碳纤维可以成为建筑材料界的超级英雄吗？
每个工作日，在芝加哥市中心的商业区Loop，都有大批人潮像逃离捕食者的野生羚羊群一样行色匆匆地穿过街道。不过，大多数人都是匆忙经过Field Building，从未考虑过这栋大楼的意义,或者是1931年在同一地点拆毁的历史建筑——家庭保险大楼的意义。家庭保险大楼建于1884年，是第一栋采用钢结构框架建成的高层建筑。钢结构是一种轻便、价格合理且经久耐用的材料，其建成的结构比采用木头或石头建成的结构更高、更坚固，而且建成时间更快。
家庭保险大楼被视为是世界上第一栋摩天大楼，它证明了钢材是一种可行的建筑材料以及钢架构造是一种可行的技术，从而永远改变了建筑设计、工程和施工过程。虽然这栋大楼只有10层（42米）高，但它是之后建造的每栋高层建筑的“祖先”——包括当前世界上最高的建筑物：迪拜的哈利法塔，206层，高度超过半英里。
130多年后，钢材和钢架结构依然在施工中保持王者地位。但是复合碳纤维材料和机器人制造技术的创新可能意味着新的“君王”将很快取代它们。位于波士顿的欧特克BUILD（建筑、创新、学习和设计）Space正在进行的研究就象征着这样一种变革。
神奇的碳纤维结构
碳纤维是未来建筑中最有前途的复合材料之一。它是一种聚合物，由以形成结晶的方式结合在一起的长而细的碳原子丝组成，每根碳原子丝比人的头发丝更细，它比钢材轻，但强度是钢材的五倍，坚硬度是钢材的两倍，因此尤其受制造商欢迎。制造商将碳原子丝绞合在一起，就像可以编织成织物或塑造成永久形状的纱线一样。这项工艺适用于各种事物，从自行车车架、钓鱼杆、飞机机翼到赛车车身、高尔夫球杆和帆船桅杆等等。
建筑师Simon Kim是马萨诸塞州剑桥市一家建筑和设计公司Ibañez Kim的负责人，最近常驻BUILD Space，他表示：“碳纤维和其它复合材料的性能较高，这意味着它们重量非常轻，却可承受巨大的负荷。”
由于碳纤维具有如此独特的特性，因此Kim和其他人认为它是理想的建筑材料。Kim表示：“复合材料为快速制造和定制提供了极具吸引力的机会”，他还补充道，用碳纤维建造一栋小型房屋的围墙仅需几周时间，而使用传统材料则需几个月。“复合材料结构可以迅速建立起来，并且不需要太多专业化劳动力和工作流程——例如从总承包商和分包商到材料供应。因此我们可以实现更快的速度，更短的交付链，同时减少材料数量，使价格更便宜。”
由于碳纤维柔韧性好、重量较轻，因此运输也比较容易。“可以将各种模块放在一起运输到别的地方，然后根据需要连接在一起，生产出更大的组件，”他说：“这使得复合材料结构比传统建筑更加灵活，假设我们认为永久性并不总是好事的话。”
制造未来
仅靠钢材还不能造出摩天大楼。为了利用钢材的优势，建筑师还需要一种新的建造技术：钢架结构。碳纤维等创新材料也是如此：其潜力取决于先进制造方法的开发，以缩小实验室和工作现场之间的差距。
最近，Kim在BUILD Space任职期间，与其他常驻研究员，斯图加特大学研究生Ayoub Lharchi和Yencheng Lu一起对碳纤维施工方法进行测试和论证。他们的工作预示着复合材料未来在建筑方面的应用与钢材一样坚固。或者，说得更确切些，应该是：更坚固。
从雕塑到结构
Kim于2017年6月开始常驻波士顿。他的目标是：论证碳纤维结构不仅能具有出色的功能，而且能打造成出色的形状。这项实验（例如评估不同树脂的强度性能，用来制作碳纤维增强聚合物基（CFRP）复合材料）可为实际安装提供参考。
Kim表示：“我们正在使用临时建筑，不仅要以此展示碳纤维可以表现出来的效果，还要展示它在文化上的美感。”Kim在“声音之林（The Forest of Sound）”项目中突出了CFRP结构的视觉和触觉特性。这是Pew资助的一个项目， Kim与歌剧作曲家Lembit Beecher一起合作完成了其全球首演歌剧Sophia’s Forest。该歌剧于2017年9月在费城揭幕，其中有九个由Kim和他的团队在BUILD Space创作的“声音雕塑”。每个雕塑都是真人大小，包含由碳纤维缠绕的外壳，内含机械化乐器，能在演出期间时创造出环境声效。
按照Kim的话说，虽然建造的规模较小，但便携式雕塑——类似于蜘蛛网或蚕茧——暗示了碳纤维的建筑潜力。他设想现有的构造物（例如内部气候可控制的仓库）未来可通过添加碳纤维茧或胶囊而变换用途。基本上，建筑物的外部将保持稳定，但内部可采用与Kim的声音雕塑相同的流程和原则，来定制模块化办公室或住宅。
“我们可以建造新的设施，但也必须面对这样一个事实，即我们也不会放弃拥有数百年历史的现有建筑，”Kim说道：“从能源补偿和占地面积来看，要将这些混凝土、砖块和石板建筑推倒重建是非常困难的。为什么不通过精心设计、轻便且经济实惠的“嵌入物”来改变其用途，让其功能变得更现代化呢？”
用碳纤维塑造制造的未来
自然界充满了有趣的几何形状，从螺旋和球体到曲线和锥体。然而，我们建造的世界往往由三角形、圆形和方形组成。为了释放建造物体形状的更多可能，Lharchi和Lu在他们常驻BUILD Space期间，一直在探索纤维增强复合材料（FRCs）在几何方面的潜力。
Lharchi认为，用FRCs（包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维）创造新颖的几何形状需要一种有效的制造方法。“纤维的最佳用途是大跨度结构——例如，当您想要覆盖一个体育场的屋顶，并且不想让柱子阻挡下面的空间时，”他说：“如果目前希望建造类似的东西，可以使用那种来制作3D打印房屋的大型机器，但我很难想象现场的状况，或者是当使用工业机器人手臂受到可延伸长度限制时的情况。我们想要做的是找到一种可以构建一个连续的大规模[FRC]结构的制造方法。”
Lharchi认为，一种有前景的碳纤维制造方法是使用缆索机器人。他的团队在BUILD Space展示了缆索机器人的前景，用绳子来模仿碳纤维的行为特性。
“如果你曾经在体育场见过skycam（三维悬索摄像机器人），那基本上就是一台带有摄像机的缆索机器人，”Lharchi说，他设计了一个由两台缆索机器人并联工作的系统，一台机器人在另一台上方。当它们来回移动时，机器人来回交换纤维，以一种能够实现缠绕序列一样的独特几何方式来编织纤维。“无论何时如果您需要创建一个大而轻的结构，纤维都是一个不错的选择。我希望通过研究价格实惠且易于实现的制造方法，能让现场纤维施工建设成为一种主流的建设方式。”