世界首座碳纤维混凝土建筑Cube

▲ 建筑鸟瞰@ Henn

▲ 建筑立面@ Henn

德国德累斯顿工业大学（the Technical University of Dresden）与海茵建筑事务所（Henn Architecture）共同推出了世界上首座碳纤维混凝土建筑 “Cube”。这座建筑位于德累斯顿工业大学校园内，将以碳纤维混凝土完全取代传统钢筋混凝土，打造成“碳纤维混凝土建筑”（Carbon Concrete Composite，C³），其建筑强度为传统钢筋水泥的4倍，但比传统建材轻4倍。

▲ 建筑扭转的立面借鉴了碳纤维的轻质和柔性特性@ Henn

该建筑占地面积2200平方英尺（约204m²），完成预算500万欧元（约3670万人民币）。作为新材料的测试，Cube将为大学校园提供实验室和活动空间。建筑由两个主要部分构成：一个预制的盒子和一个由更轻质、薄而扭曲的无缝混凝土片状体块。后者在视觉上参考了碳纤维的编织特性，由一个承重表皮、一个隔热层和一个防雨层组成，在现场用喷射混凝土和模板制造的。这座建筑将包括教室、实验室、演示空间和一个小厨房。

场地平面@ Henn

建筑概念@ Henn

▲ 建筑碳纤维的编织感@ Henn

用于可持续建筑的创新材料

水泥是碳排放强度最高的工业材料之一，占全球碳排放量的8%，减少水泥的使用对实现全球二氧化碳减排目标至关重要。《2022迈向零碳混凝土》（2022 Towards Zero Carbon Concrete，PENETRON，2002）研究显示，建筑利益相关方可通过提高材料的耐久性和降低混凝土维护需求（或提高材料的长期性能和耐久性能），减少高达65%的混凝土碳足迹。

在气候危机和资源短缺的时代，建筑师和规划师特别被需要为未来的建筑环境构思新技术。钢筋混凝土是全世界最常用的建筑材料，其生产却是资源密集型的。建筑研究有意面对这些挑战。碳纤维混凝土实验建筑是由德国联邦教育和研究部资助的创新建筑材料的“C³ - 碳混凝土复合材料”展示项目的一部分。由于碳的重量是钢的1/4，强度是钢的5～6倍，因此建筑的混凝土覆盖层可以减少到几毫米，墙体厚度可以减少至两厘米，从而形成轻巧空灵的建筑体块。而其使用寿命超过200年，大大超过传统钢筋砼结构建筑40～80年的使用寿命，将资源消耗降到最低。有了这种新型建筑材料，轻质且坚固的碳纤维可以实现灵活且节约资源的施工方法——这种创新材料可以在施工过程中减少高达50%的CO₂排放。

此外，由于碳具有导电性，碳纤维混凝土模块还可以附加绝缘、加热元件和互动触摸等功能，使建筑物实现“智能联网”。

未来主义的艺术设计
除了技术方面的成就之外，设计也是至关重要的。Cube的设计通过屋顶和立面墙体的流体融合，重新诠释了碳纤维的编织特性，提出了一个未来主义的建筑概念，环境友好的设计与形式自由相结合，重新审视了最基本的建筑元素。两侧和顶部宽敞的玻璃和斜切的天窗设计，反映了建筑的扭曲形体，并成为周边花园景观的框景。屋顶和立面不再是独立的建筑元素，而是在功能上融合成一个有机的连续体。建筑的设计使碳纤维混凝土以一种令人印象深刻的方式展示出了其设计的可能性——这座建筑成为一座艺术雕塑。

▲ 实验室和活动空间 @Rima Sabina Aouf

▲ 通过混凝土喷涂在碳纤维板上形成建筑外围护结构 @Rima Sabina Aouf

关于碳纤维混凝土

碳纤维强凝土是一种复合产品，由碳纤维和聚合物组成，碳纤维提供强度和刚度，聚合物将纤维结合在一起，形成一种基质。碳纤维纤维可以是合成的，也可以是天然的，这种加固可以显著提高使用复合材料的结构的寿命。它比标准的建筑材料组合更耐用，对环境更有利。与传统的钢铁和混凝土建筑构件相比，碳增强材料具有更强的抗开裂和抗侵蚀能力。碳纤维混凝土不仅可以用于加固或翻新桥梁或结构，它还为建筑业开发一种全新的建筑和生活方式铺平了道路：碳纤维混凝土可大大降低建筑内墙厚度，从而提供了以纤细、轻盈和美学原则为特征的新设计可能性。因此，潜在的应用扩展到整个建筑工程领域——无论是更新还是新建。除了可以在无坍塌风险的前提下提供更大跨度，碳纤维混凝土还可以生成轻质预制部件，从而减少大型吊车的使用。碳纤维混凝土的其他优势包括，它不像钢铁一样会锈蚀，因而相较于传统混凝土，它可以保证更长的生命周期，不再需要厚厚的混凝土层来保护钢材不受腐蚀，因此可以在土木建造中显著减少CO₂的排放。

用于Cube的碳纤维是由石油基聚丙烯腈（PAN）生产的。它也可以由木质素制成，一种从造纸废料中提取的有机聚合物。慕尼黑工业大学一直在探索从海藻油中生产碳纤维。德国的建筑行业已经将Cube的经验应用到新建筑中。在德累斯顿的其他地方，一座学校体育馆正在建设中，而在70英里外的莱比锡（Leipzig），一座七层住宅楼也将用碳纤维水泥材料建造。碳纤维混凝土在建筑业的可能性远不止于此，工程师和建筑师正在探索这种新材料如何支持修复项目。在地震频发的意大利北部，专家们正在研究碳混凝土如何提高抗震性能。