大型復(fù)合材料景觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法研究

馮少輝

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是尖端科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對材料的性能要求越來越高，因而對復(fù)合材料也提出了更高的要求。由于復(fù)合材料是把金屬，無機(jī)非金屬，高分子等材料組合起來的多相材料，設(shè)計自由度很大，不僅可在組分選擇上調(diào)整，還可以改變各組分的體積分?jǐn)?shù)，以滿足所需的性能要求，使復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)以及其他優(yōu)越的綜合性能及復(fù)合效應(yīng)。復(fù)合材料的凸顯優(yōu)勢，使其在高技術(shù)領(lǐng)域，如航天，航空，信息等產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；景觀工程；結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，能源和環(huán)境問題日益凸顯，引起了全世界的關(guān)注。如今生活水平不斷提升，對各方面建設(shè)要求有所增加，對于一些陳舊景觀很容易引起審美疲勞，對于一些新技術(shù)和新材料選擇就成為了必然發(fā)展趨勢，當(dāng)前我國環(huán)境發(fā)展中，出現(xiàn)許多自然災(zāi)害，如沙塵暴頻發(fā)、水土流失嚴(yán)重、洪澇災(zāi)害多發(fā)等。為此，必須保護(hù)生態(tài)環(huán)境，堅持“可持續(xù)發(fā)展”戰(zhàn)略。在當(dāng)前這個階段，人們已經(jīng)越來越注重城市景觀的質(zhì)量，回歸自然、親近綠色逐漸成為這個時代的旋律，而城市景觀的設(shè)計和建設(shè)中需要大量材料。

1 復(fù)合材料優(yōu)化技術(shù)方法

1.1 區(qū)域劃分及采用的優(yōu)化技術(shù)

對于復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計在每個區(qū)域里進(jìn)行。可以根據(jù)結(jié)構(gòu)承受載荷狀態(tài)，材料，單元類型，鋪層層數(shù)等不同，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化區(qū)域劃分，優(yōu)化分析采取如下技術(shù)：（1）在劃分的區(qū)域里進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；（2）復(fù)合材料采用經(jīng)典的鋪層角度0/±45/90，按照一定的鋪層比例對稱鋪層，只優(yōu)化鋪層厚度，不考慮鋪層順序；（3）由于應(yīng)用復(fù)合材料的梁緣條，其單元的材料屬性只與其鋪層角度的鋪層比例關(guān)系有關(guān)，因此，可以把梁緣條的復(fù)合材料等效為各向同性材料。

第一級優(yōu)化。本級以結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能為目標(biāo)函數(shù)，以復(fù)合材料層合板鋪層角度為設(shè)計變量，對結(jié)構(gòu)各鋪層的鋪層角度進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。第二級優(yōu)化。本級優(yōu)化是在第一級優(yōu)化的基礎(chǔ)上，固定鋪層角度，以結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，以各鋪層厚度為設(shè)計變量，對結(jié)構(gòu)的鋪層厚度進(jìn)行優(yōu)化。

2 景觀結(jié)構(gòu)中對于FRP材料的運用

現(xiàn)在我們的應(yīng)用還包括玻璃鋼材料（屬高分子復(fù)合材料，簡稱FRP，國外稱GRP）殼體景觀，包括異形景觀構(gòu)筑物、流線/非流線造型景觀座椅、大型景觀構(gòu)筑物外觀裝飾等。另，F(xiàn)RP材料還根據(jù)景觀需求有透光、不透光兩種。其中就有透光景觀構(gòu)筑物、透光造型座椅、發(fā)光欄桿扶手等。

2.1異形景觀構(gòu)筑物大致分為兩種：一是純殼體，內(nèi)無結(jié)構(gòu)或有少量FRP/木質(zhì)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，一般有尺寸較小。二為輕鋼結(jié)構(gòu)做骨骼與FRP殼體材料的有機(jī)結(jié)合進(jìn)一步使景觀構(gòu)筑物的設(shè)計尺寸更大、更加靈活。

2.2流線/非流線造型景觀座椅：現(xiàn)在人們的審美眼界的提高，對景觀及其實用性提出了更高要求。該景觀坐凳卻能將審美與實用完美結(jié)合，既有具有較高的美觀和審美觀，亦滿足現(xiàn)有的人們的對景觀那種“只可遠(yuǎn)觀而不能褻玩焉”的大膽突破，零距離的接觸包括了坐、躺、踏、玩等等，例如，秦皇島植物園的紅飄帶景觀，被國際評委21世紀(jì)7大建筑景觀奇跡。

2.3大型景觀構(gòu)筑物外觀裝飾：FRP材料僅在原建筑景觀、結(jié)構(gòu)外表進(jìn)行裝飾。可以理解為一種外裝飾材料。卻滿足了景觀上要求對視覺有強(qiáng)悍沖擊力效果、地標(biāo)性景觀建筑的設(shè)計要求。從而有效地解決FRP材料不能突破一定尺寸的局限，例如，江蘇睢寧的喜鵲迎賓、華亭棲霞；河北遷安的折紙。

2.4 FRP空心/實心型材：直接應(yīng)用到普通建筑中用作柱梁檁等；二是將規(guī)矩的型材組合成的不規(guī)則景觀，例如，江蘇蘇州東山的省園博會蘇州園開幕廣場休閑座椅。

2.5透光類：現(xiàn)代人們的生活節(jié)奏高，普通的景觀/構(gòu)筑物，對于“夜行性”人們而言是奢望。應(yīng)用該類材料的景觀卻能滿足了人們對美的全天候追求，例如，福建永定北山公園山林中超長距離發(fā)光扶手。

3 景觀結(jié)構(gòu)中對于WPC材料的運用

主要是由木質(zhì)纖維和高密度樹脂（PE、PP、PVC等）混合壓制、拉擠而成的，所以WPC兼具了木材和塑料的特性和優(yōu)點，同時基礎(chǔ)材料和成型工藝決定了WPC的某些性能。WPC具有較高的密度，為0.6～1.2cm3/g；并且還具有較大的硬度，硬度大于58。相較于木材，WPC具有良好的力學(xué)性能，表現(xiàn)為材料的抗變形能力可控，硬度大且具有良好的耐磨性能。

3.1 WPC鋪板

根據(jù)WPC板材的橫截面可將其分為兩種：空心WPC板材和實心WPC板材。WPC板材的安裝方式也可分為兩種：直接法和卡扣法。相較于天然的木質(zhì)材料，WPC鋪板不易開裂，不易受到蟲蟻破壞，防水性好、耐磨損，具有良好的抗老化性，力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，外觀接近天然原木，形式豐富多樣，可以根據(jù)需要定制花紋，而且易于維護(hù)。但WPC一般只鋪裝在人流量相對較少的場所，對于常有車輛進(jìn)出的地區(qū)則不宜鋪設(shè)。總體而言，WPC鋪板的實用性和耐用性很強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于城市園林的棧道、庭院等。

3.2 WPC圍墻

根據(jù)是否遮擋視線可將WPC圍墻分為封閉式、半開放式和開放式三種；根據(jù)其使用功能可分為阻隔式和觀賞式圍墻兩種。應(yīng)用于城市景觀中的WPC圍墻的主要功能是供人觀賞，當(dāng)然也包括阻隔空間的作用。由于圍墻處于室外，需要長期遭受風(fēng)吹雨打。因此，圍墻的材質(zhì)應(yīng)具備抗老化、易于修復(fù)等性能，而這些性能WPC材料則完全具備。此外，景觀圍墻還應(yīng)該可以體現(xiàn)城市的文化，提升城市的形象。而WPC材料可以給人們傳遞自然與現(xiàn)代結(jié)合的觀感，是城市景觀圍墻材料的不二選擇。北戴河對全區(qū)范圍內(nèi)主干道兩側(cè)樓體、墻體、圍欄、燈桿進(jìn)行此種形式的設(shè)置，形成景觀各異的立體綠化風(fēng)格。

綜上所述，WPC作為一種新型復(fù)合材料，繼承了木材和塑料的雙重優(yōu)點，具有抗老化性強(qiáng)、裝飾性好、綠色環(huán)保、易施工等特性，因而廣泛應(yīng)用在鋪板、圍墻、護(hù)欄、景觀小品以及輔助設(shè)施等城市景觀中。WPC不僅保護(hù)了森林資源，還提供給人們愜意和諧的城市環(huán)境。WPC具備很強(qiáng)的實用性和宜人性。但是，在WPC的實際應(yīng)用過程中還存在一些問題，例如材料本身的欠缺、后期管理不當(dāng)、材料的應(yīng)用不當(dāng)、市場認(rèn)知程度低等。

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