结合实例浅谈碳纤维在非线性建筑设计中的应用

赵辉

摘要：随着科学技术的不断进步，学科之间也产生了巨大的影响，特别是电子技术、材料科学与生物工程的合作，研制出了形形色色的智能性合成材料。在这样的背景下，本文结合实例浅谈碳纤维在非线性建筑设计中的应用。

关键词：碳纤维；碳纤维大楼；波城多媒体图书馆

施瓦茨说：“新技术为我们带来了无数的惊喜，各种人们不曾见过的终极织物将陆续出现。

——施瓦茨

一、非线性科学的影响

20世纪末，非线性科学异军突起，它的迅猛发展突破了线性思维对人们的束缚。在这个重要的时刻，建筑领域亦受到了很大的影响，建筑师开始关注其他领域的发展，并积极的向其他学科学习，从而其建筑设计上也有所体现。

在建筑形态设计上，许多因素都可以起到至关重要的作用，而“材料”无疑是这些影响建筑形态设计的重要因素之一。

二、新材料

如今，一场建筑新材料的革命正在多学科交叉互动下引发，它突破了传统热平衡动力学的限制，对包括玻璃、尼龙和新型复合材料在内的各种材料进行了新的研究。生命工程和基因技术的发展，使新材料可以像生物器官一样培育出来。这些新型材料很难通过受拉、受压、受剪等传统的材料分类方法将它们分类，其性质不光因其内部组织结构不同而具有差异，还因其所在系统中所处的位置不同而有变化，如玻璃纤维等内部异质的合成材料具有与骨骼相似的性质，以适应拉、压、剪同时存在的情况。

三、碳纤维

碳纤维作为最新的建筑材料，被一些先锋建筑师在建筑上应用，形成了其独树一帜的设计风格，表现了非线性建筑的特质。

碳纤维又被称为纳米碳管（Carbon Nanotube），呈圆柱状排列的碳分子组合，是多层石

图1碳纤维

图片来源： http://wenku.baidu.com

墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管，每层的C是SP2杂化，形成六边形平面的圆柱面。

碳纤维已被证明是世界上最坚硬的材料。如果利用纳米碳管编成如纸薄的织物，其强度可以抵抗子弹的冲击，如将其编成纤细的线缆其刚度可胜过钢铁的五倍。目前，随着越来越多的工业产品汽车、飞机等在其合成材料中采用碳纤维，材料科学家们正在努力实现大批量生产高纯度碳纤维的可能性。

四、建筑实例分析

图2碳纤维大楼

图片来源： http://news.qq.com

（一）用纤维编织的碳素大厦

建筑师彼得·特斯塔（Peter Testa）的“碳纤维”建筑方案，其灵感激发来自于日本服装设计师菱沼良树（Yoshiki Hishinuma）的编织技巧，设计师期望以碳纤维材料“编织”出40层高的塔楼。整个结构不使用钢材，而是选用碳素纤维，用交叉织成的网格制成，其强度要比钢材高出许多倍。大楼的内部结构是完全开放的，只有电梯是一封闭的轴状空间。（图2中显示的是建筑模型。）

（二）扎哈·哈迪德的多媒体图书馆

扎哈·哈迪德设计的法国波城多媒体图书馆（Mediatheque in Pau）（图3），她希望这个建筑能够成为多文化融合共生的展示窗口。在这个宏伟的构想之下，多媒体图书馆被想象成为一个在现代科学技术中“工艺现状”的应用。

在设计中哈迪德应用一个复杂性涡流系统计算生成了一个非线性形态建筑。这个涡流分布系统是一个连续的非线性力场，建筑的形式是根据力场的空间形态变化转译而来。在涡流的中心形成了一个漏斗，哈迪德将主接待厅布置于此，作为整个建筑的定向核心和空间控制点，同时它反过来通过一系列力的扰动和干涉来影响周围的环境。建筑为了跨越开间与进深都很大的二层讲堂“高台”，获得一个没有任何结构支撑的大跨度空间，将整个建筑空间用一个支撑的叠合壳包裹了起来。

建筑壳体是由表面的高强炭纤维结构层构成，整个复杂的几何形式根据材料本身的结构特性来决定，在弯曲刚度需要的地方进行弯折，并利用双曲面来传递多个方向的荷载。

图3多媒体图书馆

图片来源： 世界建筑

建筑壳体除表面采用了高强炭纤维结构层，在中间还采用了聚氨酯泡沫，这种材料具有良好的隔热隔音的特性。通过这种简便易行的三明治型板式轻质叠合结构，将外部围护、结构、保温隔热整合为一体，巧妙的解决了方案。

五、小结

科学家们表示，“由金属、碳纤维等新型材料制成的丝线会进一步扩大织物的用途，加上化学涂料，它们还将具有防火等额外功能。新技术为我们带来了无数的惊喜，各种人们不曾见过的织物将陆续出现。”

多学科的交叉研究催生出了形形色色的智能性复合材料，如可随自然光线变化可自动调节折射率、折射角度的敏感玻璃，以及受冲击后可像塑胶一样变形又能迅速恢复形状的混凝土等等。总之，新型建筑材料除其基本物理性能大大增强以外，将会更智能、更环保、与人和自然环境的关系更亲和。