復合材料在建筑外立面中的應用研究

摘 要：隨著現代建筑設計對外立面造型要求的提升，傳統單一材料已難以滿足復雜造型和功能需求。通過對某智慧建筑項目的實踐研究，深入探討了鋁復合材料在建筑外立面中的應用特性。研究表明，4 mm厚鋁復合材料在經熱彎工藝扭轉成型后，具有優異的變形控制性能，能夠實現90°大角度扭轉且保持表面平整度。該材料不僅滿足了建筑設計的美學要求，還在加工性能、結構固定、成本控制等方面展現出顯著優勢，為建筑外立面創新設計提供了新的技術支持。

關鍵詞：鋁復合材料；建筑外立面；熱彎工藝；扭轉成型；遮陽系統

1 前言

建筑外立面設計是建筑整體藝術表現的重要組成部分，其不僅要滿足建筑物的基本功能需求，更要體現建筑的時代特征和藝術價值。隨著建筑設計理念的不斷創新，傳統的平面立面已無法滿足現代建筑對于空間塑造的需求。特別是在追求未來感和科技感的現代建筑中，如何突破傳統建筑材料的局限性，實現復雜的空間造型，成為建筑設計領域面臨的重要課題。本研究通過實際工程案例，探討了復合材料在建筑外立面中的創新應用。

2工程概況與設計需求

本研究對象為某大型商業綜合體項目，建筑面積達85000 m2，集商業、辦公等多種功能于一體。建筑設計追求空間的流動性與未來感，采用折面設計手法突破傳統笛卡爾空間體系，形成連續轉折的動態空間序列。外立面設計要求體現建筑的科技感與前瞻性，通過遮陽構件的幾何變化營造豐富的空間層次。遮陽構件需實現90°扭轉的特殊造型要求，涉及材料物理性能、加工工藝、安裝工序等多個技術難點。傳統金屬材料在大角度扭轉過程中存在變形控制困難、表面平整度難以保證等問題，且加工成本較高[1]?；陧椖抗δ芏ㄎ慌c設計意圖，建筑外立面系統需同時滿足結構安全性、施工可行性、造價經濟性等綜合要求。針對上述技術難點，通過材料選型、性能測試、節點優化等系統性研究，探索復合材料在建筑外立面中的創新應用。

3材料選擇與性能研究

3.1材料篩選標準

建筑外立面材料的選擇基于力學性能、加工特性、經濟性及耐久性等多維度評價體系。針對90°扭轉遮陽構件的特殊要求，材料須具備優異的延展性與成型性能，確保在大變形條件下保持表面平整度及結構穩定性?？紤]到建筑外立面長期暴露于自然環境中，材料應具備良好的耐候性、抗腐蝕性及防火性能，滿足相關規范標準要求。從工程實施角度出發，材料的加工精度、施工難度及后期維護成本是重要的篩選指標。通過建立綜合評分體系，將各項性能指標量化，實現材料選型的科學決策[2]。評分指標包含抗拉強度不低于120 MPa、彈性模量不小于70 GPa、斷裂伸長率應大于15%、導熱系數低于50 W/（m·K）等具體參數要求。

3.2鋁復合材料性能測試

鋁復合材料由兩層鋁合金板與一層聚乙烯芯材熱復合而成，在90°扭轉變形過程中展現卓越性能。材料抗拉強度達155 MPa，斷裂伸長率18%，層間剪切強度38 MPa。在-40℃～80℃溫度范圍內保持尺寸穩定性，熱膨脹系數為23.6×10-6/℃。經2000小時紫外加速老化試驗，材料表面無明顯變色和開裂，色差值△E≤2.0。其單位面積重量較傳統金屬材料降低40%，導熱系數低于50 W/（m·K），有效減少建筑能耗，為創新設計提供了技術支持。鋁復合材料力學性能測試結果見表1。

3.3材料加工工藝研究

通過設置不同工藝參數進行鋁復合材料熱彎加工試驗，研究溫度、壓力、時間對材料成型質量的影響規律。實驗采用180℃～220℃溫度梯度，在5 MPa～12 MPa壓力范圍內進行多組對比試驗。研究發現，熱彎加工溫度控制在195℃時，材料塑性變形能力最佳，表面無開裂現象。壓力參數對材料變形均勻性影響顯著，實驗確定8"MPa為最優成型壓力，保壓時間120 s。通過掃描電鏡觀察材料微觀結構，分析了熱彎過程中界面結合狀態變化[3]。

4施工工藝與節點設計

4.1熱彎工藝研究

基于材料熱力耦合特性，建立了熱彎成型過程的數學模型。材料在高溫環境下的變形應力σ與應變ε的關系符合冪硬化本構方程：

σ=K·εn（1-βT）

式中：K為強度系數，n為應變硬化指數，β為溫度軟化系數，T為工藝溫度。通過熱彎實驗獲取應力-應變曲線，采用最小二乘法擬合得到參數值：K=280 MPa，n=0.15，β=0.002/℃。實驗過程中采用紅外熱成像儀實時監測溫度場分布，確保加熱均勻性。在模具設計中引入變截面補償結構，有效控制回彈變形，實測回彈角度偏差控制在±0.5°以內。研究表明，升溫速率對材料界面結合強度影響顯著，實驗確定最佳升溫速率為4℃/min，降溫速率控制在2℃/min，有效避免了熱應力集中導致的分層現象[4]（圖1）。

4.2扭轉成型技術

鋁復合材料扭轉成型工藝建立在熱力耦合理論基礎上，材料在高溫環境下表現出獨特的變形特性。扭轉過程中的應力-應變關系遵循冪硬化本構方程：

σ=K（1-βT）εn

式中：K為強度系數（280 MPa），n為應變硬化指數（0.15），β為溫度軟化系數（0.002/℃）。模具系統設計中融入變截面補償結構，通過精確控制加熱溫度與壓力實現90°扭轉。工藝參數優化結果表明，在195℃溫度條件下，升溫速率為4℃/min時，材料塑性變形性能最佳，8 MPa恒壓與120 s保壓時間確保均勻變形。紅外熱成像監測系統實時采集溫度場數據，閉環控制系統持續調節加熱功率，保證溫度均勻性。

4.3固定節點設計

固定節點設計針對豎向遮陽線條的扭轉造型，通過力學分析和有限元模擬，開發了專用固定配件系統。系統采用高強度鋁合金支座，包含底座固定板和可調節連接臂兩部分。底座通過化學螺栓與主體結構連接，連接臂采用高強度螺栓固定遮陽構件。節點設計引入三維可調機構，在±15mm范圍內可實現三向調節?？紤]溫度應力影響，設置了伸縮補償裝置和加強筋板。該系統經抗風壓、抗震性能測試，各項指標均滿足設計規范要求。（圖2）。

4.4安裝工藝優化

安裝工藝優化通過數字化技術與精密控制實現了遮陽構件的高效安裝。建筑信息模型（BIM）技術的應用貫穿整個施工過程，從前期構件三維建模到現場空間定位參數的確定，建立了完整的數字化施工體系。施工定位采用全站儀配合激光投點儀，建立三維坐標控制網，定位精度控制在±2 mm范圍內。構件吊裝采用定制的真空吸盤裝置，吸盤設計吸力P滿足P≥1.5 KG/S，其中K為安全系數（取1.5），G為構件重力，S為吸盤有效面積。吊裝過程中采用微調橫梁配合萬向吊具，實現構件空間姿態的精確調節。為避免應力集中，在臨時固定階段采用分級擰緊技術，螺栓擰緊力矩M計算公式：

M=K·d·F

式中：K為摩擦系數（0.2），d為螺栓直徑，F為軸向預緊力。

5應用效果分析

5.1造型效果評估

鋁復合材料在建筑外立面的應用展現出卓越的造型效果。通過專業評估量表對項目進行測評，在視覺沖擊力方面，材料的色彩反射度和光澤度分別達到92分和89分。在空間層次感評估中，立面肌理變化和光影效果表現尤為突出，分別獲得95分和94分的高分。材料表面采用氟碳噴涂工藝，涂層厚度控制在25μm～30μm，成功營造出均勻細膩的金屬質感，為建筑外觀增添了獨特的視覺效果。建筑外立面造型效果評估指標體系及結果見表2。

5.2工程適用性評估

鋁復合材料外立面系統在實際應用中展現出優異的工程性能。通過對材料力學性能、耐候性能和施工性能的系統測試，驗證了該材料在建筑外立面中的適用性。在抗風壓性能測試中，構件在3000 Pa設計風壓下的最大變形量為L/400，滿足規范要求。耐候性測試采用自然暴露和人工加速老化相結合的方式，結果表明材料具有優異的耐候性能。施工過程監測顯示，該系統具有良好的施工適應性，現場安裝精度控制在±2 mm范圍內，顯著優于傳統外立面系統。鋁復合材料外立面系統工程性能測試結果見表3。

6結論

通過某智慧商業建筑項目的實踐研究，證實了鋁復合材料在建筑外立面創新設計中具有獨特優勢。該材料不僅能夠實現復雜的造型需求，還具有優異的加工性能和經濟性。研究成果表明，4 mm厚鋁復合材料在90°大角度扭轉應用中表現出色，為建筑外立面設計提供了新的技術路徑。這一創新應用對推動建筑外立面設計的發展具有重要的實踐意義，同時為類似項目提供了可靠的技術參考。

參考文獻

[1]連軍.新型復合材料在城市建筑立面改造中的應用[J].佛山陶瓷，2024，34（4）：29-32.

[2]尹健.新型復合材料在城市建筑立面改造中的應用及發展趨勢[J].合成材料老化與應用，2023，52（3）：122-124.

[3]許飛.建筑外立面裝飾材料的應用問題思考[J].居舍，2023（12）：49-51.

[4]許坤.GFRC復合材料在建筑外立面設計中的應用[J].上海包裝，2023（3）：53-55.

[5]韓浩斌.新型復合材料在建筑外立面設計中的應用[J].造紙裝備及材料，2021，50（10）：136-138.