未來更輕、更強(qiáng)、更環(huán)保——建筑攜手復(fù)合材料

復(fù)合材料在建筑行業(yè)被用作建筑模具，建筑的室內(nèi)裝飾和外墻掛板已經(jīng)有很長時間了，但是復(fù)合材料在這個行業(yè)中還有哪些應(yīng)用機(jī)會呢？自由撰稿人Kari Williamson對此進(jìn)行了調(diào)查。

建筑市場與其他行業(yè)一樣在金融危機(jī)中遭受重創(chuàng)，但其增長態(tài)勢正在慢慢恢復(fù)。美國復(fù)合材料制造商協(xié)會（ACMA）的最新數(shù)據(jù)表明，2010年熱固性玻纖增強(qiáng)材料的發(fā)貨量為24億lb（約11億kg），其中41%是用于建筑行業(yè)的，應(yīng)用范圍涵蓋建筑物、公路、地樁、墻板和屋頂，以及風(fēng)機(jī)葉片及其內(nèi)部固定裝置。



位于中東的Premier Composite Technologies（PCT）公司就經(jīng)歷了這種增長，其總經(jīng)理Hannes Waimer說 ：“我們清楚地看到了市場的增長，也看到了需求的增長。”
PCT在2006年成立時只有三個人，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到900名員工。

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然而，在亞什蘭高性能材料（Ashland Performance Materials）的Bob Moffit看來：“復(fù)合材料目前僅占整個建筑市場當(dāng)中很小的一部份——這是一個巨大的增長領(lǐng)域。就百分比而言，我們無需大量的增長就能對復(fù)合材料市場的份額帶來重大影響。即使只增長了很少的百分比，就已經(jīng)代表了大量的復(fù)合材料。”

傳統(tǒng)應(yīng)用和新應(yīng)用

從3 World Trade Center的案例可以看出，復(fù)合材料經(jīng)常在建筑行業(yè)被用于模具的制作。但是，日益發(fā)展的趨勢是將復(fù)合材料用于結(jié)構(gòu)件，橋梁的建造是其中應(yīng)用較為廣泛的行業(yè)之一。



英國咨詢公司Optima Projects的總經(jīng)理David Kendall說 ：“目前荷蘭有許多復(fù)合材料橋。據(jù)我所知約有4-5家制造商正致力于復(fù)合材料橋的生產(chǎn)，他們正在建立起一個非常好的行業(yè)。”

復(fù)合材料也被用于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的修復(fù)。Moffit給出了一個例子。

“本地有一座建筑正在進(jìn)行維修，其頂部有巨大的混凝土柱。在維修時，他們沒有采用混凝土柱來進(jìn)行替換，卻采用了復(fù)合材料柱。若采用混凝土柱，將其吊升到頂部需要大型起重機(jī)和大量的人力及重型設(shè)備；而改用復(fù)合材料柱，則只需借助建筑內(nèi)部的貨梯就可以將部件運(yùn)送上去，然后手工安裝到位。”

減重是制造商用來說服客戶使用復(fù)合材料的常用主題。但是，光憑這一點通常是不夠的。

復(fù)合材料遇到的障礙

在傳統(tǒng)的保守行業(yè)中，較難引入新的觀點、工藝和材料。正如Kendall所說 ：“人們?nèi)狈?fù)合材料的認(rèn)知和了解，而且對他們正在使用的傳統(tǒng)材料已經(jīng)非常適應(yīng)了。”

他相信，這在一定程度上取決于這一行業(yè)的建立方式，在一家公司僅有的這幾個部門中，咨詢?nèi)藛T、設(shè)計師和建筑師都面臨著各種降低成本所帶來的壓力。

“因此，他們總是傾向于選擇相對容易留有余地的方案，盡管這些方案對于整體項目來說其成本可能并不是最低的。”Kendall說，“我們會發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常會需要更多的工程作業(yè)，從而使得工程成本變高。不過，從客戶的角度來說，最終結(jié)果的結(jié)果可能會更低。因此，我們在這方面還有許多培訓(xùn)和教育工作要做。”

“說服建筑師采用復(fù)合材料可能是其中困難最小的，因為他們能夠看到復(fù)合材料在設(shè)計過程中帶來的自由度。而說服建筑公司、主要的建筑承包商和客戶可能就很難了。”
當(dāng)建筑師在展示某項方案時，他遇到的第一個問題會是：這個方案會花費多少錢？而問題在于，沒有以往的項目記錄可供比較。

“你需要進(jìn)行理論研究和可行性研究來確定成本，這就需要及時的資金投入。這是一個關(guān)于由誰來投資，誰來使項目開始的問題。”Kendall說，“對于傳統(tǒng)材料，大家對不同結(jié)構(gòu)的成本都比較熟悉，可以比較容易地做出合理的評估。而對復(fù)合材料來說就難得多了，這是一道需要我們跨越的障礙。” 本文來自123



他相信，一部分原因在于，大多數(shù)進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的公司和許多制造商的規(guī)模相對較小，因此很可能無法承擔(dān)這樣的投資。與此同時，客戶也比較保守，盡管他們可能會受益匪淺，但是通常他們都不愿意做初始的投資。

另外的一個問題是復(fù)合材料供應(yīng)企業(yè)加入某個項目的時機(jī)。如果復(fù)合材料沒有從一開始就成為方案的一部分，那么就很難使它成為一種高性價比的選擇。

PCT公司的Waimer解釋說 ：“如果客戶單純只看混凝土屋頂，然后直接與復(fù)合材料屋頂進(jìn)行比較，就會發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料屋頂?shù)某杀敬蟾攀乔罢叩娜剿谋吨?。但是如果我們從一開始就參與項目的話，他們就可以從地基和支柱就開始節(jié)約成本。此外，建造復(fù)合材料屋頂還可以從施工周期上節(jié)約大量成本。因為如果要修建混凝土屋頂，在建造屋頂之前首先要等項目進(jìn)度到達(dá)屋頂?shù)慕ㄔ?，這就意味著施工時間比較長。如果由我們來建造復(fù)合材料屋頂，一旦進(jìn)度達(dá)到了屋頂?shù)母叨龋覀兓旧峡梢栽趲滋?，最多幾周時間內(nèi)就完成安裝。整個項目在建筑現(xiàn)場的施工時間就會大大縮短。” 123,123

在阿聯(lián)酋皇宮酒店（Emirates Palace）的施工項目中，Waimer認(rèn)為，復(fù)合材料的使用將施工時間縮短了5-6個月。“一個擁有4000名工人的工地將花費大量的資金。”他說道。
盡管存在著障礙，但亞什蘭的Moffit認(rèn)為，人們對于復(fù)合材料的態(tài)度正在慢慢改變。“人們現(xiàn)在比以往更加重視生命周期成本。如果他們了解到，這種產(chǎn)品的使用壽命可以更長，而且不需要頻繁的更換，那么他們甚至?xí)敢舛嗷ㄙM一些成本。”

巨大的潛力

復(fù)合材料的優(yōu)勢之一是它們的設(shè)計靈活性。Waimer是這樣說的：“采用復(fù)合材料，你什么都能建成。”

“設(shè)計公司和工程公司需要越來越多有趣的結(jié)構(gòu)。”多軸向增強(qiáng)材料提供商FORMAX的總經(jīng)理Oliver Wessely解釋說：“人們正在建筑上嘗試各種有意思的設(shè)計。我們能夠明確看到市場的增長，特別是在中東地區(qū)。中東地區(qū)的建筑風(fēng)格是非常華麗的——他們擁有眾多的拱形結(jié)構(gòu)和圓形屋頂。我認(rèn)為，這種結(jié)構(gòu)適合采用復(fù)合材料，而西方的建筑風(fēng)格相對來說則比較單調(diào)乏味。”

另一大優(yōu)勢是，成品外觀的選擇幾乎沒有限制。



“無論是馬塞克還是天然石材表面，對于我們來說，在表面質(zhì)量方面擁有完備的知識是非常重要的。”PCT公司的Waimer解釋說：“我們設(shè)有表面裝飾部門，因為我們交付的不僅是簡單的復(fù)合材料制品，也是擁有各種外觀樣式的復(fù)合材料產(chǎn)品，比如從油漆到木材，從不銹鋼到亞克力。也就是說，我們可以把一個完整的產(chǎn)品交付到現(xiàn)場。”

亞什蘭的Moffit認(rèn)為，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的正是復(fù)合材料的這種獨特之處，而不是它們與傳統(tǒng)材料的相似性。

“我們對建筑師和建造商曾經(jīng)說過，我們一直聽到說法是，我們不應(yīng)該對石頭或木頭等天然材料進(jìn)行模仿——但是通常我們都是這樣做的。我們一直都在盡力地模仿這些材料，并從價格上與它們競爭。然而，我們真正的機(jī)會在于充分利用復(fù)合材料的設(shè)計靈活性和性能優(yōu)勢來提供更好的產(chǎn)品。當(dāng)我們只是一味地模仿現(xiàn)有材料時，就會限制自身的發(fā)展，并人為地給自己制造出一些壁壘。” 123456

復(fù)合材料另一個巨大的潛在機(jī)會是結(jié)構(gòu)應(yīng)用的增加。

“我認(rèn)為結(jié)構(gòu)應(yīng)用可能是復(fù)合材料在建筑行業(yè)最大的增長點。”Kendall這樣評論。
他解釋說 ：“當(dāng)我們開始生產(chǎn)更大的結(jié)構(gòu)，例如想要制造一個橫跨泰晤士河，跨度達(dá)300m的人行橋時，我們就要使用更多的先進(jìn)材料，例如碳纖維和環(huán)氧樹脂。盡管這些都是價格很貴的材料，但如果用在合適的領(lǐng)域，就能以很小的成本換來更高的效益。”
Kendall 說，越來越多的客戶開始意識到使用復(fù)合材料的潛在優(yōu)勢。

“甚至那些我們認(rèn)為非常保守的客戶，例如英國的鐵路網(wǎng)公司（Network Rail）和高速公路管理局（Highway Agency）也開始推進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用。尤其是Network Rail公司，他們已經(jīng)真正地將復(fù)合材料應(yīng)用到了站臺和人行天橋等設(shè)施的建設(shè)之中。我想他們已經(jīng)意識到，在這些設(shè)施的整個服務(wù)期內(nèi)，它們將能夠?qū)崿F(xiàn)成本的節(jié)約。初始投資的成本可能非常相近，但是維護(hù)成本卻可以大大降低，特別是像橋梁等這類設(shè)施。在英國，橋梁的設(shè)計使用年限是120年，對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說，其維護(hù)成本是非常高的。”

他還認(rèn)為，復(fù)合材料在殼體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用會越來越多，所謂殼體結(jié)構(gòu)即“采用外層面板作為結(jié)構(gòu)部件，而不是傳統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式”。

“只有改變傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)觀點，我們才能創(chuàng)造出真正高效、真正具有性價比的復(fù)合材料解決方案。”他補(bǔ)充說。

借助復(fù)合材料的內(nèi)在特性減少結(jié)構(gòu)的部件數(shù)量是Moffit看到的一個重大機(jī)會。
“復(fù)合材料這個行業(yè)能為市場提供許多獨特的部件。如果你想買窗框、門、浴缸或廚房臺面，都可以在家居裝飾店里買到。

“復(fù)合材料在系統(tǒng)組件領(lǐng)域取得了許多進(jìn)展，例如墻板和屋頂系統(tǒng)，又或許是整個房屋模塊。這是部分組件的大規(guī)模整合。在汽車行業(yè)，復(fù)合材料的應(yīng)用也逐漸增加，多部件的組件被制成整體式復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。我們在建筑領(lǐng)域也看到了這樣的趨勢，我們可以把目前需要大量工序和勞動力的建筑方式用復(fù)合材料板材和系統(tǒng)加以替代。我認(rèn)為，在這些外觀裝飾和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)領(lǐng)域會出現(xiàn)明顯的增長。”

內(nèi)容來自123456

綠色建筑

“當(dāng)綠色建筑的標(biāo)準(zhǔn)第一次被提出來討論的時候，我們就覺得，這些標(biāo)準(zhǔn)將會確實地推動人們采用更多碳足跡更低的可快速再生材料和可回收材料，而人們也確實對此很感興趣。此外，人們更感興趣的似乎是能源的節(jié)約、更長的使用壽命、更少的維護(hù)和易于安裝的材料。”Moffit說道。

他說，綠色建筑的重要推動力之一是節(jié)能和減排（CO2）。
“在美國，電能用量的70%來自建筑，CO2排放的40%來自于施工過程和建筑的使用及運(yùn)營。與傳統(tǒng)建筑相比，綠色建筑可以將能耗和CO2排放減少30-40%。”



此外，綠色建筑的設(shè)計者希望采用不同的方式來進(jìn)行設(shè)計。

“他們正在尋找新的材料和建筑方式，而不是傳統(tǒng)的材料和工藝。這就給復(fù)合材料行業(yè)提供了一些很好的機(jī)會。建筑師、設(shè)計師和建造商都非常樂意了解非傳統(tǒng)產(chǎn)品和工藝。這就使我們有了可以跟他們對話的機(jī)會。” 123456

他指出，復(fù)合材料在減少能耗方面是具有優(yōu)勢的，例如，通過使用絕熱墻板和采光板就可以實現(xiàn)。

復(fù)合材料還具有許多關(guān)于耐久性和低維護(hù)方面的優(yōu)勢，如果一件產(chǎn)品的耐久性更高，維護(hù)更少，它就是更加綠色的產(chǎn)品。

Optima Project的Kendall也認(rèn)為，在綠色建筑方面的應(yīng)用對于復(fù)合材料來說是一個快速增長的市場。

“現(xiàn)在，有越來越多的人會問我們有關(guān)整體環(huán)境影響的問題。像其他事物一樣，你可以通過一些數(shù)字來回答幾乎所有的問題。但是也有一些比較有趣的研究。在荷蘭，就有一項針對橋梁的頗為特別的研究。研究人員比較了鋁、不銹鋼、混凝土和復(fù)合材料在人行天橋上的應(yīng)用，并對其進(jìn)行了環(huán)境評估。研究結(jié)果指出，單就環(huán)境影響而言，復(fù)合材料是最環(huán)保的。”

“我們希望在建筑結(jié)構(gòu)上也看到相同的結(jié)果。是的，樹脂是石油基的——但是這一點可以改變，而且在某種程度上正在發(fā)生改變——而其所代表的能耗相對于其他材料來說仍然是比較低的。當(dāng)然，如果你考慮其他環(huán)境影響，例如制造過程中的污染，那么采用復(fù)合材料所帶來的環(huán)境影響相對于其他材料來說則更是非常好的。 本文來自123

將來，會出現(xiàn)一些改善環(huán)境影響的材料。
“我們看好天然樹脂和天然纖維，它們的性能表現(xiàn)必然會在未來十年內(nèi)得到改善。但是目前，這些材料的結(jié)構(gòu)性能仍然有點令人失望。” Kendall補(bǔ)充說。

剩下的工作

盡管復(fù)合材料在建筑行業(yè)有著巨大的潛力，但是在纖維增強(qiáng)塑料能被稱作主流建筑材料之前，我們還有很多工作要做。

“這需要來自從建筑師、工程師到客戶在內(nèi)的整個設(shè)計團(tuán)隊的前瞻性思考，才能促成這些變化的發(fā)生。” Kendall說。

與大多數(shù)事物一樣，一切從教育開始。

“有一點非常好，大學(xué)院校對復(fù)合材料的興趣正變得愈發(fā)濃厚，研究項目也越來越多。但從大學(xué)的角度來看，研究的覆蓋面仍然不太理想或者不太全面。”他說。

這個行業(yè)還需要一些令人大開眼界的事物來展示復(fù)合材料的潛力。例如，亞什蘭通過設(shè)立Compositebuild.com網(wǎng)站來推動行業(yè)內(nèi)的相關(guān)培訓(xùn)和教育。

Moffit解釋說：“在Compositebuild.com網(wǎng)站上，我們將復(fù)合材料制造商與綠色建筑社區(qū)和建筑行業(yè)的其它信息鏈接在一起。正如我們曾對建筑師和建造商說過的，我們發(fā)現(xiàn)他們對復(fù)合材料還知之甚少。因此，我們想找到這種方法來幫助他們增加對復(fù)合材料的了解。在Compositebuild.com網(wǎng)站，人們可以在一座房子或一個辦公室內(nèi)進(jìn)行參觀，可以觀察建筑內(nèi)的不同區(qū)域，看看哪些地方采用了復(fù)合材料，或者這些地方為什么要使用復(fù)合材料。用戶還可以鏈接到復(fù)合材料制造商的網(wǎng)站，從而了解特定的復(fù)合材料產(chǎn)品是如何為建造商、建筑師或者設(shè)計師帶來利益的。”

另一種影響建筑行業(yè)的方法是借助可行性研究。Kendall說 ：“在英國有一個稱作‘國家復(fù)合材料網(wǎng)’（ National Composites Network）的政府資助計劃，由政府出錢進(jìn)行短期的可行性研究，這類研究已經(jīng)進(jìn)行了很多，并成功說服許多項目采用了復(fù)合材料——這的確是一種啟動復(fù)合材料項目的好方法。復(fù)合材料行業(yè)不具備的事物之一就是沒有一個真正強(qiáng)大的行業(yè)組織或大型的材料供應(yīng)商可以為這類開發(fā)工作提供資金。” 123456

“在英國還有一個稱作‘建筑復(fù)合材料網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)’（ Network Group for Composites in Construction）的組織，這是一個非盈利性質(zhì)的會員制組織，是為了進(jìn)一步推動復(fù)合材料在建筑行業(yè)的應(yīng)用而設(shè)立的。盡管他們沒有進(jìn)行可行性研究的資金，但是毫無疑問，也有助于推廣復(fù)合材料的應(yīng)用。”