苹果店不止大玻璃，还执着热衷“碳纤维大屋顶”，这是为啥啊？| 什么是碳纤维材料？
苹果店不止大玻璃，还执着热衷“碳纤维大屋顶”，这是为啥啊？| 什么是碳纤维材料？
碳纤维材料因其轻质、高强度和耐腐蚀等特性，在建筑领域展现出独特优势。从苹果店的标志性屋顶到创新的碳纤维混凝土应用，这种材料正逐步改变建筑行业的传统面貌。本文将为您详细介绍碳纤维材料在建筑领域的应用现状与未来前景。
什么是碳纤维材料
碳纤维丝卷
碳纤维是一种含碳量高达95%的纤维材料，具有超轻、高强度、高硬度等特点，同时具备较好的耐磨性和耐腐蚀性。常应用的是碳纤维增强聚合物（CFRP），是以碳纤维为增强体、高聚物树脂为基体的复合材料。其比重仅有钢的四分之一，却具有极高的结构抗拉性。这种复合材料兼具了碳纤维的抗拉性与树脂的抗压性等优势。相比其他金属材料，碳纤维复合材料密度小，重量比铝轻30%，比钢轻50%。使用碳纤维结构代替钢铁结构可减重40%-60%。
碳纤维复合材料优点
- 强度高，是钢材的5倍
- 刚度高，是钢的2倍
- 高强度重量比，极其轻巧，易于材料运输
- 耐化学性高，因此经久耐用
- 低热膨胀
- 短交货链，施工简单，需要的专业劳动力较少
碳纤维复合材料缺点
- 生产成本较高，难以回收
- 碳纤维复合材料最怕尖锐物体的穿刺，它抗钝面物体的冲击力性能相当好，而抗尖锐物体的穿刺能力就很差了
根据现在的市场价格，碳纤维的售价高达每公斤几千元，一般质量下的碳纤维在200-500元每公斤。随着碳纤维原料越来越广泛、制造越来越简易，国产化程度也越来越高，因此其价格已然有越来越便宜的趋势。
案例应用
在建筑领域，碳纤维复合材料目前较多应用在屋面、材料补强、结构补强/加固、建筑结构、凉亭、装置艺术等方面。下面逐一分享具体案例。
1. 苹果店：碳纤维屋顶的狂热粉
位于加州苹果总部的史蒂芬·乔布斯剧院的一大特色是由碳纤维材料制成的屋顶。整个屋顶结构直径约47米，重达80吨，是目前世界上最大的碳纤维屋顶。苹果公司采用碳纤维材料来制作屋顶，是为了使屋顶尽可能轻薄，并呈现出悬浮在空中的视觉效果。因此剧院外墙的玻璃结构才能承受住屋顶的重量，并保证结构稳定坚固，呈现屋顶悬浮的效果。
该圆形屋顶由44片长约21米、宽约3米的扇形面板围绕着一个圆形枢纽结构拼接而成。这样的拼接结构完全去除钢结构，直接以碳纤维面板作为屋顶外壳，同时拼接结构便于运输及安装。这些面板由迪拜海运至苹果总部，在现场完成拼装后一次性吊装完成。
目前碳纤维屋顶早已成为苹果建筑的标志之一。除史蒂芬·乔布斯剧院外，芝加哥密歇根大道店、台北店等苹果零售店都采用了类似的玻璃搭配碳纤维屋顶的结构，延续了苹果公司一贯的设计理念。
不过尴尬的是，这种设计的屋顶无法应对芝加哥的大雪。因为这个屋顶边缘跟Macbook Air的边缘一样是向下倾斜，且为了“完美的整体性”是没有任何排水沟的，这意味着屋顶下的行人将会被滑下的雪击中。
苹果公司意识到下雪的可能性，也知道缺乏冰雪排水沟是一个非常明显的疏漏，但仍然决定保留建筑本身的设计，影响就是在冬季的几个月中需要让客人们绕过受影响的区域，但也可见这屋顶多被乔布斯喜爱了。
这种MacBook Air风格设计的碳纤维屋顶还应用在Apple信义A13。
2. 国内设计的首个35mm厚碳纤维屋顶
阿那亚·金山岭上院由大舍建筑设计事务所设计，这个屋顶是集结构层、防水层、装饰层三层合一的35mm厚度的超轻碳纤维构件产品组成。
35mm厚度的碳纤维产品以自身10kg/㎡的自重可以承担起200kg/㎡的负载，满足屋顶的荷载设计要求。
工厂预组装，现场装配过程中工人仅需进行螺栓连接即可完成模块的定位安装。最终177㎡的双曲面碳纤维屋面吊装作业仅用了24小时就完成了安装，整个过程非常高效。
3. 碳纤维混凝土：天花板和墙板无缝结合
钢筋混凝土是全球使用最多的建筑材料之一，但其生产依赖密集的资源，且产生污染。相较之下，碳纤维混凝土比其轻四倍（由于结构部分的减少）且坚硬四倍，所以可以极大程度地减少资源消耗。
HENN海茵建筑设计的位于德国德累斯顿的项目名叫“立方体”是一个大型创新建筑材料研究项目的示范，名为“C3-碳纤维混凝土”，由德国联邦教育和研究部资助。
立方体的设计诠释了碳纤维的流动性和织物性，将天花板和墙身无缝地融合在一起，在功能上相互融合成为一个有机的连续体。
一条狭窄天窗沿对角线穿过建筑体量并突出了建筑的几何结构。墙厚：双层外墙系统27cm（对比钢筋混凝土：40-44cm）。
该项目旨在研究碳纤维混凝土的潜在应用，碳纤维混凝土可以使得施工过程更灵活和更节省，并可以将施工过程中的二氧化碳排放量减少50%。
制作混凝土面板时铺入碳纤维网格板。
在天花板和墙面的融合处先固定好混凝土板再固定一层碳纤维网格再次浇筑批刮。
4. 利用碳纤维补强传统木结构建筑
隈研吾建筑都市设计事务所对坐落于富冈的三号仓库进行了改造。建筑原本为全木结构，建筑师使用碳纤维复合材料强化了建筑的抗震性能，将其改造成了一座供社区交流的公共设施。
通常人们使用铁制构件对木制建筑进行抗震强化，但是铁构件的重量反过来又会削弱建筑的抗震能力。相较之下，碳纤维的重量只有铁的二十分之一，抗拉性比铁还要强，而且材料质感柔和。近几年越来越多的传统木制建筑会选择用它进行补强。
在这个项目中，碳纤维在木梁下交叉叠错，像翻花绳一样支撑原本的木制结构。
碳纤维加固还有一种是碳纤维布加固。碳纤维布通常采用300种g一级布，同样有着抗压强度、防震、抗弯的特征，可以有效地提高建筑结构的强度和稳定性，修复和加固受损部位，从而保障建筑的安全和稳定。
可以通过针对不同的问题区域将碳纤维布或碳纤维板贴在问题区域上，增加结构的受力性能和承载能力。同时，碳纤维加固施工也很方便，很多木结构古建筑结构加固都可以用。
木结构加固补强，混凝土结构建筑也可以使用。
5. 展亭应用：碳纤维作为承重结构
在德国海尔布隆园艺博览会上展出的“2019 BUGA纤维馆”就有着由玻璃纤维和碳纤维肋骨制成的圆顶，覆上了一层透明的ETFE膜。穹顶的自由跨度约为75英尺，建筑面积为4,305平方英尺，由60个这样的部件组成，每平方米仅重76公斤。
结构不仅极为轻盈，同时还具备极高的性能。研究小组通过对机器人编程，使其能够根据指定的空间形态扭结超过492,000英尺的纤维丝，类似于弯曲的肌肉组织。
根据研究小组的说法，单一的纤维成分可以支撑“25吨或15辆汽车的重量”。
每个建筑构件平均需要使用1000米的玻璃纤维和1600米的碳纤维，并花费4-6小时才能制作完成。
设计这个展亭的组织是斯图加特大学，他们还做过另外一个碳纤维的作品，名为“鞘翅馆”。鞘翅的顶棚由40个六边形单元组成，平均每一个的重量仅有45kg，制作平均每一个花费大约3小时。
这个装置还在上海西岸人工智能峰会B馆在场馆的入口前展出过。
6. 用碳纤维做一个超级大的大门，还能自动开合
英国著名的建筑事务所Asif Khan设计的2020迪拜世博会的入口由超轻碳纤维复合材料编织而成，这使入口高达21米，长达30米，并且不需要任何额外的支撑。从远处看，入口似乎是半透明的平面，近距离观察便可发现它是由数百条结构线条组成的。
设计师携手一家专注于大尺寸碳复合材料组件的制造商和一名飞机工程师，在历时三年的反复设计中完成了该项目。最终的几何形体解决了结构强度对材料效率、透气性、遮光量以及制造时间的要求。
结语
尽管苹果公司等公司/组织提供了多样的碳纤维复合材料应用于建筑外观/结构的设计案例，但目前碳纤维材料在全球范围的主要用途仍是汽车体育、航空航天等非建筑领域，2021年建筑领域的需求仅占3.6%。除了原材料成本、造价成本高以外，考虑到可持续性话题时，碳纤维材料也是有利有弊。首要一点就是每生产一吨碳纤维就会排放20吨二氧化碳。
当然对于特定的应用来说，碳纤维可促进碳足迹减少。举2个例子：
- 当一辆汽车的车身结构因使用碳纤维而减轻30%时，那么每采用1吨碳纤维，就可以在10年的生命周期中减少50吨二氧化碳；
- 另一方面，当使用碳纤维使飞机机身结构减轻20%时，同样的条件下将减少1400吨二氧化碳。
那么，对于建筑节能来说是否也具有同样的环保效应呢？这一点是很难论证的论点。设计团队必须对建筑预期寿命内的如运输、安装和最终拆卸等具体影响和操作影响进行全面评估。但大才子还是乐观的认为，随之更广泛的推广使用和制造工艺的提升，碳纤维材料的应用会在建筑节能方面上的应用会越来越有利。
本文原文来自材料在线