幕墙知识丨No.8 玻璃钢幕墙?

提到异形建筑,我们经常想到扎哈的流线型雕塑体,进而联想到实现这些雕塑体的常用材料——预制混凝土、预制GRC(GFRC,玻璃纤维增强混凝土)、UHPC(超高性能混凝土)。

混凝土类材料有着这样那样的优点,但由于混凝土没有金属、花岗石等材料的致密性,它存在着自洁性差、易污染的致命缺点。这种缺点在仅仅作为墙面材料使用时还不太容易体现出来,但用在墙屋面一体化的建筑时常常丑态毕露。

© Nikolai Vassiliev(CC BY-NC-SA 2.0,摄于2010,8)

意大利罗马Jubilee教堂(2003)
建筑师:RICHARD MEIER及其合伙人建筑师事务所

我们常见的项目介绍图片,典型的“白色派”效果(照片已显示赃斑,但总体看还不太明显)。

© VINCENZO PENTANGELO(CC BY-SA 4.0,摄于2015,9)

© ManipencaCC BY-SA 4.0,摄于2017,9
经过一定时间后,由于受酸雨侵蚀,预制的白色混凝土壳形墙面板即使号称采用了“光触媒(TiO2)技术”也已经肮脏不堪、甚至出现剥落、龟裂,清洗维护也是非常困难,完全失去了“白色派”的冰清玉洁形象。
© 褚智勇(拍摄时间:2019,8)
© 褚智勇(拍摄时间:2019,8)
© 褚智勇(拍摄时间:2019,8)

长沙梅溪湖国际文化艺术中心(2019)

建筑师:Zaha Hadid建筑师事务所+北京市建筑设计研究院

在经过短暂的时间后,白色的GRC已经显示出斑斑点点的污渍,效果大打折扣。

混凝土的这种自洁性差、易污染、难以清理维护的缺点现在大多是靠表面的防护涂层来解决,涂层的耐久性能达到多久又成为我们需要解决的问题。当然,随着技术的发展,以后有可能通过材料自身的配方及加工方法来解决。

对于异形面板,实际上除了混凝土类材料外,玻璃钢也是一种不错的选择


玻璃钢,我们日常生活中经常见到的一种材料,公园游船、树池格栅大多就是玻璃钢制成的。

公园游船(图片来源于谷歌搜索)
玻璃钢格栅(图片来源于谷歌搜索)
除了常规应用外,玻璃钢在建筑中还常用于装配式卫生间墙地面、隔热连接杆。除此之外,它也是一种适合于建筑表皮的优质材料。

玻璃钢,国内对于纤维增强塑料的俗称,实际上与玻璃和钢完全没有关系,只是由于其强度高、可以加工成透明、半透明的原因所以以此来命名而已

纤维增强塑料,英文名Fiber Reinforced Plastics,简称FRP,以玻璃纤维增强的塑料又简称为GFRP、GRP(Glass Fiber Reinforced Plastics)。FRP(玻璃钢)是以不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂等树脂为基体,以玻璃纤维或其它纤维制品(如碳纤维、芳香聚酰胺 (Aramid)纤维等)作增强材料的一种复合型材料。

FRP常具有以下优点(这些优点也常常是PC、PMMA等塑料常具备的):

  • 轻质高强:FRP重量极轻,强度极高,可以以更少的厚度达到与GFRC等相似的结构性能,从而整体降低结构成本。

  • 柔韧:FRP比GFRC等常见脆性无机材料更有弹性,不容易出现开裂。

  • 易于定制:可根据需求通过模具制作各种异型形式,这种模具比金属压型要简单的多(大幅面异形金属板材较难制作,因而除了批量外极少使用)。其面板厚度、加强筋等均可按性能要求设计定制。

  • 耐久、耐腐蚀:合理制造的FRP具有良好的抗化学腐蚀能力,不会腐烂生锈,较常规材料耐久时间更长(一般能够使用几十年以上,许多FRP船使用时间已经超过40年。)。

  • 自洁性好:FRP的吸水率几乎可以忽略不计,污渍也更难渗入内部,表面清理也较为简单。异型建筑中常用的GFRC则易脏、难于清洁维护,与FRP形成强烈的反差。

  • 同等条件下价格相对低廉。

正因为如此,FRP常用来制作交通工具(如游艇、机车)的外壳、户外及室内家具、雕塑、工业格栅、各种工业管材、化学贮罐等。

FRP可以通过模具等手段加工成标准化的平板、盒式快板、定制化板材,其表面也可加工成各种哑光、光滑、沙粒、纹理状等各种质感,可以加工成透明或半透明、不透明形式,可以预先或后涂覆各种色彩。

© Wutsje( CC-BY-SA 3.0,已编辑)
© Wutsje( CC-BY-SA 3.0,已编辑)
© Martijn Veening(CC BY-NC-SA 2.0,已编辑)

荷兰格罗宁根大学Linnaeusborg生命科学中心()

建筑师:Rudy Uytenhaak建筑事务所

绿色FRP平板(树脂、纤维种类不详),表面白色的、自由弯曲的纤维让人联想到树叶的叶脉还是其它?

FRP平板立面采用了类似于HPL板的明钉(拉铆钉)构造。根据FRP的加工原理,平板可以直接加工成企口形式,更加利于雨水的排除。

 

由于替代材料较多,平板化的FRP板材看起来竞争力并不是太强。对于异形,特别是非大批量定制的板材,FRP的优势开始显现出来。

©褚智勇

©褚智勇

法国巴黎香奈儿移动艺术馆(2008—2011) 

建筑师:扎哈.哈迪德

建筑外立面采用通过模具成型的玻璃纤维增强塑料,光面,现场看自洁性非常好。

©Fred Romero(CC BY 2.0,已编辑)

©Myxi(CC BY-NC-ND 2.0)

英国伦敦Walbrook办公楼 (2010)

建筑师:Foster建筑师事务所

以银灰色光滑FRP制成的遮阳板,体现出光洁亮丽的高雅效果。

©Fred Romero(CC BY 2.0)

© Ad Bercht(CC BY-NC-ND 2.0)

荷兰阿姆斯特丹市立博物馆扩建部分(2012)

建筑师:Benthem Crouwel建筑师事务所

采用白色芳香聚酰胺 (Aramid)纤维增强复合塑料的光滑体量为其赢得了“浴缸”的外号,这种特殊的纤维增强塑料克服了常见塑料的涨缩变形大的缺点,其线性膨胀系数非常之小,这使其大面积无缝成为可能。与大面积不设缝的抹灰涂料外墙相比,其自洁性完胜。

© Sur .(CC BY-NC-ND 2.0)
© CTG/SF( CC BY-NC 2.0,已编辑)
©Omar Barcena(CC BY-NC 2.0

FRP墙板构造示意图  ©2016 ACMA

FRP墙板构造示意图  ©2016 ACMA

美国旧金山现代艺术博物馆(SFMOMA)扩建部分(2016)

建筑师:Snøhetta建筑师事务所

在建筑师及业主对比了解后,以GFRP替换了早先设计意图采用的GFRC材料,据称节约了大量的成本。

定制化的波浪起伏的FRP面板形成了立面的特殊肌理,让人联想到海面。FRP中加入了石英砂并经过表面喷砂处理,进而形成了一种雾状的哑光效果,当然喷砂面也可能带来自洁性变差的负面影响。FRP面板厚约4.8mm,最大单元达约1.5*9m,它与铝合金框架及背后的封板在工厂组装成幕墙单元,运输至现场安装。

 

对于批量制造的定制面板,FRP也是完全胜任,相比于金属、GRC等,除了耐腐蚀、不易脏等固有特性外,其优势更在于“轻”、“便宜”。

 ©Frans Berkelaar(CC BY-ND 2.0)
 ©Dick Sijtsma(CC BY-NC 2.0)
荷兰乌得勒支Tivoli音乐厅(2014)
建筑师:HH建筑师事务所+Jo Coenen 建筑与都市设计事务所+Thijs Asselbergs 建筑中心
采用预制化的FRP单元作为外墙饰面材料。
©jpmm(CC BY-NC-ND 2.0)

©jpmm(CC BY-NC-ND 2.0)

荷兰阿姆斯特丹Ravel学生公寓(2015)

建筑师:OZ建筑师事务所

采用预制化的FRP单元作为外墙饰面材料。

 

直接以工业化的FRP成品(如玻璃钢格栅作为建筑表皮材料则更为简单高效

©巩祎临
©巩祎临
©巩祎临

北京木棉花酒店(改造,2006)

建筑师:朱锫建筑设计事务所

以常见的玻璃钢格栅作为遮蔽建筑整体的表皮,既取得了整体统一的视觉效果,又保持了透光性、私密性。玻璃钢格栅做工粗糙影响了近距离效果。 

当然,FRP在建筑应用中当然也有一些劣势:

  • 缺乏应用经验:虽然在其它领域应用很广,但FRP作为建筑立面材料的应用占比极小,缺乏充足的经验。
  • 耐火性能相对较差:与A1级不燃标准的水泥基、金属等无机材料相比,FRP的耐火性能较差,常见的FRP燃烧性能为B2级;即使添加一些阻燃剂,一般也只能达到B1级(也有某些品牌厂家声称其特殊技术可达到A级标准),因此使用受一定限制。如按照我国《建筑设计防火规范》,B1级的FRP不能作为饰面材料用于高度超过50米的建筑。
  • 技术相对复杂:需要根据需要正确选择各种纤维、基材、添加剂、芯材等的组合,同时需要充足的建筑工程知识。
和其他建筑材料一样,紫外线会导致FRP颜色变化、发黄和光泽变化,其表面应涂覆相应的抗UV涂层(涂料),合理制造的FRP在加速老化试验中光泽、颜色和抗黄变能力均表现良好。
FRP是非常专业的一种材料,建筑师在选用时可咨询相关厂家确定合适的材料成分组成、耐火等级。
FRP的安装构造也较为简单,根据面板的形式而不同:小块的平板构造类似于HPL板、水泥压力板;折边的板材(盒式快板)构造类似于常见的单层铝板,中间同样可以粘贴固定加强筋(铝合金型材)等。
我国FRP生产厂家繁多,FRP价格也相对低廉,只是在建筑表皮中的应用基本处于空白状态。建筑师如能应用得当完全可以产生“高效的结果。

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