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[材料应用] 更轻、更强、更环保——建筑携手复合材料 |
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复合材料在建筑行业被用作建筑模具，建筑的室内装饰和外墙挂板已经有很长时间了，但是复合材料在这个行业中还有哪些应用机会呢？自由撰稿人Kari Williamson对此进行了调查。 建筑市场与其他行业一样在金融危机中遭受重创，但其增长态势正在慢慢恢复。美国复合材料制造商协会（ACMA）的最新数据表明，2010年热固性玻纤增强材料的发货量为24亿lb（约11亿kg），其中41%是用于建筑行业的，应用范围涵盖建筑物、公路、地桩、墙板和屋顶，以及风机叶片及其内部固定装置。  位于中东的Premier Composite Technologies（PCT）公司就经历了这种增长，其总经理Hannes Waimer说 ：“我们清楚地看到了市场的增长，也看到了需求的增长。” PCT在2006年成立时只有三个人，现在已经发展到900名员工。 然而，在亚什兰高性能材料（Ashland Performance Materials）的Bob Moffit看来：“复合材料目前仅占整个建筑市场当中很小的一部份——这是一个巨大的增长领域。就百分比而言，我们无需大量的增长就能对复合材料市场的份额带来重大影响。即使只增长了很少的百分比，就已经代表了大量的复合材料。” 传统应用和新应用 从3 World Trade Center的案例可以看出，复合材料经常在建筑行业被用于模具的制作。但是，日益发展的趋势是将复合材料用于结构件，桥梁的建造是其中应用较为广泛的行业之一。  英国咨询公司Optima Projects的总经理David Kendall说 ：“目前荷兰有许多复合材料桥。据我所知约有4-5家制造商正致力于复合材料桥的生产，他们正在建立起一个非常好的行业。” 复合材料也被用于现有结构的修复。Moffit给出了一个例子。 “本地有一座建筑正在进行维修，其顶部有巨大的混凝土柱。在维修时，他们没有采用混凝土柱来进行替换，却采用了复合材料柱。若采用混凝土柱，将其吊升到顶部需要大型起重机和大量的人力及重型设备；而改用复合材料柱，则只需借助建筑内部的货梯就可以将部件运送上去，然后手工安装到位。” 减重是制造商用来说服客户使用复合材料的常用主题。但是，光凭这一点通常是不够的。 复合材料遇到的障碍 在传统的保守行业中，较难引入新的观点、工艺和材料。正如Kendall所说 ：“人们缺乏对复合材料的认知和了解，而且对他们正在使用的传统材料已经非常适应了。” 他相信，这在一定程度上取决于这一行业的建立方式，在一家公司仅有的这几个部门中，咨询人员、设计师和建筑师都面临着各种降低成本所带来的压力。 “因此，他们总是倾向于选择相对容易留有余地的方案，尽管这些方案对于整体项目来说其成本可能并不是最低的。”Kendall说，“我们会发现，复合材料结构通常会需要更多的工程作业，从而使得工程成本变高。不过，从客户的角度来说，最终结果的结果可能会更低。因此，我们在这方面还有许多培训和教育工作要做。” “说服建筑师采用复合材料可能是其中困难最小的，因为他们能够看到复合材料在设计过程中带来的自由度。而说服建筑公司、主要的建筑承包商和客户可能就很难了。” 当建筑师在展示某项方案时，他遇到的第一个问题会是：这个方案会花费多少钱？而问题在于，没有以往的项目记录可供比较。 “你需要进行理论研究和可行性研究来确定成本，这就需要及时的资金投入。这是一个关于由谁来投资，谁来使项目开始的问题。”Kendall说，“对于传统材料，大家对不同结构的成本都比较熟悉，可以比较容易地做出合理的评估。而对复合材料来说就难得多了，这是一道需要我们跨越的障碍。”  他相信，一部分原因在于，大多数进行复合材料结构设计的公司和许多制造商的规模相对较小，因此很可能无法承担这样的投资。与此同时，客户也比较保守，尽管他们可能会受益匪浅，但是通常他们都不愿意做初始的投资。 另外的一个问题是复合材料供应企业加入某个项目的时机。如果复合材料没有从一开始就成为方案的一部分，那么就很难使它成为一种高性价比的选择。 PCT公司的Waimer解释说 ：“如果客户单纯只看混凝土屋顶，然后直接与复合材料屋顶进行比较，就会发现复合材料屋顶的成本大概是前者的三到四倍之多。但是如果我们从一开始就参与项目的话，他们就可以从地基和支柱就开始节约成本。此外，建造复合材料屋顶还可以从施工周期上节约大量成本。因为如果要修建混凝土屋顶，在建造屋顶之前首先要等项目进度到达屋顶的建造，这就意味着施工时间比较长。如果由我们来建造复合材料屋顶，一旦进度达到了屋顶的高度，我们基本上可以在几天，最多几周时间内就完成安装。整个项目在建筑现场的施工时间就会大大缩短。” 在阿联酋皇宫酒店（Emirates Palace）的施工项目中，Waimer认为，复合材料的使用将施工时间缩短了5-6个月。“一个拥有4000名工人的工地将花费大量的资金。”他说道。 尽管存在着障碍，但亚什兰的Moffit认为，人们对于复合材料的态度正在慢慢改变。“人们现在比以往更加重视生命周期成本。如果他们了解到，这种产品的使用寿命可以更长，而且不需要频繁的更换，那么他们甚至会愿意多花费一些成本。” 巨大的潜力 复合材料的优势之一是它们的设计灵活性。Waimer是这样说的：“采用复合材料，你什么都能建成。” “设计公司和工程公司需要越来越多有趣的结构。”多轴向增强材料提供商FORMAX的总经理Oliver Wessely解释说：“人们正在建筑上尝试各种有意思的设计。我们能够明确看到市场的增长，特别是在中东地区。中东地区的建筑风格是非常华丽的——他们拥有众多的拱形结构和圆形屋顶。我认为，这种结构适合采用复合材料，而西方的建筑风格相对来说则比较单调乏味。” 另一大优势是，成品外观的选择几乎没有限制。  “无论是马塞克还是天然石材表面，对于我们来说，在表面质量方面拥有完备的知识是非常重要的。”PCT公司的Waimer解释说：“我们设有表面装饰部门，因为我们交付的不仅是简单的复合材料制品，也是拥有各种外观样式的复合材料产品，比如从油漆到木材，从不锈钢到亚克力。也就是说，我们可以把一个完整的产品交付到现场。” 亚什兰的Moffit认为，应该强调的正是复合材料的这种独特之处，而不是它们与传统材料的相似性。 “我们对建筑师和建造商曾经说过，我们一直听到说法是，我们不应该对石头或木头等天然材料进行模仿——但是通常我们都是这样做的。我们一直都在尽力地模仿这些材料，并从价格上与它们竞争。然而，我们真正的机会在于充分利用复合材料的设计灵活性和性能优势来提供更好的产品。当我们只是一味地模仿现有材料时，就会限制自身的发展，并人为地给自己制造出一些壁垒。” 复合材料另一个巨大的潜在机会是结构应用的增加。 “我认为结构应用可能是复合材料在建筑行业最大的增长点。”Kendall这样评论。 他解释说 ：“当我们开始生产更大的结构，例如想要制造一个横跨泰晤士河，跨度达300m的人行桥时，我们就要使用更多的先进材料，例如碳纤维和环氧树脂。尽管这些都是价格很贵的材料，但如果用在合适的领域，就能以很小的成本换来更高的效益。” Kendall 说，越来越多的客户开始意识到使用复合材料的潜在优势。 “甚至那些我们认为非常保守的客户，例如英国的铁路网公司（Network Rail）和高速公路管理局（Highway Agency）也开始推进复合材料的应用。尤其是Network Rail公司，他们已经真正地将复合材料应用到了站台和人行天桥等设施的建设之中。我想他们已经意识到，在这些设施的整个服务期内，它们将能够实现成本的节约。初始投资的成本可能非常相近，但是维护成本却可以大大降低，特别是像桥梁等这类设施。在英国，桥梁的设计使用年限是120年，对于传统结构来说，其维护成本是非常高的。” 他还认为，复合材料在壳体结构中的应用会越来越多，所谓壳体结构即“采用外层面板作为结构部件，而不是传统的内部结构形式”。 “只有改变传统的结构观点，我们才能创造出真正高效、真正具有性价比的复合材料解决方案。”他补充说。 借助复合材料的内在特性减少结构的部件数量是Moffit看到的一个重大机会。 “复合材料这个行业能为市场提供许多独特的部件。如果你想买窗框、门、浴缸或厨房台面，都可以在家居装饰店里买到。 “复合材料在系统组件领域取得了许多进展，例如墙板和屋顶系统，又或许是整个房屋模块。这是部分组件的大规模整合。在汽车行业，复合材料的应用也逐渐增加，多部件的组件被制成整体式复合材料结构。我们在建筑领域也看到了这样的趋势，我们可以把目前需要大量工序和劳动力的建筑方式用复合材料板材和系统加以替代。我认为，在这些外观装饰和结构系统领域会出现明显的增长。” 绿色建筑 “当绿色建筑的标准第一次被提出来讨论的时候，我们就觉得，这些标准将会确实地推动人们采用更多碳足迹更低的可快速再生材料和可回收材料，而人们也确实对此很感兴趣。此外，人们更感兴趣的似乎是能源的节约、更长的使用寿命、更少的维护和易于安装的材料。”Moffit说道。 他说，绿色建筑的重要推动力之一是节能和减排（CO2）。 “在美国，电能用量的70%来自建筑，CO2排放的40%来自于施工过程和建筑的使用及运营。与传统建筑相比，绿色建筑可以将能耗和CO2排放减少30-40%。”  此外，绿色建筑的设计者希望采用不同的方式来进行设计。 “他们正在寻找新的材料和建筑方式，而不是传统的材料和工艺。这就给复合材料行业提供了一些很好的机会。建筑师、设计师和建造商都非常乐意了解非传统产品和工艺。这就使我们有了可以跟他们对话的机会。” 他指出，复合材料在减少能耗方面是具有优势的，例如，通过使用绝热墙板和采光板就可以实现。 复合材料还具有许多关于耐久性和低维护方面的优势，如果一件产品的耐久性更高，维护更少，它就是更加绿色的产品。 Optima Project的Kendall也认为，在绿色建筑方面的应用对于复合材料来说是一个快速增长的市场。 “现在，有越来越多的人会问我们有关整体环境影响的问题。像其他事物一样，你可以通过一些数字来回答几乎所有的问题。但是也有一些比较有趣的研究。在荷兰，就有一项针对桥梁的颇为特别的研究。研究人员比较了铝、不锈钢、混凝土和复合材料在人行天桥上的应用，并对其进行了环境评估。研究结果指出，单就环境影响而言，复合材料是最环保的。” “我们希望在建筑结构上也看到相同的结果。是的，树脂是石油基的——但是这一点可以改变，而且在某种程度上正在发生改变——而其所代表的能耗相对于其他材料来说仍然是比较低的。当然，如果你考虑其他环境影响，例如制造过程中的污染，那么采用复合材料所带来的环境影响相对于其他材料来说则更是非常好的。 将来，会出现一些改善环境影响的材料。 “我们看好天然树脂和天然纤维，它们的性能表现必然会在未来十年内得到改善。但是目前，这些材料的结构性能仍然有点令人失望。” Kendall补充说。 剩下的工作 尽管复合材料在建筑行业有着巨大的潜力，但是在纤维增强塑料能被称作主流建筑材料之前，我们还有很多工作要做。 “这需要来自从建筑师、工程师到客户在内的整个设计团队的前瞻性思考，才能促成这些变化的发生。” Kendall说。 与大多数事物一样，一切从教育开始。 “有一点非常好，大学院校对复合材料的兴趣正变得愈发浓厚，研究项目也越来越多。但从大学的角度来看，研究的覆盖面仍然不太理想或者不太全面。”他说。 这个行业还需要一些令人大开眼界的事物来展示复合材料的潜力。例如，亚什兰通过设立Compositebuild.com网站来推动行业内的相关培训和教育。 Moffit解释说：“在Compositebuild.com网站上，我们将复合材料制造商与绿色建筑社区和建筑行业的其它信息链接在一起。正如我们曾对建筑师和建造商说过的，我们发现他们对复合材料还知之甚少。因此，我们想找到这种方法来帮助他们增加对复合材料的了解。在Compositebuild.com网站，人们可以在一座房子或一个办公室内进行参观，可以观察建筑内的不同区域，看看哪些地方采用了复合材料，或者这些地方为什么要使用复合材料。用户还可以链接到复合材料制造商的网站，从而了解特定的复合材料产品是如何为建造商、建筑师或者设计师带来利益的。” 另一种影响建筑行业的方法是借助可行性研究。Kendall说 ：“在英国有一个称作‘国家复合材料网’（ National Composites Network）的政府资助计划，由政府出钱进行短期的可行性研究，这类研究已经进行了很多，并成功说服许多项目采用了复合材料——这的确是一种启动复合材料项目的好方法。复合材料行业不具备的事物之一就是没有一个真正强大的行业组织或大型的材料供应商可以为这类开发工作提供资金。” “在英国还有一个称作‘建筑复合材料网络集团’（ Network Group for Composites in Construction）的组织，这是一个非盈利性质的会员制组织，是为了进一步推动复合材料在建筑行业的应用而设立的。尽管他们没有进行可行性研究的资金，但是毫无疑问，也有助于推广复合材料的应用。” | |
发表于 2015-11-11 01:25:22
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