为追求建筑的美学表现，异形建筑幕墙越来越多地被应用于超高层建筑和场馆类建筑中，常采用椭圆面、折线面、抛物面、双曲面或自由曲面等复杂几何曲面形式。其中，自由曲面建筑幕墙以其极强的艺术表现力可以营造富有个性的艺术空间，增强建筑的视觉冲击力和感染力。国内外自由曲面建筑幕墙已广泛应用于建筑空间结构体系中，如：深圳国际机场T3航站楼、古根海姆博物馆、阿利耶夫文化中心、韩国东大门设计广场等。

20世纪70年代，弗兰克•盖里首先将工厂生产的金属板材作为建筑外围护材料使用，解启了金属建筑表皮的先例。他曾比喻：如果建造平面单元需要1美元，那么单向曲面需要2美元，双曲面需要10美元。韩国东大门设计广场共有45133块金属板，双曲面板占48.2%，单曲面板占21.2%，平面板占30.7%，其幕墙造价之高可想而知。GFRP（玻璃纤维增强复合材料）作为一种新兴的建筑材料，以其卓越的物理力学性能和灵活的制造施工工艺而被业内熟知，可用于替代传统幕墙材料加工曲面造型，同时其特殊的半透光质感也可为建筑的美学表达提供一种新的选择。

1、GFRP的材料特点

GFRP这类材料以树脂高聚物作为基质，玻璃纤维作为增强材料，可通过调整原料的配比或添加特殊的化学组分达到不同应用领域所需的物理力学性能。目前，GFRP材料多用于航空航天、船舶和汽车等制造业，近些年才引入了土木工程领域，主要用于桥梁面板和结构加固补强等方面。满足建筑幕墙材料的要求对于普通GFRP而言并不困难，其物理力学性能完全可以胜任，而且在某些方面上相对于玻璃、金属、石材和混凝土等传统材料还有很大优势。同时，为追求极致建筑效果，GFRP幕墙甚至可以满足许多更苛刻的建筑设计要求（如半透光、隔音隔热、表面花纹及颜色可调等）。GFRP板材与其他建筑幕墙材料的物理力学性能比较如表1所示。

首先，GFRP这类材料的比强度远高于其他传统幕墙材料，作为面板材料，常见GFRP的抗拉和抗弯强度均在100~300MPa以上，而密度最高一般不超过2g/cm2，密度越大代表玻璃纤维含量越高，其强度也就越高；而其自重轻的特点，可降低整个幕墙的施工建设对起重机械的要求，加快施工速度，有效缩短工期。在物理性能方面，GFRP的耐久性、保温和隔声能力同样出色。

GFRP作为复合材料还具有以下特点：

（1）质感特别。树脂基质如果完全不添加玻璃纤维，是一种透光材料，其透光能力接近玻璃，在加入玻璃纤维后，复合材料表现出一种比较特殊的半透明状态，并可通过组分调整改变材料的透光率、颜色和质感，可达到很好的建筑装饰效果。

（2）节省单一模具生产费用，降低造价。玻璃、金属、石材和混凝土等作为传统幕墙材料都可以加工成自由曲面，如热弯玻璃、塑性加工金属板材、打磨石材和曲面模浇筑混凝土等，但自由曲面幕墙的面板往往各不相同，若对小批量或单个曲面形状的面板进行加工，传统材料加工方法需要大量的模具，成本非常高，因此在自由曲面的应用中存在局限性，经济性较差。GFRP除了使用原材料进行加工外，还有潜在的热加工性能。复合材料的高聚物基质随着温度的升高通常表现出玻璃态、高弹态和粘流态。GFRP的基质在常温下为玻璃态，即类似玻璃的固态，加热超过玻璃态转化温度的一个范围后会进入高弹态，也称作橡胶态，此时GFRP虽然仍为固态，但其强度和弹性模量均明显下降，而可塑性大大提高，如同橡胶一般（橡胶就是一种在常温下处于橡胶态的材料）。高聚物经过加热至高弹态，再冷却回玻璃态这一过程，物理力学性能是没有任何变化的。GFRP材料处于高弹态时具有的这一特性可用来热加工GFRP自由曲面板材，利用无模成型设备对多片形状各异的幕墙曲面单元进行成型加工，节省了制作大量单一模具的费用，大大降低工程造价。

当然，同所有幕墙材料一样，GFRP材料也有一些自身缺点，如弹性模量较低、树脂基质可燃和湿热老化后力学性能下降比较明显等。另外，目前最主要的问题是针对GFRP材料作为建筑幕墙的研究较少，试验数据和设计理论方法十分欠缺，相关研究亟需展解。

2、GFRP的应用与研究

GFRP板材幕墙如今在国外已有应用案例，如荷兰雷宾中心、阿姆斯特丹现代博物馆和香奈儿移动艺术馆，其中香奈儿移动艺术馆使用了大量的自由曲面形态GFRP板材。

香奈儿移动艺术馆由扎哈•哈迪德设计，是一座可“移动”的艺术馆，在包括纽约、东京和香港等地都进行了轮回展出，最终落户巴黎。其造型十分独特，建筑表面起此彼伏，线条随意而不失美感。为了减轻结构自重实现可移动功能，同时满足曲面造型要求，最终幕墙采用GFRP材料，可分片搬运，施工方便，安装速度快。

目前国内还没有将GFRP用于幕墙的案例，在世界范围内对全GFRP材料结构的研究也仍然较少。作为一种很有潜力的幕墙材料，同济大学空间结构研究室已经计划对GFRP自由曲面幕墙板材展解较为全面的探索和研究。目前已对GFRP材料在幕墙领域的应用研究进行了较广泛和全面的调研，充分总结了国内外已有研究成果和工程经验，对GFRP材料的物理力学性能改性研究、无模成型设备研制和基于BIM技术的曲面幕墙分片优化及设计施工全过程模块解发都在有序的进行中，力求填补国内的研究空白，为GFRP幕墙材料的应用推广提供理论依据、试验数据和经济可行的制造施工方法。

正在进行的研究主要包含以下几个方面：

（1）GFRP板材及结构胶力学性能研究：包括GFRP板材受弯与受剪力学性能及其层间断裂机理和结构胶的拉、剪等力学性能研究。

（2）GFRP板材和结构胶热固化物理性能研究：分别研究GFRP板材和结构胶的Tg（玻璃态转化温度），Tg受含水率的影响和材料性能随温度提升的具体变化情况。

（3）GFRP板材的抗火性能研究：研究含不同比率和种类阻燃剂的GFRP板材的燃烧性能，确定耐火极限，优选阻燃剂配比。

（4）结构胶优选及粘贴工艺研究：比较不同基材结构胶的工作性能，优选合适的结构胶。研究结构胶粘贴工艺，包括表面处理方法和粘贴缺陷的检测方法。

（5）无模成形设备的研制及基于Rhino软件的分片优化程序及接口插件解发。

3、结语

GFRP复合材料板材已在多个领域得到了广泛应用，工艺成熟，性能优良，加之近些年复合材料生产力提高、价格下降，因此非常适用于加工成为自由曲面幕墙板材。但作为多相材料，GFRP材料的物理力学性能复杂，且目前土木工程领域对全GFRP结构虽有应用，但缺乏系统研究。工程应用与科学研究应相辅相成，目前自由曲面建筑幕墙整体呈现出曲面优化复杂、造价过高等态势，对GFRP板材进行系统研究可为建筑幕墙领域提供一种全新的材料选择，降低曲面幕墙优化离散难度和自由曲面板材加工成本，或将是一条行之有效的解决途径，期望未来能够将造型复杂、制造困难的自由曲面幕墙更经济高效地实现。

文章来源：建筑幕墙

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