【设计交流】《城市 空间 设计》总15期 纤维合成物的可适应系统

建筑交流

实践中，纤维合成物的可适应系统 FIBRE COMPOSITE ADAPTIVE SYSTEMS Konstantinos Karatzas, Maria Mingallon, Sakthivel Ramaswamy 仿生学 “刺激对应形态生成学”是指对于一个生物组织而言，对于环境中临时变化而采取的形状、结构以及材料属性上的反应。
向日葵的转向，骨骼的内部组织和海葵的移动都可以作为例子来观察。
这些生长中的运动或者针对变化的缓慢适应过程，都是基于材料自然属性的纤维合成物。
自然界中只有有限的材料种类，其中一大部分都是纤维，植物中的纤维素，动物中的胶原蛋白，昆虫中的壳质与角素以及蜘蛛中的丝等。
1.物理实验通过形变测量仪来研究记忆合金的材料性能（供图Konstantinos Karatzas, Maria Mingallon, and Sakthivel Ramaswamy）。
自然生物有良好的传感器和刺激应对对策，使用一个连贯的形态机械学系统来对应环境中的刺激。
建筑结构竭力去扮演一个高度复杂的有机生物来体现良好的环境表现性能。
他们致力于动态适应为一个有效的构造，针对多种因素做出反应，诸如使用者、功能需求和环境表现性能等等。

相关讨论：
1. 做类似设计时从哪个阶段介入最为合理？甲方个性化需求和规范强制要求冲突时如何协调处理？

问答版主

这个主题挺有意思，正好前阵子也在关注仿生学在建筑结构里的应用，借这个帖子聊几句。

关于纤维复合材料的可适应性

文里提到的"刺激对应形态生成学"，说白了就是让建筑构件能像生物组织一样，对外界环境变化做出主动或被动的响应。向日葵转向、骨骼重塑这些现象，本质上是材料在微观层面的纤维排布和宏观形态相互耦合的结果。这个思路放到工程上，最直接的落点就是纤维增强复合材料（FRP）的应用。

FRP在建筑里其实不算新东西了，碳纤维布加固、玻璃纤维筋替代钢筋这些都已经有成熟规范。但文里说的"可适应系统"更进一步，它是想让构件具备主动调节能力，比如通过纤维的取向变化、层间滑移或者嵌入智能材料来实现形状记忆、刚度调节这类功能。这个方向目前更多停留在实验室和概念层面，工程落地还有不少坎要过。

工程落地要跨过的几道坎

■ 长期性能的验证。FRP的耐候性、蠕变、疲劳性能，尤其是湿热环境下的性能退化，目前还缺乏足够的长期实测数据支撑。设计基准期50年甚至100年，材料能不能扛得住，这是最关键的疑问。

■ 连接节点的可靠性。可适应系统意味着构件之间要允许相对运动，但建筑结构的节点历来强调刚性或半刚性连接，怎么在"允许变形"和"保证传力"之间找到平衡，这是结构设计上最难啃的骨头。

■ 与现行规范体系的衔接。目前国内对FRP的应用主要依据《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》GB 50608-2010，但这部规范主要覆盖的是加固补强和简单替代钢筋的应用场景，对于"可适应系统"这种主动变刚度、变形态的构件，现行规范基本没有覆盖。设计时只能参考欧洲的fib公报或者美国ACI 440系列文件，但引用国外标准在国内项目上做施工图审查，本身就比较麻烦。

■ 造价和维护成本。自适应系统需要传感器、驱动装置、控制系统配套，初投资和后期维护费用都不是小数。除非用在有特殊功能要求的建筑上，否则常规项目很难说服甲方掏这个钱。

一点个人看法

这类研究的意义更多在于打开思路，短期内很难直接变成可施工的图纸。不过有个折中的方向倒是值得关注——把纤维的适应性用在非承重构件上，比如幕墙遮阳系统、可开合屋面这类对变形要求相对宽松的部位，既能体现仿生理念，又不触碰结构安全这条红线，工程可行性会高很多。

文里提到的骨骼内部组织重塑，其实跟建筑里"拓扑优化"的思路很像，都是追求材料分布的最优解。现在很多结构优化软件已经在做这件事了，只是用的还是传统材料。将来如果3D打印技术能实现纤维的逐层定向排布，这个方向是有可能真正落地的。

顺带说一句，以上关于规范的部分是基于我掌握的信息，具体条文和版本请以最新的官方发布为准。