以“構(gòu)建面向生活的未來(lái)社會(huì)” 為主題的 2025 年大阪世博會(huì)，將重點(diǎn)呈現(xiàn)坂茂（Shigeru Ban）設(shè)計(jì)的 “藍(lán)海穹頂”（Blue Ocean Dome）。這一三聯(lián)穹頂建筑將 “輕盈感” 與非常規(guī)再生材料相結(jié)合，倡導(dǎo)兼具人文關(guān)懷與環(huán)保屬性的建筑理念。其中，系列中的第二座穹頂 ——B 穹頂，大膽挑戰(zhàn)采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）建造。

此次世博會(huì)定位為“生活實(shí)驗(yàn)室”，舉辦地位于日本的人工填埋島 —— 夢(mèng)洲島（Yumeshima Island）。世博會(huì)旨在展示并融合全球前沿技術(shù)與理念，以解決各類全球性問(wèn)題。然而，這座填海造陸形成的島嶼存在一項(xiàng)重大結(jié)構(gòu)限制：土壤承載力較弱，導(dǎo)致開(kāi)挖深度不得超過(guò) 2.5 米，這使得深樁基礎(chǔ)的使用變得復(fù)雜，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

“藍(lán)海穹頂” 項(xiàng)目既是對(duì)場(chǎng)地結(jié)構(gòu)限制的明確且有力的回應(yīng)，也充分體現(xiàn)了世博會(huì)的主題。該建筑以極致輕盈為設(shè)計(jì)核心，從而無(wú)需使用深樁基礎(chǔ)。通過(guò)采用碳纖維復(fù)合材料等前沿材料，建筑重量大幅降低。因此，這座展館不僅踐行了 2025 年世博會(huì)對(duì)可持續(xù)發(fā)展的承諾，更以切實(shí)可行的方式在技術(shù)層面進(jìn)行了示范。該項(xiàng)目將工程限制轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新機(jī)遇，體現(xiàn)了 “生活實(shí)驗(yàn)室” 的愿景 —— 在真實(shí)場(chǎng)景中實(shí)時(shí)研發(fā)并測(cè)試新型建筑技術(shù)（見(jiàn)圖 1）。

圖1

藍(lán)海穹頂：海洋保護(hù)的愿景

“藍(lán)海穹頂” 展館（見(jiàn)圖 2）由日本非營(yíng)利組織 “零排放研究與倡議”（Zero Emissions Research and Initiatives，簡(jiǎn)稱 ZERI）牽頭，與莎羅雅株式會(huì)社（Saraya Co, Ltd.）合作打造。該項(xiàng)目旨在 “煥活海洋生機(jī)”，提升公眾對(duì)海洋環(huán)境所面臨挑戰(zhàn)的認(rèn)知。它是對(duì) “大阪藍(lán)海愿景”（Osaka Blue Ocean Vision）的建筑化回應(yīng) ——“大阪藍(lán)海愿景” 是 2019 年二十國(guó)集團(tuán)（G20）峰會(huì)期間提出的一項(xiàng)承諾，致力于減少海洋塑料污染。

圖2

坂茂的展館設(shè)計(jì)體現(xiàn)了 ZERI 的目標(biāo)。他選用竹子、再生紙以及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）等材料，這些材料均具備可持續(xù)屬性，且符合循環(huán)利用理念，充分彰顯了循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理想。這一愿景的核心要素之一，便是展館本身的重復(fù)利用。

世博會(huì)閉幕后，該展館將被拆解并遷移至馬爾代夫，作為當(dāng)?shù)睾Ｑ缶C合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的建筑結(jié)構(gòu)使用。這種“二次生命” 直接影響了設(shè)計(jì)與工程流程，例如通過(guò)熱模擬確保碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料穹頂能夠承受馬爾代夫高溫高濕的氣候條件。最終，建筑結(jié)構(gòu)本身成為了該非營(yíng)利組織（NGO）理念的象征，證明創(chuàng)新與循環(huán)理念能夠創(chuàng)造超越 6 個(gè)月世博會(huì)周期的、具有持久意義的建筑遺產(chǎn)。

基于循環(huán)設(shè)計(jì)的“結(jié)構(gòu) - 材料” 三重奏

“藍(lán)海穹頂” 展館是由 3 個(gè)相互連接的穹頂組成的建筑綜合體（見(jiàn)圖 3），每個(gè)穹頂均采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)材料建造：竹子、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）與再生紙。設(shè)計(jì)遵循模塊化建造、低環(huán)境影響及最大化可重復(fù)利用的原則。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，它打破了展覽場(chǎng)館通常的 “宿命”—— 多數(shù)場(chǎng)館在展會(huì)結(jié)束后即被拆除，產(chǎn)生大量廢棄物。相反，該項(xiàng)目通過(guò)為建筑預(yù)設(shè) “生命周期終點(diǎn)”（即可用且可持續(xù)的后續(xù)用途），為大型臨時(shí)建筑設(shè)立了新標(biāo)桿。而將展館設(shè)計(jì)為可遷移至馬爾代夫的模式，也為循環(huán)經(jīng)濟(jì)在建筑行業(yè)的應(yīng)用提供了切實(shí)可見(jiàn)的范例。

圖3

位于展館入口處的 A 穹頂，跨度為 20 米，由多層層壓竹材建造而成。位于中央的 B 穹頂跨度達(dá) 40 米，是該項(xiàng)目最具創(chuàng)新性的部分 —— 它是首個(gè)以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管材作為主要承重框架的大型建筑結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是日本首個(gè)將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于抗震結(jié)構(gòu)的建筑。

作為出口與信息咨詢點(diǎn)的C穹頂，則采用100%再生紙管建造，再生紙管也是坂茂標(biāo)志性的設(shè)計(jì)材料。

B 穹頂：采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的前沿結(jié)構(gòu)

對(duì)于“藍(lán)海穹頂” 而言，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）在結(jié)構(gòu)與物流兩方面均具備優(yōu)勢(shì)。這種材料的抗拉強(qiáng)度是鋼材的 5 倍，剛度為鋼材的 2 倍，而質(zhì)量?jī)H為鋼材的一小部分。

這種極致的輕盈特性，解決了夢(mèng)洲島場(chǎng)地面臨的核心挑戰(zhàn)：B 穹頂?shù)目傊亓可踔恋陀跒榻ㄔ炱浠A(chǔ)而開(kāi)挖出的土壤重量。這種輕量化工程設(shè)計(jì)，使得在這片填海土地上完全無(wú)需使用混凝土基樁成為可能。省去復(fù)雜的基礎(chǔ)工程帶來(lái)了雙重益處：一方面降低了材料與人工成本，另一方面大幅縮短了施工周期。這意味著，重量不再僅僅是一種物理屬性，更成為影響工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性與工期的戰(zhàn)略性設(shè)計(jì)參數(shù)。

然而，使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料這類創(chuàng)新材料也面臨挑戰(zhàn)。該材料對(duì)溫度變化較為敏感，因此需要精細(xì)的工程設(shè)計(jì)，尤其是考慮到它后續(xù)將被遷移至馬爾代夫的高溫高濕環(huán)境中。為確保其承重能力與韌性，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了熱模擬分析。這一過(guò)程表明，現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)不能僅局限于靜載荷計(jì)算，還必須將環(huán)境因素視為關(guān)鍵參數(shù)。

B 穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)還展現(xiàn)了多材料工程設(shè)計(jì)的思路。盡管主要管材采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，但外層支撐膜結(jié)構(gòu)的框架使用鋼材，內(nèi)層則采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管材。這種混合設(shè)計(jì)表明，復(fù)合材料并非要取代傳統(tǒng)材料，而是可以與傳統(tǒng)材料互補(bǔ)，構(gòu)建性能更優(yōu)的結(jié)構(gòu)體系。通過(guò)對(duì)每種材料組件獨(dú)特屬性的優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)更高的結(jié)構(gòu)效率與韌性（見(jiàn)圖4）。

圖4

從理念到日常應(yīng)用：讓創(chuàng)新更易普及

坂茂設(shè)計(jì)的“藍(lán)海穹頂” 展館是當(dāng)代建筑領(lǐng)域的一座里程碑。它通過(guò)證明復(fù)合材料在技術(shù)上的可行性及其與環(huán)境的關(guān)聯(lián)性，為復(fù)合材料在建筑行業(yè)的更廣泛應(yīng)用起到了推動(dòng)作用。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料穹頂?shù)某晒?，有望鼓?lì)建筑師與工程師將這類材料應(yīng)用于更多常規(guī)場(chǎng)景，例如橋梁、大跨度建筑，或是地質(zhì)條件復(fù)雜場(chǎng)地的建設(shè)項(xiàng)目。

借助碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料大幅降低結(jié)構(gòu)重量的能力，為建筑設(shè)計(jì)與施工開(kāi)辟了新機(jī)遇—— 尤其是在預(yù)制裝配與模塊化建造領(lǐng)域，而這兩大領(lǐng)域正是塑造未來(lái)建筑行業(yè)的關(guān)鍵趨勢(shì)。

歸根結(jié)底，該項(xiàng)目表明，輕量化建筑不僅是一個(gè)美學(xué)問(wèn)題，更是一套涵蓋場(chǎng)地選擇、基礎(chǔ)工程、運(yùn)輸物流與施工進(jìn)度規(guī)劃的綜合性解決方案。“藍(lán)海穹頂” 作為一個(gè)公開(kāi)示范項(xiàng)目，驗(yàn)證了這些材料的潛力，降低了未來(lái)項(xiàng)目采用這些材料的感知風(fēng)險(xiǎn)，為建筑行業(yè)從精英式實(shí)驗(yàn)向工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)型鋪平了道路。

參考資料：JEC COMPOSITES