今年蘋果公司舉行iphone X 發(fā)布會(huì)時(shí)，喬布斯劇院吸引了很多關(guān)注，刷爆了朋友圈。劇院的整個(gè)地上結(jié)構(gòu)除了科技感十足的玻璃之外，舒展輕盈的屋頂也是其一大特色，而這個(gè)屋頂所使用的材料正是 FRP。

 一、FRP簡(jiǎn)介 

1、材料構(gòu)成

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP，英文全稱Fiber Reinforced Polymer /Plastics，由纖維材料與基體材料構(gòu)成。用于建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，常用的纖維材料有碳纖維、玻璃纖維，基體材料有環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯基酯樹(shù)脂、不飽和聚酯樹(shù)脂。由微觀到宏觀，首先由極細(xì)的纖維絲按一定方向排列或編織為板、布等形式，再與基體材料膠結(jié)后形成FRP制品。

2、發(fā)展歷史

從20世紀(jì)40年代問(wèn)世以來(lái)，F(xiàn)RP首先被應(yīng)用于航空航天、軍事等領(lǐng)域。以客機(jī)為例，客機(jī)制造材料中的FRP占比逐年增高，至波音787和空客350均已超過(guò)50%（重量比），高于鋼、鋁、鈦等金屬及其合金。

隨著材料制備成本的降低，FRP也開(kāi)始走入大眾生活，常用的有玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料GFRP(俗稱玻璃鋼)、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料CFRP。GFRP多用于景觀雕塑、座椅、垃圾桶、儲(chǔ)料罐等，CFRP可用于游艇、汽車、自行車、體育休閑器具等。

FRP最早于1960年代被用于民用建筑。但直到1990年代，隨著FRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的興起，工程界才逐漸認(rèn)可對(duì)這種新型材料，并擴(kuò)展到對(duì)鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)的加固工程中。

鑒于大家可能對(duì)FRP加固技術(shù)已經(jīng)有相當(dāng)?shù)牧私?，本文主要選擇了FRP在新建建筑作為結(jié)構(gòu)材料和建筑表皮應(yīng)用的案例，嘗試說(shuō)明FRP材料的優(yōu)缺點(diǎn)。

 二、FRP特點(diǎn) 

1、重量輕

FRP的密度約為14-21kN/m3，約為鋼的1/6~1/4，亦輕于金屬鋁。應(yīng)用于大跨結(jié)構(gòu)中時(shí)，可極大減輕結(jié)構(gòu)自重。

以喬布斯劇院為例，整個(gè)碳纖維屋蓋自重僅80t，可采用整體吊裝方式施工。按屋蓋直徑約47m計(jì)算，折合每平米平均重46kg，僅相當(dāng)于約6mm厚的鋼板。如此驚人的減重效果，才使得屋面承重于周邊結(jié)構(gòu)玻璃成為可能，造就了令人驚嘆的空間效果。

2、強(qiáng)度高

天然物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)中都有缺陷，材料越細(xì)，缺陷越少，強(qiáng)度越高。碳纖維、玻璃纖維的強(qiáng)度可達(dá)鋼材的10~20倍，綜合考慮纖維和基體的強(qiáng)度差異，F(xiàn)RP材料的強(qiáng)度/重量比通常可達(dá)鋼材的4倍以上，使得FRP大跨結(jié)構(gòu)的極限跨度比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)大2~3倍。

有研究學(xué)者曾對(duì)利用CFRP索建造跨度10000m的直布羅陀大橋進(jìn)行了論證，其強(qiáng)度由此可見(jiàn)。

3、成型方便

FRP的生產(chǎn)制作工藝包括拉擠、纏繞、手糊、噴射成型等多種方式。不僅可規(guī)?；a(chǎn)形狀規(guī)則的FRP制品，更可制作出幾乎任意形狀的板材用于構(gòu)筑非線性建筑造型。

以下展示了手糊工藝制作異形面板的典型流程：加工底膜->手糊->脫模得到基本單元->單元組裝。采用數(shù)控機(jī)床或3D打印技術(shù)進(jìn)行模具加工，可以精確、快速地得到任意曲面造型。

4、便于拆卸組裝

FRP具有包括栓接在內(nèi)的多種連接方式，其材料的輕便性使其更便于拆卸和組裝。扎哈的香奈兒流動(dòng)藝術(shù)博物館面積約700㎡，主結(jié)構(gòu)構(gòu)件為鋼結(jié)構(gòu)，外皮為寬度不超過(guò)2.55m的GFRP曲面板，在較短時(shí)間內(nèi)就能進(jìn)行拆卸和拼裝，使其成功地完成了從香港途徑東京、紐約、莫斯科、倫敦直至巴黎的全球巡展。

5、耐腐蝕

海邊造房子最怕什么？其實(shí)是腐蝕，無(wú)論是鋼材還是混凝土。筆者去年去鼓浪嶼“考察”，偶然間看到腐蝕后的橋墩，對(duì)此深有感觸。而FRP可在酸、堿、鹽和潮濕環(huán)境中長(zhǎng)期使用，亦可抵抗除冰鹽和空氣中鹽分的腐蝕。

薩夫迪和扎哈都設(shè)計(jì)過(guò)可水中移動(dòng)的“建筑”——游艇，對(duì)于海水中的長(zhǎng)時(shí)間浸泡，F(xiàn)RP表示毫無(wú)壓力。

薩夫迪(左)和扎哈(右)設(shè)計(jì)的游艇

6、各向異性

不同于鋼、鋁等材料各向同性的特點(diǎn)，由于纖維鋪設(shè)常具有方向性（單向或雙向交織），使得FRP在沿纖維和垂直纖維方向力學(xué)性能相差較大，屬于復(fù)合材料力學(xué)范疇，力學(xué)分析復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度較大。

由于層間拉伸/剪切強(qiáng)度低，使得連接部位容易成為構(gòu)件的薄弱部位，需盡量減少連接，并特別重視連接設(shè)計(jì)。重要的連接節(jié)點(diǎn)可采用鋼節(jié)點(diǎn)。

 三、其他特性 

1、彈性模量：

FRP的彈性模量與混凝土、木材相當(dāng)，相比其高強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常由變形控制。可通過(guò)合理地選擇結(jié)構(gòu)形式、與其它材料組合以及施加預(yù)應(yīng)力等方式控制變形。

2、線脹系數(shù)：

遠(yuǎn)小于鋼、鋁等金屬材料，一方面使其應(yīng)用于超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)引起的溫度應(yīng)力不明顯，有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；另一方面自帶較好的保溫隔熱效果，不再需要額外的建筑保溫層，節(jié)省建筑空間。

3、防火性能：

樹(shù)脂在高溫下會(huì)由于軟化導(dǎo)致力學(xué)性能降低。可利用在樹(shù)脂中摻入阻燃劑+FRP表面防火處理的辦法提高防火性能。良好處理的FRP防火效果已能和混凝土相當(dāng)，詳見(jiàn)后文“舊金山現(xiàn)代藝術(shù)博物館擴(kuò)建工程”案例。

4、經(jīng)濟(jì)性：

FRP材料的價(jià)格高于鋼材。但考慮其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、低維護(hù)需求等特點(diǎn)，綜合成本具有競(jìng)爭(zhēng)力。而且隨著科技進(jìn)步，材料生產(chǎn)成本逐年降低，例如用于加固的CFRP價(jià)格如今不到起步時(shí)的25%，可以預(yù)見(jiàn)FRP材料的潛力。