前言
前几天苹果举办 iPhone X 发布会时，史蒂夫·乔布斯剧院吸引了大量关注，刷爆了朋友圈。除了高科技玻璃之外，剧院整个地上结构的一大特点就是拉伸且轻质的屋顶，而这个屋顶所用的材料就是玻璃钢。
玻璃钢材料简介
材料
构成
纤维增强复合材料FRP，英文全称Fiber Reinforced Polymer/Plastics，由纤维材料和基体材料组成。用于建筑结构时，常用的纤维材料有碳纤维和玻璃纤维，基体材料有环氧树脂、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂等。从微观到宏观，极细的纤维丝首先按一定方向排列或编织成板、布等形式，然后与基体材料粘合，形成玻璃钢制品。
发展
历史
自20世纪40年代问世以来，玻璃钢首先应用于航空航天、军事等领域。以客机为例，玻璃钢在客机制造材料中的比例逐年上升，在波音787和空客350中均达到50%以上（重量比），高于钢、铝、钛等金属及其合金。
随着材料准备成本的降低，玻璃钢也开始走进大众生活。常用的玻璃纤维增强复合材料有GFRP（俗称玻纤）和碳纤维增强复合材料CFRP。 GFRP多用于景观雕塑、座椅、垃圾桶、储罐等。CFRP可用于游艇、汽车、自行车、运动休闲器材等。
FRP首次应用于民用建筑是在20世纪60年代。但直到20世纪90年代，随着玻璃钢钢筋混凝土结构技术的兴起，工程界才逐渐认识到这种新材料，并将其扩展到钢结构、木结构、砖石结构的加固。
由于您可能已经对FRP加固技术有了很好的了解，因此本文主要选择FRP在新建建筑中作为结构材料和建筑表皮的案例来尝试讲解FRP材料的优缺点。
玻璃钢材料特性
重量
光
玻璃钢的密度约为14-21kN/m3，约为钢的1/6~1/4，比金属铝轻。用于大跨度结构时，可大大减轻结构的重量。
以乔布斯剧院为例，整个碳纤维屋顶仅重80t，可采用整体吊装方式施工。按屋顶直径约47m计算，平均每平方米重量为46kg，仅相当于约6mm厚的钢板。如此惊人的减重效果，使得屋顶能够承受周围结构玻璃的重量，创造出令人惊叹的空间效果。
力量
高的
天然材料的晶体结构存在缺陷。材料越细，缺陷越少，强度越高。碳纤维、玻璃纤维的强度可达到钢的10至20倍。考虑到纤维与基体的强度差异，FRP材料的强度/重量比通常可以达到钢材的4倍以上，使得FRP大跨结构的极限跨度比传统结构长2~3倍更大。
有研究人员演示了利用CFRP缆索建造跨度一万米的直布罗陀大桥，其强度由此可见一斑。
成型
方便的
玻璃钢生产工艺有拉挤成型、缠绕成型、手糊成型、注射成型等方法。不仅可以大规模生产规则形状的玻璃钢产品，而且可以生产几乎任何形状的面板来构造非线性的建筑形状。
下图展示了手糊成型异形板的典型流程：基膜加工->手糊成型->脱模获得基本单元->单元组装。利用数控机床或3D打印技术进行模具加工，可以准确、快速地获得任意曲面形状。
容易
拆卸与组装
玻璃钢有包括螺栓连接在内的多种连接方式，且其材质轻，更易于拆卸和组装。扎哈·哈迪德的香奈儿移动艺术博物馆占地约700平方米。主要结构构件为钢结构，外表皮为宽度不超过2.55m的GFRP曲板。它可以在短时间内拆卸和组装，使其顺利完成从香港出发，途经东京、纽约、莫斯科、伦敦和巴黎的全球巡演。
抵抗的
腐蚀
海边建房子最怕什么？它实际上是腐蚀，无论是钢材还是混凝土。小i去年去鼓浪屿“考察”，无意中看到了被腐蚀的桥墩，让他深受感动。玻璃钢可以在酸、碱、盐和潮湿的环境中长期使用，还可以抵抗除冰盐和空气中盐的腐蚀。
萨夫迪和扎哈·哈迪德都设计了可以在水中移动的“建筑”——游艇。对于长期浸泡在海水中，玻璃钢表示没有压力。
萨夫迪（左）和扎哈·哈迪德（右）设计的游艇
八方
异性
与钢、铝等材料的各向同性特性不同，由于纤维铺设往往是定向的（单向或双向交织），FRP沿纤维和垂直于纤维的力学性能有较大差异方向。属于复合材料力学范畴。分析复杂，设计难度大。
由于层间拉伸/剪切强度较低，连接部位很容易成为部件的薄弱环节。需要尽量减少连接，并特别注意连接设计。重要连接节点可采用钢节点。
其他
特征
国内外案例
外国的
案件
伊扎克·拉宾中心
建筑：Safdie Architects，结构：ARUP；
以色列特拉维夫，2005 年
屋顶两侧白色不规则曲面象征和平鸽的翅膀，纪念诺贝尔和平奖获得者、以色列前总理拉宾遇刺十周年。类似于帆船船体的玻璃钢夹芯板用作屋顶材料。它们在荷兰分块生产，然后运到施工现场组装单片机翼（最大尺寸可达20x30米），并在其表面涂有抗紫外线和阻燃涂层。将 5 个机翼提起到位。该项目是建筑结构一体化的早期成功案例，为后续项目提供了宝贵的经验。
新加坡艺术科学博物馆艺术科学博物馆
建筑：Safdie Architects，结构：ARUP，2011
建筑高62m，屋顶最宽处80m，建筑面积约6000m2。固定在中央圆形底座上的10个形状奇特的手指，内部由钢结构制成，外部由不同程度曲率的建筑表皮制成。为了保证造型效果完整流畅，构件易于预制和组装，并满足结构、消防和安全的需要，设计师对多种材料进行了比较和选择，最终选定了聚乙烯树脂——玻璃钢面板，总面积12,500平方米。
弗莱彻酒店弗莱彻酒店
这座紧邻A2高速公路的60m高的管状建筑具有双层表皮，由外曲面玻璃和内GFRP曲面面板组成。最初的设计方案是将玻璃固定在木龙骨上，但参与该项目的Octatube公司拥有拉宾中心等应用FRP弧形面板的经验，因此最终采用了更具表现力的FRP彩色弧形面板并结合圆形窗扇直接内置于其中。每层使用10块GFRP面板，每块GFRP面板上固定4块曲面玻璃（1.8mx3m），总表皮面积为4000m2。
ARCHI：Benthem & Crouwel Architects；
荷兰阿姆斯特丹，2012 年
安装时，首先通过钢预埋件将弧形面板固定在混凝土结构上，然后在FRP面板上伸出钢爪，将弧形玻璃固定。内外表皮800mm的间隙提供温度控制和高速公路噪音隔离。这是功能与结构一体化的一次非常有意义的尝试。
蛇形画廊萨克勒
ARCHI：扎哈·哈迪德建筑师事务所；肯辛顿花园，伦敦钢结构异形柱优缺点，2013
该建筑是在原画廊扩建基础上新增的第二个艺术区和餐厅，建筑面积约900平方米。其主体结构为钢结构钢结构异形柱优缺点，屋顶、吊顶及异型柱均采用多种FRP【白壳PTFE涂玻纤布】（外）+硅胶涂玻纤布（内）+GFRP封闭+ 钢结构异型柱外包GFRP]。
国内的
案件
武汉阳光凯迪
ARCHI：XWG建筑工作室；武汉, 2013
这座非线性弧形建筑主体结构为钢管框架，外蒙皮采用玻璃钢夹芯板（面层为3mm厚玻璃钢面板，夹芯层为100mm厚阻燃聚氨酯泡沫材料）。设计时，非线性蒙皮被分成53块尺寸约为1.5mx4.5m的夹芯板单元，在工厂预制，然后运输到现场进行组装。该建筑将隔热等功能特性融入到玻璃钢夹芯板的结构骨架中。是我国结构-功能一体化非线性建筑的成功实践。
南京鱼珠大厦
ARCHI：张永和； STRU：南京工业大学。南京，2017
柱和楼板分别为木芯玻璃钢柱和木芯夹层楼板。结构抗侧力构件为钢框架剪力墙（长方向）和斜拉索（短方向）。一些连接节点由钢制成。复合材料在整个结构中的重量比例为85%，是传统结构中采用FRP作为主要结构材料的重要尝试。
北京通州的一座桥
桥两侧分层曲面采用FRP弧形面板成型，面板面积约9000平方米。从图片来看，面板造型还是非常流畅的。
概括
在前面提到的知乎热帖中，有人分析说，国内新建建筑结构中很少使用FRP材料的原因之一是没有相应的设计规范。如果真要设计，只能参考国外FRP型材结构设计规范，参考已有的研究成果，或者进行实验研究。
目前情况正在发生变化。国内玻璃钢型材产品规范已发布，设计规范正在编制中。如果一切顺利，它们将于明年发布。相信在设计规范的指导下，设计师在选择玻璃钢材料时会更有信心。小i也热切希望未来国内能出现越来越多合理应用FRP材料的结构作品。如果您还知道其他玻璃钢建筑作品，希望您能与我们分享。
PS：本文素材来源于iStructure在微信发表的原创观点。观点版权归作者所有。非常感谢。
