复合材料轻量化建筑：大阪世博会的 “轻盈之力”

以“构建面向生活的未来社会” 为主题的 2025 年大阪世博会，将重点呈现坂茂（Shigeru Ban）设计的 “蓝海穹顶”（Blue Ocean Dome）。这一三联穹顶建筑将 “轻盈感” 与非常规再生材料相结合，倡导兼具人文关怀与环保属性的建筑理念。其中，系列中的第二座穹顶 ——B 穹顶，大胆挑战采用碳纤维增强复合材料（CFRP）建造。

此次世博会定位为“生活实验室”，举办地位于日本的人工填埋岛 —— 梦洲岛（Yumeshima Island）。世博会旨在展示并融合全球前沿技术与理念，以解决各类全球性问题。然而，这座填海造陆形成的岛屿存在一项重大结构限制：土壤承载力较弱，导致开挖深度不得超过 2.5 米，这使得深桩基础的使用变得复杂，甚至无法实现。

“蓝海穹顶” 项目既是对场地结构限制的明确且有力的回应，也充分体现了世博会的主题。该建筑以极致轻盈为设计核心，从而无需使用深桩基础。通过采用碳纤维复合材料等前沿材料，建筑重量大幅降低。因此，这座展馆不仅践行了 2025 年世博会对可持续发展的承诺，更以切实可行的方式在技术层面进行了示范。该项目将工程限制转化为创新机遇，体现了 “生活实验室” 的愿景 —— 在真实场景中实时研发并测试新型建筑技术（见图 1）。

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蓝海穹顶：海洋保护的愿景

“蓝海穹顶” 展馆（见图 2）由日本非营利组织 “零排放研究与倡议”（Zero Emissions Research and Initiatives，简称 ZERI）牵头，与莎罗雅株式会社（Saraya Co, Ltd.）合作打造。该项目旨在 “焕活海洋生机”，提升公众对海洋环境所面临挑战的认知。它是对 “大阪蓝海愿景”（Osaka Blue Ocean Vision）的建筑化回应 ——“大阪蓝海愿景” 是 2019 年二十国集团（G20）峰会期间提出的一项承诺，致力于减少海洋塑料污染。

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坂茂的展馆设计体现了 ZERI 的目标。他选用竹子、再生纸以及碳纤维增强复合材料（CFRP）等材料，这些材料均具备可持续属性，且符合循环利用理念，充分彰显了循环经济的理想。这一愿景的核心要素之一，便是展馆本身的重复利用。

世博会闭幕后，该展馆将被拆解并迁移至马尔代夫，作为当地海洋综合开发项目的建筑结构使用。这种“二次生命” 直接影响了设计与工程流程，例如通过热模拟确保碳纤维增强复合材料穹顶能够承受马尔代夫高温高湿的气候条件。最终，建筑结构本身成为了该非营利组织（NGO）理念的象征，证明创新与循环理念能够创造超越 6 个月世博会周期的、具有持久意义的建筑遗产。

基于循环设计的“结构 - 材料” 三重奏

“蓝海穹顶” 展馆是由 3 个相互连接的穹顶组成的建筑综合体（见图 3），每个穹顶均采用独特的结构材料建造：竹子、碳纤维增强复合材料（CFRP）与再生纸。设计遵循模块化建造、低环境影响及最大化可重复利用的原则。通过这种设计，它打破了展览场馆通常的 “宿命”—— 多数场馆在展会结束后即被拆除，产生大量废弃物。相反，该项目通过为建筑预设 “生命周期终点”（即可用且可持续的后续用途），为大型临时建筑设立了新标杆。而将展馆设计为可迁移至马尔代夫的模式，也为循环经济在建筑行业的应用提供了切实可见的范例。

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位于展馆入口处的 A 穹顶，跨度为 20 米，由多层层压竹材建造而成。位于中央的 B 穹顶跨度达 40 米，是该项目最具创新性的部分 —— 它是首个以碳纤维增强复合材料管材作为主要承重框架的大型建筑结构，同时也是日本首个将碳纤维增强复合材料用于抗震结构的建筑。

作为出口与信息咨询点的C穹顶，则采用100%再生纸管建造，再生纸管也是坂茂标志性的设计材料。

B 穹顶：采用碳纤维增强复合材料的前沿结构

对于“蓝海穹顶” 而言，碳纤维增强复合材料（CFRP）在结构与物流两方面均具备优势。这种材料的抗拉强度是钢材的 5 倍，刚度为钢材的 2 倍，而质量仅为钢材的一小部分。

这种极致的轻盈特性，解决了梦洲岛场地面临的核心挑战：B 穹顶的总重量甚至低于为建造其基础而开挖出的土壤重量。这种轻量化工程设计，使得在这片填海土地上完全无需使用混凝土基桩成为可能。省去复杂的基础工程带来了双重益处：一方面降低了材料与人工成本，另一方面大幅缩短了施工周期。这意味着，重量不再仅仅是一种物理属性，更成为影响工程技术、经济性与工期的战略性设计参数。

然而，使用碳纤维增强复合材料这类创新材料也面临挑战。该材料对温度变化较为敏感，因此需要精细的工程设计，尤其是考虑到它后续将被迁移至马尔代夫的高温高湿环境中。为确保其承重能力与韧性，团队进行了热模拟分析。这一过程表明，现代工程设计不能仅局限于静载荷计算，还必须将环境因素视为关键参数。

B 穹顶的结构还展现了多材料工程设计的思路。尽管主要管材采用碳纤维增强复合材料，但外层支撑膜结构的框架使用钢材，内层则采用碳纤维增强复合材料管材。这种混合设计表明，复合材料并非要取代传统材料，而是可以与传统材料互补，构建性能更优的结构体系。通过对每种材料组件独特属性的优化，可实现更高的结构效率与韧性（见图4）。

图4

从理念到日常应用：让创新更易普及

坂茂设计的“蓝海穹顶” 展馆是当代建筑领域的一座里程碑。它通过证明复合材料在技术上的可行性及其与环境的关联性，为复合材料在建筑行业的更广泛应用起到了推动作用。碳纤维增强复合材料穹顶的成功，有望鼓励建筑师与工程师将这类材料应用于更多常规场景，例如桥梁、大跨度建筑，或是地质条件复杂场地的建设项目。

借助碳纤维增强复合材料大幅降低结构重量的能力，为建筑设计与施工开辟了新机遇—— 尤其是在预制装配与模块化建造领域，而这两大领域正是塑造未来建筑行业的关键趋势。

归根结底，该项目表明，轻量化建筑不仅是一个美学问题，更是一套涵盖场地选择、基础工程、运输物流与施工进度规划的综合性解决方案。“蓝海穹顶” 作为一个公开示范项目，验证了这些材料的潜力，降低了未来项目采用这些材料的感知风险，为建筑行业从精英式实验向工业化标准化转型铺平了道路。

参考资料：JEC COMPOSITES