大型復合材料景觀結構優化設計方法研究

馮少輝

摘要：隨著科學技術的發展，特別是尖端科學技術的迅猛發展，對材料的性能要求越來越高，因而對復合材料也提出了更高的要求。由于復合材料是把金屬，無機非金屬，高分子等材料組合起來的多相材料，設計自由度很大，不僅可在組分選擇上調整，還可以改變各組分的體積分數，以滿足所需的性能要求，使復合材料具有輕質高強以及其他優越的綜合性能及復合效應。復合材料的凸顯優勢，使其在高技術領域，如航天，航空，信息等產業中得到了廣泛的應用。

關鍵詞：復合材料；景觀工程；結構設計

隨著工業化的快速發展，能源和環境問題日益凸顯，引起了全世界的關注。如今生活水平不斷提升，對各方面建設要求有所增加，對于一些陳舊景觀很容易引起審美疲勞，對于一些新技術和新材料選擇就成為了必然發展趨勢，當前我國環境發展中，出現許多自然災害，如沙塵暴頻發、水土流失嚴重、洪澇災害多發等。為此，必須保護生態環境，堅持“可持續發展”戰略。在當前這個階段，人們已經越來越注重城市景觀的質量，回歸自然、親近綠色逐漸成為這個時代的旋律，而城市景觀的設計和建設中需要大量材料。

1 復合材料優化技術方法

1.1 區域劃分及采用的優化技術

對于復雜的復合材料結構，結構的優化設計在每個區域里進行。可以根據結構承受載荷狀態，材料，單元類型，鋪層層數等不同，對結構進行相應的優化區域劃分，優化分析采取如下技術：（1）在劃分的區域里進行優化設計；（2）復合材料采用經典的鋪層角度0/±45/90，按照一定的鋪層比例對稱鋪層，只優化鋪層厚度，不考慮鋪層順序；（3）由于應用復合材料的梁緣條，其單元的材料屬性只與其鋪層角度的鋪層比例關系有關，因此，可以把梁緣條的復合材料等效為各向同性材料。

第一級優化。本級以結構的應變能為目標函數，以復合材料層合板鋪層角度為設計變量，對結構各鋪層的鋪層角度進行調整優化。第二級優化。本級優化是在第一級優化的基礎上，固定鋪層角度，以結構的質量為目標函數，以各鋪層厚度為設計變量，對結構的鋪層厚度進行優化。

2 景觀結構中對于FRP材料的運用

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

2.1異形景觀構筑物大致分為兩種：一是純殼體，內無結構或有少量FRP/木質增強結構，一般有尺寸較小。二為輕鋼結構做骨骼與FRP殼體材料的有機結合進一步使景觀構筑物的設計尺寸更大、更加靈活。

2.2流線/非流線造型景觀座椅：現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合，既有具有較高的美觀和審美觀，亦滿足現有的人們的對景觀那種“只可遠觀而不能褻玩焉”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7大建筑景觀奇跡。

2.3大型景觀構筑物外觀裝飾：FRP材料僅在原建筑景觀、結構外表進行裝飾。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悍沖擊力效果、地標性景觀建筑的設計要求。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：直接應用到普通建筑中用作柱梁檁等；二是將規矩的型材組合成的不規則景觀，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：現代人們的生活節奏高，普通的景觀/構筑物，對于“夜行性”人們而言是奢望。應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光扶手。

3 景觀結構中對于WPC材料的運用

主要是由木質纖維和高密度樹脂（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點，同時基礎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具有良好的力學性能，表現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，力學性質穩定，外觀接近天然原木，形式豐富多樣，可以根據需要定制花紋，而且易于維護。但WPC一般只鋪裝在人流量相對較少的場所，對于常有車輛進出的地區則不宜鋪設。總體而言，WPC鋪板的實用性和耐用性很強，被廣泛應用于城市園林的棧道、庭院等。

3.2 WPC圍墻

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

綜上所述，WPC作為一種新型復合材料，繼承了木材和塑料的雙重優點，具有抗老化性強、裝飾性好、綠色環保、易施工等特性，因而廣泛應用在鋪板、圍墻、護欄、景觀小品以及輔助設施等城市景觀中。WPC不僅保護了森林資源，還提供給人們愜意和諧的城市環境。WPC具備很強的實用性和宜人性。但是，在WPC的實際應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、材料的應用不當、市場認知程度低等。

參考文獻：

[1]蔡紅珍，楊廣勇.木塑復合材料在園林景觀中的應用[J].林業實用技術，2010，08：49-50.

[2]孫世清，于艷菊.形變銅基復合材料研究進展[J].熱加工工藝，2003，06：50-52.

[3]鄒喆，王瑤.綠色景觀材料的可持續發展趨勢[J].設計藝術（山東工藝美術學院學報），2015，03：22-26.