复合材料房子在设计上面临的挑战：
采用复合材料建造一个双层住宅。该房屋不仅具有独特的弯曲状外形，而且还要符合建筑规范及当地消防条例。
设计方案：
采用一种复合式无大梁结构。该结构由九块以玻璃纤维为表层的模塑夹心板材建造而成。该板材具有组装容易、测试简单、可方便的运往施工现场并采用简单连接件组装在一起的特点。
许多复合材料从业者为建筑工程师及建筑师未能意识到材料创新这一事实而感到遗憾。因此，争论产生了。各种观点竞相出现：建筑行业太过保守了；传统建筑材料 太过于根深蒂固，而复合材料又太过新颖。作为建筑业的复合材料专家、美国Kreysler & Associates公司的所有人Bill Kreysler对此争论发表了自己的观点。他将证明建筑行业太过保守的观点是正确的。 Kreysler 认为：“为了竞争，工程师必须有所创新，而且我们的客户也希望看到创新。现在传统建筑材料易受攻击，因此以绿色技术、多用性及耐用性为基础的新方案就变得 越来越重要。”
为了证实这一观点，近日Kreysler的玻璃纤维制造厂在加利福尼亚州旧金山组装了一栋全复合材料房屋。这一带有弧度的双层住宅被评为美国复合材料制造 商协会2010复合材料展览会ACE展览会{zshy}的产品。该房屋的研发故事向大家展示了复合材料是如何成为结构设计和建筑领域中的主流产品的。
产品由艺术而生：
该房屋具有建设性的历史由俯瞰旧金山海湾叹为观止的特质而起。受旧金山海湾地理位置、xx材料及外形的启发，该复合材料房屋项目的主要设计师 –Miranda Leonard创造了一个305毫米厚的两层住宅石膏模型，并有意将其设为推荐的四合大院的焦点。Leonard及 Walker & Moody公司的建筑师们花费了一年多的时间寻找愿意建造此非比寻常圆拱楔形结构的工程公司。
Kreysler介绍说：“他们联系的人都试图制造弧形金属框架，并采用结构复杂的木质横梁。但是传统方法途径对这种形状来说并不划算。”最 终，Walker & Moody 公司通过建筑工程师Juri Komendant与Kreysler的公司取得了联系。Juri Komendant与Kreysler的观点相同，认为采用复合材料很容易就可实现无大梁结构，即没有内部框架的结构。
Kreysler工作组采用美国Cyberware公司生产的激光数字转换器或激光雷达对石膏模型进行扫描。这一步骤产生的最初形状可被输入 Rhino3D软件，并由该软件将从石膏模型扫描到的NURBS的数据点翻译出来。NURBS即曲线曲面的非均匀有理B样条，它是复杂三维几何学的数学描 述。Rhino3D软件是位于美国华盛顿州西雅图市Robert McNeel & Assoc公司的产品。为创造出准确的实物大小的三维表面，我们采用Rhino软件将模型的形状数据扩大了30倍。该形状数据已被引入计算机机械制图软件 （AutoCAD），这为Kreysler的设计师绘制施工图提供了可能。
从房屋的设计上讲，复合材料是毫无疑问的答案，然而如何获得当地政府的建筑许可证却并不明确。尽管在该事件上我们已经取得了巨大进步，但事实上，国际建筑 规范(IBC)尚未对建筑复合材料做出任何规范。没有指定的规范可以遵循，那么这一非同寻常的结构{wy}可选的方法就是采用以性能为基础的方法。基于事件的 独特性，此方法得到了政府的许可。在这种情况下，决定在Komendant的监督下进行结构设计，而且如果有必要的还要对其加以测试。在此之 后，Komendant将会在图纸上签字，证明该结构符合建筑规范的核心意义。
Komendant对当地规范中的TYPE 4 {dj2}住宅加以解读，确定了建筑物必须承受的各种负载，其中包括风力载荷和地震载荷，以及第二层结构及整体结构施加的固定负载。Komendant与独立工 程师、有限元模型设计专家Kurt Jordan密切合作。Jordan采用ANSYS公司的有限元xxxx（ANSYS），测定出了各种负载情况下该复合材料结构的性能，并收获了一种层压 板设计：一种以巴沙木为夹心的夹芯板。该夹芯板由50毫米厚的夹心层及4.76毫米厚经乙烯基树脂浸润的玻璃纤维织物/玻璃毡表面构成。Kreysler 表示：与单片（非夹心）层压板相比，夹芯设计是一种优先选择。因为夹心结构板材具有更强的硬度、更小的偏差，而且还具有一些绝缘性能。
整体到部分转化：
最初，Kreysler 和 Komendant是想将整个房子作为一个单一部件来建造。Kreysler表示：“不幸的是，直升飞机不允许我们将完整的房子运往目的地，因此我们不得 不放弃一体化想法。”相反，整个模型被分成九个部分进行分离模塑，之后运往现场进行安装。如何分解以及在哪儿分解这一双层弧度楔形物主要取决于 Rhino。此外，这些决定还部分取决于Kreysler的室内铣床及卡车运输注意事项工作包封以及对各组成部分的要求，它们应具备适度的稳定性及易控制 性。
该分块设计方法不仅需要一种防水防风雨的连接设计，还需要与九个组成部件中任一部分相关的模具元件。由产品设计师Serge Labesque及生产领班Tim Oliver带领的Kreysler制造部门设计了一种以键连接的节点，并将其称为牵引法兰。
接头是这样设计的：在每块模板的边缘，巴沙木夹心逐渐形成锥形，夹心板的上下两表层重叠在一起，形成一个宽约50毫米的法兰。然后沿着车床边缘间隔性的放 置名叫纽扣的小模具元件。当重叠的表面板层被压向边缘进行固化时，钮扣元件会沿着法兰形成凹口。然后在凹口上打孔，使金属紧固件可以穿过从而把各分段紧固 在一起。法兰可兼起内墙与地板的支撑。
除此之外，根据设计机床还可在接近法兰的外部表层形成一个非常浅的凹陷。Oliver介绍说：“有了这些，我们就可在现场施工的时候在分段接口上湿法层压玻璃纤维层，从而确保接口的防水性，保持外表面的平整性与光滑性。”
分块制造从计算机数值控制(CNC)加工大块的聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)开始，它可以为每一组成模块生产出廉价的一次性凹模以及上文描述的模具元件。泡 沫加工好以后对其进行密封，防止与树脂发生反应，然后用手将夹芯板搁置起来。这些夹芯板在室温条件下几天内就可以完成固化。该阶段所面临的困难是如何满足 房屋主人提出的完工后不能残留任何化学气味的要求。
Kreysler表示：“为了符合这一要求，我们不得不对整个结构进行后固化。”事实上，各部分模块是在公司的工厂外钻孔安装的，于是我们便设计了一种临 时性烤箱，即在整体结构的外部覆盖一个巨大的用帆布制造的防水布（如图所示）。我们采用大型轻便的加热器使室内的温度维持在88摄氏度并保持三天，这样一 来树脂就xx交联在一起，彻底去除了随后产生的化学气体。
此外，当地消防部门还为我们提出了另一个难题。由于该房屋的地点与特定的“露天场所”相毗邻，而这些场所有可能会发生局部火灾（灌木丛火灾），因此当地消 防部门要求该房屋的屋顶要达到A级耐火性能。但由于该房屋本身又没有屋顶，因此消防行政人员下达指令，要求整个房屋的弯曲表面都必须符合A级防火标准。
在这种情况下，Kreysler团队选择聘请来自美国加利福尼亚州Fisher Research & Development公司的消防工程师Fred Fisher。Fred Fisher将帮助Kreysler团队完成在各种类似与发生局部火灾（灌木丛火灾）条件下对复合材料房屋设计的测试。Fisher帮Kreysler团 队设计了一种符合ASTM E108的方案即“屋顶覆盖物的防火性能标准测试方法”，并由一家注册实验所对E108屋顶测试进行监督。具体测试方法为：将屋顶系统中的任意一块板材放 在一条风速为每小时12英里的路上，该风速是通过煤气取暖炉的风扇产生的。随后把一块“燃烧着的木头”或一根烧的很旺的木制板材放在屋顶板材上。结果发现 屋顶板材没有任何脱落或损坏，不仅没有变成“着火的板子”甚至连一个可引起其它火焰的“火星”都没有。在测试过程中，复合材料测试板材没有被点燃。因为该 板材组合了一种含有防火添加剂的I级乙烯基酯系统。不过在此过程中生产了一种被认定不合格的表面焦炭层。因为灼热的颗粒有可能会喷出板材表面。为了xx焦 炭，Fisher推荐了一种6.35毫米厚以硅酸盐水泥为主要成份的泥灰层作为屋顶的外表面。Kreysler报道说，不幸的是该泥灰不能直接与玻璃纤维 粘结，因此需要预先采用粘合剂来确保泥灰的黏着性。
当所有部件都运往施工现场后，便将其连接到基础螺栓上进行安装，同时在其表层涂上泥灰进行结构性测试，以显示房屋的板材可以承受模型预计的设计载荷。 Komendant采用大量沙袋，在房屋的关键性位置施加载重，并采用应变仪监控板材产生的张力。所有现场测试结果都与有限元xxxx(ANSYS)模型 的结果相符，这加快了检测人员的认证。
Leonard 和 Kreysler总结说：“我们对此项目非常满意。如果没有复合材料和复合方法，该项目是不可能完成的。” 此外Kreysler补充到：“前段时间，此建造方法还被认为是太过‘非传统’，需要慎重对待。不过现在，随着国际法典委员会(ICC)及国际建筑规范 (IBC)创始人对复合材料或纤维增强材料（FRP）的接受，这一障碍已不复存在。”
复合材料在国际建筑规范(IBC)中取得进展
纤维增强材料（FRP）作为结构使用并不在国际建筑规范(IBC)之内。国际建筑规范工作组作为美国复合材料制造商协会建筑部门的一部分，在获取国际法典 委员会(ICC)公布的2009国际建筑规范(IBC)复合材料使用认证上取得了巨大的进步。到目前为止，国际建筑规范(IBC)第12章26章节对复合 材料已有明确规定。据国际建筑规范(IBC)工作组主席美国麻州的伍斯特理工学院董事长Nick Dembsey介绍，含有纤维增强塑料（FRP）及其它材料的内部应用设施必须满足国际建筑规范(IBC)。就外部应用设施来说，当纤维增强塑料 （FRP）的面积比墙体面积大20%时，它就必须符合国际建筑规范(IBC)对塑料材料的要求。当纤维增强塑料（FRP）的面积是墙体面积的 10%-20%时，那么在ASTM E84测试中它的火焰蔓延指数就必须是25或者更小。当纤维增强塑料（FRP）的面积小于墙体面积的10%时，火焰蔓延指数就必须是75或者更小。在这些 有限空间应用设施中，纤维增强塑料（FRP）与其它材料一样，还需符合其它国际建筑规范(IBC)要求。当纤维增强塑料（FRP）应用设施安装在低于 12.2米高且与相邻建筑的隔离距离是1.52米或者更少时，它的面积就必须限制在墙体面积的10%之内。如果建筑物之间的间隔大于1.52米，那么对纤 维增强塑料（FRP）就没有面积限制，不过其火焰蔓延指数必须是200或者更小。在这些应用设施中，纤维增强塑料（FRP）与其它材料一样必须符合国际建 筑规范(IBC)的要求。
目前，国际建筑规范工作组将参加国际法典委员会(ICC)2012规范的修订。作为此轮修订的一部分，国际建筑规范工作组将致力于对国际建筑规范 （IBC)中第12章26章节的内容进行完善，同时提高对外部纤维增强塑料（FRP）的要求（玻璃增强纤维的面积是墙体面积的20%或更少）。在不久的未 来，该工作组将集中于相关行业的教育及伸展，同时发展测试及设计标准，使其更适合在实际着火环境中准确的测试纤维增强塑料（FRP）的性能。
本文英文原文见世界复合材料??? 复材在线编译??? 有删改
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