总结
本文详细介绍了作者在日本建筑Shigeru Ban工作时使用纸作为临时建筑材料的经历。在这些工程中，纸以纸管的形式作为建筑材料使用。他们的力学性质经受了检验，这里给出了三个工程实例：其中的两个业已经过了设计、建造和拆卸，另外的一个正处于设计之中并将于2005年建造。这种工程展示了使用这种创新材料过程中的设计挑战。
简介
纸已开始作为临时建筑的替代材料而使用。由于易回收和低成本，纸是一种很吸引人的选择，但是由于其独特的性质，存在很多的设计障碍需要解决。
通常情况下，纸并没有被当作建筑材料，因此没有现存的规范指导其为建筑材料使用。为了使人们能够有信心使用纸进行设计，有必要首先了解其特殊性质和优缺点。
纸结构和测试
按照粘土制成砖的同样方式，在这些工程使用的纸被制造成纸管作为建筑材料使用(图1)。
多年来纸管被生产出来作为运输和处理编制物之用，他们也常被用作浇注混凝土柱的模板。纸管的制作过程使得其直径和厚度可以修改以致适合应用的需要。纸管可以被卷成无限长，仅有的限制在于成品的运输。造纸管的纸由新鲜或回收的纸浆压成薄片、干燥，之后将其与粘结剂一起卷成筒装即成纸管。纸管的天然含水量大约为9％，其密度为7000N/m3。
没有现行的规范指导制造纸管作为结构使用，由于这个原因，下面详细介绍的工程都是使用通过力学测试获得的数据进行设计的。这些测试可已确定其力学性质并建立不同结构条件下的应力设计准则。
分别在日本和德国进行了力学测试。这里给出的资料基于在德国Dormund大学进行的测试。
通过测试可以得到关于材料的如下结论：
—刚度大约相当于软木材的五分之一
—对载荷的持续时间敏感
—含水量达到7％时对含水量的变化敏感，超过7％后含水量每增加1％则强度减少10％
—有明显的蠕变，当达到破坏强度的10％时即发生蠕变
—容许弯曲应力通常比容易压缩应力大50％
便于说明，将一些关键的设计值列于表1中。读者可以参考引用的数据得到关于样品尺度、测试技术和结果的更准确的信息。将极限荷载按适当的因素减小即可得到容许应力。假设短期容许应力为长期容许应力的两倍。
纸管对水渗透很敏感。为防治水渗透可以将放水层卷进管中，但是在纸管的端部，制造技术使得纸纤维暴露在外。如果不使用密封剂，这些纤维将通过毛细作用吸收水分使得其进入纸管，管制变湿将使其丧失强度。
关于抗火性，对纸管并没有正式的分级，其性能与重木结构相似。纸管能够燃烧，但并不支持自燃。可以在纸管表面用发泡型防火涂料覆盖层以增强其抗火性。一般来讲，由于所考虑的工程没有明显的燃料荷载，所以可燃性并不是设计时的控制点。
工程日本展点德国
2000年汉诺威世界博览会修建的日本展点维持了7个月。这个展点占地约为2500m2。
它被设计为一种柔韧的格栅壳体结构，经组装后平放到地面上，然后通过一个凸出的脚手架系统将其举起、安装到位并具有最终的几何构形。然后在其周界用一些刚性的边缘元素将其固定。格栅壳体结构的材料是直径为120mm，厚度为22mm的厚纸管，这些纸管在彼此相交的地方用塑胶带捆住。这个展点大厅的整体尺度为75mm×35mm，其高度为15.5m。
这种结构的设计和建模是紧张的设计努力的一部分，它包括了模板的寻找以及物理模型的建造以确定工程的几何造型和可能发生的屈曲变形破坏的模式。为增强结构的刚度，以等间距的方式增加了木拱。在德国检查当局的坚持下，在端部的格栅中加入钢结构，虽然分析表明这并没有必要（见图2）。
详细阐述这个结构涉及到一些关键连接点部位的解决。这包括两个纸管之间的交点、纸管和地平面的连接、纸管和覆层连接以及纸管与木梯的连接。使用纸管进行建造将会在下一个工程中进行实例讲解。
MoMA,Arch,美国
这个临时结构作为纽约市现代艺术博物馆举行的一个回顾艺术和建筑展而建立的。它是由直径为200mm厚度为25mm，其底弦和顶弦为纵深长度达600米纸管形成的拱。这些拱的跨度达24m，其横向由纸管格栅壳体连接，构成壳体的纸管其直径为150mm，厚度为25mm。在拱的下部增加了增强稳定性的缆绳并与底弦相连。结构的总体尺度为24m×24m。其安装持续了整个夏季90天时间。
该结构物的结构分析比上述的汉诺威展点结构简单。格栅壳体在横向方向上的作用被保守的忽略了，只保留了其对拱的水平方向的作用。
详细的分析这个结构比较复杂，因为多种不同的材料导致了不同的连接情况。桁架的顶弦和底弦是纸管，但竖直方向和对角线方面的材料为钢杆和缆绳。桁架和建筑物与基底底连接采用的是钢板。由于建造的原因，元件拚接板是必需的。
初始的建造在现场之外进行，顶部被平放到一系列的脚手架上，就像在成型的支船架上建船体外壳的方式一样。对格栅壳体结构的纸管进行了三维模拟，以精确的确定预钻孔的位置和角度，这些预钻孔是结构的几何构形所要求的连接处。当纸管到位后，进行钻孔，然后，底弦被平放到脚手架上；随后，将竖向的元件插入孔中，并加入格栅壳体结构。将对角线方向的桁架缆绳塞入桁架中，将顶弦捆住即桁架就形成了。组装完毕并涂了防水层后，整个结构被分割成8个半拱，以便能够用有平台可装货的卡车将其运送到博物馆。与博物馆相邻的那部分结构其有一部分是连接好的，将其送入到支撑点即可。
流动的展览，美国
这个4000m2的临时展览大厅是可移动的、为了突出一位当代艺术家的作品。这个大厅大约20m宽，200m长。其建筑材为临时建筑中经常使用的材料，包括编织品、脚手架、木框，甚至使用了集装箱来运输它们。它有一个主要的罐顶桁架，是由两个大直径的纸管构成，这两个纸管之上有一纸管三角形将其连接到屋脊。
通过一个简单的结构分析就可确定纸管上的结构荷载。和前述的工程不同的是，虽然这个结构也是临时形的，但是它将被组装和拆卸多次，而且还有一个附加条件，所有部件必须适合标准的61m的集装箱。因此，纸管的设计必须使得其磨损和撕破尽可能的少。这已经通过给纸管加上永久固定的钢板和元件得到了解决。通过这种方式，连接点处已变为更为牢固的钢-钢连接。
这个工程目前尚处于设计和建筑阶段，将于2005年3月在纽约安装。然后，它将会被拆除并通过集装箱运送到洛衫矶、东京以及其它一些地方。
结论
纸已被成功的应用到一些临时结构中。虽然使用纸存在一些特定的设计约束，通过有测试数据支撑的计算和详细的细节设计，则很有可能使用纸来设计结构来满足要求，而且使得结构大方美观。
最重要的是，本项工作表明，作为工程师应该以极大的热情接受这种挑战，以新的、有趣的方式来使用材料和技术。作为专业人士，我们不能低估我们的实力，因为很多问题都能够通过使用基本原理、测试系统以及我们作为设计者天生的创造性成功的加以解决。
资料来源：Structural Engineering International November 2004
