载要求，比其他材料更轻、更耐腐蚀和耐紫外线。

为了适应150英里/小时的风荷载，Strongwell在重要位置放置了玻璃钢筋。“形状也有点厚；它有3/8英寸，如果是用于其他地区的建筑物，我们可以将它降低到1/4英寸。”Browning补充道。该公司能够制造长度达30英尺的面板，由于它们由轻质复合材料制成，工人可以轻松处理。这有助于加快百叶窗的安装速度。

复合板之间的简单连接也使建造速度更快。施工中使用了不锈钢自钻螺钉，需要对拉出强度进行实验室测试。百叶窗是用自钻螺丝固定在复合框架上的，这是其第一次设计和施工。白色百叶窗板具有吸引力且维护成本极低，这有助于建筑物获得LEED白金级别的认证。

Browning说，在使用复合材料进行建筑应用方面仍然存在障碍，包括材料的成本以及它们满足某些消防规范的能力。但他表示，该行业一直在这些领域取得进展，他每年都会接到更多建筑师关于使用Strongwell材料的电话。

例如，当一家大型连锁酒店改造匹兹堡的旧政府大楼时，他们使用了Strongwell制的造FRP材料作为屋顶甲板的结构。业主使用复合材料，因为他们希望自己的防潮性和重量轻，以容纳更多的人在屋顶上。

进一步开发

尽管复合材料行业必须继续向建筑师和建筑商传授复合材料的好处，但许多客户一旦使用过复合材料，就会成为坚决的拥趸着。

“你有各种各样的机会来进行你的设计，利用各种密度和厚度的PET泡沫芯、不同种类的纤维、不同种类的树脂，以及不同种类的工艺。你可以优化它，以获得任何项目的解决方案，而传统材料并不总是如此。”Chapelle说。

他补充说，在为传统材料设计的建筑中使用复合材料并不划算，因为这不会利用复合材料的独特性能。但是，从一开始就决定使用复合材料的建筑师可以从它的轻重量中获益，轻重量降低了结构负载，令使用低容量起重机进行安装成为可能。此外，复合材料制造商可以在工厂生产建筑材料的同时，混凝土或钢材也在现场同时进行，且不会因恶劣的天气状况而延误。

此外，复合材料能够使架构师创建突破设计边界的创新结构。“对于复合材料，建筑师们可以更实验性地思考形式和结构和制造之间的关系，而不是仅仅局限于我们曾经合作过的材料。如果重点放在更独特、更有特色的项目上，那也没关系，因为复合材料真正擅长的正是这个，而其他材料可能就没那么好了。”

Kreysler表示，他告诉合作的建筑师和承包商，如果他们能用胶合板或板材做什么东西，他们最好用这些材料来做。但如果做不到，他们应该看看能否利用复合材料。

你不必放弃一种流动的曲线或复杂形状的想法。你不必仅仅因为承包商告诉你不能建造它就放弃你的愿景。你可以构建它——通过复合材料——现在，建筑师可以更容易得到他们想要的东西！■