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大空間柔性膜結(jié)構(gòu)材料的現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

 小白人哈 2016-06-23
     膜結(jié)構(gòu)建筑是20世紀中期發(fā)展起來一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式,用鋼性支撐、上繃膜面,形成大跨度空間結(jié)構(gòu)。膜結(jié)構(gòu)材料一般以高強度聚酯工業(yè)纖維或玻璃纖維機織物為基材,兩面復(fù)合或涂覆聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)高分子材料而成,其建筑具有結(jié)構(gòu)輕、跨度大、安裝快、成本低、防火難燃和安全性高的優(yōu)點,被譽為現(xiàn)代高科技建筑和2l世紀的建筑。

隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展,以PVC、PTFE和PVDF為代表的高分子化工產(chǎn)品日漸成熟,加之復(fù)合材料工藝的進步,使屋面膜材的綜合性能得以改善和提高,為紡織膜結(jié)構(gòu)建筑作為新型建筑形式的出現(xiàn)打下了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。紡織膜結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代化的工程結(jié)構(gòu)物,顯示了當今材料科學(xué)、紡織工程、建筑技術(shù)與電子、機械、化工等多學(xué)科的發(fā)展水平,具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?

本文系統(tǒng)介紹膜結(jié)構(gòu)材料的品種、優(yōu)缺點、分類及其應(yīng)用前景。

膜結(jié)構(gòu)材料的特點和應(yīng)用

膜結(jié)構(gòu)材料分類

膜結(jié)構(gòu)所用紡織膜材料一般由基布和涂層兩部分組成。如圖1所示?;贾饕捎镁埘ダw維或玻璃纖維材料等;涂層材料主要采用聚氯乙烯和聚四氟乙烯等。

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圖1 膜結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)圖

聚酯纖維覆聚氯乙烯(PVC)

其主要特點是以聚酯纖維織物為基布,雙面涂覆PVC涂層或粘合聚氯乙烯薄膜而成,價格便宜(只有PTFE的20%左右)、容易加工制作、抗折疊性能好、色彩豐富,但是強度低、彈性大、易老化、徐變大、自潔性差,壽命一般在5~7年,主要用于要求比較低的臨時性建筑。

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圖2 游泳館用的藍色PVC膜

玻璃纖維覆聚四氟乙烯(PTFE)(Teflon)

以玻璃纖維基布雙面涂覆PTFE涂層而成,具有強度高、強性模量大、自潔、耐久耐火等性能,但它材料費與加工費高且柔軟性低不易折疊,在施工上為避免玻璃纖維被折斷,須有專用工具與施工技術(shù),對裁剪制作精度要求較高。壽命一般在30年以上,適用于永久建筑。

PVF(聚氟乙烯Polyvinyl Fluoride)和PVDF(聚偏二氟乙烯Polyvinylidene Fluoride)

為改善PVC膜結(jié)構(gòu)材料性能,可在其表面再涂一層氟素系樹脂,提高其抗老化和自潔能力,其壽命可達到15年左右。其中,PVF膜材是在PVC膜的表面處理上以PVF樹脂做薄膜狀薄片(laminate)粘合加工,具有高防沾污、耐久性的優(yōu)點。但因為加工性、施工性與防火性都不佳,所以使用用途受到限制。目前,用量較大的是PVDF膜結(jié)構(gòu)材料,其基本上達到了難燃水平。

乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)膜材

ETFE是一種透明膜材,透光率高達95%,以塑料流延法加工而成,被稱為“塑料王”,其特有抗粘著表面使其具有高抗污,易清洗的特點,常做成氣墊應(yīng)用于膜結(jié)構(gòu)中,是透明建筑結(jié)構(gòu)中品質(zhì)優(yōu)越的替代材料,多年來在工程應(yīng)用中以其眾多優(yōu)點被證明為可信賴且經(jīng)濟實用的屋頂材料。ETFE膜使用壽命為25-35年,是用于永久性多層可移動屋頂結(jié)構(gòu)的理想材料。但是,該材料價格昂貴,安裝要求高、難度大,多用于跨距≤3米的兩層或三層充氣支撐結(jié)構(gòu)或小跨度的單層結(jié)構(gòu)。另外,該材料不阻擋紫外線等光的透射,在實際應(yīng)用中通過表面印刷,進一步降低透明度到50%。如用于國家游泳中心-“水立方”的ETFE流延膜作為氣枕的含氟材料膜材。

膜結(jié)構(gòu)優(yōu)點

強度高、自重輕、大跨度

在建造大型公共建筑時,具有較好的性能價格比。采用膜結(jié)構(gòu)要比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕一個或幾個數(shù)量級,且單位面積的結(jié)構(gòu)自重與造價也不會隨跨度的增加而明顯地增加。

透光阻燃、經(jīng)久自潔、使用安全可靠、減少能源消耗

膜材料一般都是阻燃材料,也不易造成火災(zāi)。且膜材料自身透光性較好,透光率在8~12%,可充分利用自然光,白天室內(nèi)不需人工照明,完全能滿足各種體育比賽等活動需要;膜材料對光的折射率在70%以上,在日光照射下,室內(nèi)形成柔和的散光,給人以舒適、夢幻般的感受;由于膜結(jié)構(gòu)屬柔性結(jié)構(gòu)、自重輕,能夠忍受很大的位移,抗震性能比較好。

構(gòu)建時間縮短、施工速度快

由于膜材的裁剪制作、鋼索及鋼結(jié)構(gòu)等制作均在工廠內(nèi)完成,可與下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件等同時進行,在施工現(xiàn)場只是鋼索、鋼結(jié)構(gòu)及膜片的連接安裝定位及張拉的過程,故在現(xiàn)場的施工安裝比較簡明、迅速快捷,較傳統(tǒng)式建筑簡易之程序使得構(gòu)建時間大幅縮短。

造型優(yōu)美多樣、景觀效應(yīng)好、富有時代氣息

膜結(jié)構(gòu)屬于柔性材料,突破了傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)形式,可形成各種自由空間曲面、不重復(fù)、多變化。新穎別致的膜建筑造型既突顯個性與華麗,又能適時適地融合周邊景致,相得益彰。且色彩豐富,在燈光的配合下易形成秀麗夜景,給人以現(xiàn)代美的享受。又由于其技術(shù)上的先進性,膜結(jié)構(gòu)被譽為現(xiàn)代高科技建筑,是2l世紀的建筑。

造價低、經(jīng)濟效益明顯

膜結(jié)構(gòu)建筑項目一次投資稍低,日常維護費用較小,經(jīng)濟效果非常明顯。此類結(jié)構(gòu)若用于超大跨度建筑中,則有更為突出的價格優(yōu)勢。膜結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟優(yōu)勢是與空間跨度和技術(shù)難度成正比的。

使用范圍廣、可拆卸、易運輸

從氣候條件看,它適用于廣闊的地域;從規(guī)模上看,可以小到花園小品,大到覆蓋幾萬、幾十萬平方米的建筑。膜結(jié)構(gòu),可用作巡回演出、展覽等,其拆卸和安裝所需時間短。

膜材上述特性賦予膜結(jié)構(gòu)建筑外觀雅致飄逸,空間開闊靈透、結(jié)構(gòu)輕盈、透光阻燃、經(jīng)久自潔、安裝快、節(jié)能降耗、造價適中、維修便捷。由于膜材造型運用很靈活,尤其使大跨距的建筑,特別能突顯設(shè)計者的創(chuàng)意及設(shè)計要求。在奧運會、世博會等大型建設(shè)工程中,已經(jīng)大顯身手。

膜結(jié)構(gòu)材料在我國的應(yīng)用

膜結(jié)構(gòu)材料起源于歐美,在多個方面和領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。最適合用于體育場、劇場、飛機場和車站候車室、展覽館、倉庫等建筑。上世紀70年代以來,已用于體育場、展覽中心等場所,如德國斯德加特體育場、美國丹佛國際機場等。我國在1995年首次得到應(yīng)用,2000年膜結(jié)構(gòu)材料使用量就達10萬m2,在上海八萬人體育場(圖3)、青島頤中體育場、深圳步行街、順義空氣膜游泳館,以及杭州市游泳館、嘉興市體育館、義烏市體育館等都應(yīng)用了高性能膜材料。

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圖3 上海八萬人的體育場

因為,2008年北京舉辦奧運會有35個體育場館和幾十個臨時性建筑需要建設(shè),2005、2006年使用量超過30和40萬噸,最引人矚目的2008年北京奧運會主體育場-鳥巢(圖4)大跨度頂層和國家游泳中心-水立方(圖5)中主體幕墻工程(氣枕)都采用高性能的膜結(jié)構(gòu)材料,僅這兩個大型工程膜材用量達約32萬m2。目前每年都有十多個大型建筑采用這種結(jié)構(gòu),需高性能膜結(jié)構(gòu)材料;另外,2010年上海世博會也有一批場館需要建設(shè)。據(jù)估計,我國今后膜結(jié)構(gòu)材料將仍保持15~20%的快速增長。

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圖4 國家體育場 - 鳥巢大跨度頂層

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圖5 國家游泳中心 - 水立方氣枕膜材料

國外膜結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)最初是在德國發(fā)展起來的,其基本特點、力學(xué)特性、設(shè)計方法和作為結(jié)構(gòu)體系的潛力也是在德國得到研究。1967年德國設(shè)計,并采用膜結(jié)構(gòu)材料建設(shè)的蒙特利爾的萬國博覽會德國館,在建筑史上具有廣泛的國際影響。膜結(jié)構(gòu)如今已成為現(xiàn)代建筑的有機組成部分,世界各地建造了許多設(shè)計精良的膜結(jié)構(gòu)。

自2002年起,我國先后通過引進發(fā)達國家的先進技術(shù)和裝備開始PVC膜結(jié)構(gòu)材料、PTFE膜結(jié)構(gòu)材料和PVDF的研發(fā)和生產(chǎn)。但是,由于應(yīng)用時間短、技術(shù)水平低、裝備限制大、生產(chǎn)效率低,在產(chǎn)品物理性能(如自潔性能、使用壽命)和力學(xué)性能(如拉伸強度、抗撕裂性能)等方面與國外產(chǎn)品有較大的差距,已經(jīng)成為目前膜材料行業(yè)產(chǎn)品提升和拓寬應(yīng)用過程中急需解決的關(guān)鍵課題。目前,每年所需高性能膜結(jié)構(gòu)材料40多萬噸(合4億m2)中仍有90%依賴進口。

膜結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展

1961年,AIA雜志發(fā)表了“Tent”的文章,向人們揭示了膜結(jié)構(gòu)的重要性,從建筑的角度研究并發(fā)展了現(xiàn)代的膜結(jié)構(gòu),引起了全世界的關(guān)注,代表著現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)的起點,其技術(shù)和思想反映在蒙特利爾1967年萬國博覽會上,是膜結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程上劃時代的一筆。

1970年在日本大阪舉行的萬國博覽會上,許多日本建筑師開始用膜新材料來創(chuàng)造新的獨特空間,為發(fā)掘膜結(jié)構(gòu)的潛力提供了極好的機會。該博覽會美國館采用低矢跨比(比較平坦)的充氣膜結(jié)構(gòu),是充氣膜結(jié)構(gòu)發(fā)展歷史上的里程碑。

20世紀70年代,Geiger Berger公司發(fā)展了充氣膜。隨之而來的是PTFE涂層的玻璃纖維膜成為新型膜材,在美國出現(xiàn)了許多巨型的膜結(jié)構(gòu),如1975年在美國Pontiac城建成擁有80000個席位的Silver穹頂。這些大跨度建筑表明了膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,即大空間不再是黑暗而且有壓迫感的,這些穹頂還能經(jīng)濟地跨越大空間。

因為充氣膜要克服諸如經(jīng)常性地發(fā)生結(jié)構(gòu)事故、持續(xù)充氣帶來的高成本、控制氣壓的復(fù)雜性、空間封閉性等問題,人們開始探索新的膜結(jié)構(gòu)形式。在北美洲,膜結(jié)構(gòu)作為永久性建筑開發(fā)了新的功能。例如1980年的佛羅里達大學(xué)Stephen C. 0 Connel中心,1984年的Lindsay公園體育中心,1989年的San Diego解放中心,1990年的Chene公園露天劇場等,均是完美外形與創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的結(jié)合。

80年代末期,美國人B. Fuller提出了張拉整體穹頂?shù)脑O(shè)想,并最早引入這種新的結(jié)構(gòu)形式來覆蓋大空間,人們開始用這種索-桿組合膜結(jié)構(gòu)代替早期的充氣穹頂。1986年圣奧林匹克國家體育中心的體操館和擊劍館是由Geiger公司設(shè)計的。1988年Weidlinger公司設(shè)計了Ilinois州立大學(xué)Redbird體育場、1989年的Thunder穹頂、1992年的佐治亞穹頂,這些建筑都采用了張拉整體結(jié)構(gòu)體系。

80年代,許多著名的建筑師開始在歐洲國家設(shè)計膜結(jié)構(gòu)并改進了設(shè)計標準,其工程則別具一格,更為獨特。1985年Schlumberger大學(xué)是歐洲第一個擁有膜結(jié)構(gòu)的研究中心,采用索-膜的組合結(jié)構(gòu)。足球場上跨越觀眾席的傳統(tǒng)屋頂,容易使下面的空間變暗,而在歐洲建造的膜結(jié)構(gòu)卻不會如此。1990年羅馬奧林匹克體育場的膜結(jié)構(gòu)從受壓環(huán)的空間框架上懸掛下來,既輕盈又美觀,成為跨越觀眾席的屋頂最常用的模型,比其他結(jié)構(gòu)取得了更大的合理性和經(jīng)濟性。

如今膜結(jié)構(gòu)建筑已開始在全世界普及。日本和韓國共同舉辦的2002年世界杯足球賽的場館中,日本國賽場10個體育場中有6個采用膜結(jié)構(gòu)(新瀉體育館、鹿島體育館等),韓國賽場10個體育場中有5個采用膜結(jié)構(gòu)(漢城體育館、大邱體育館等),沙特阿拉伯吉大機場候機大廳的懸掛膜結(jié)構(gòu)占地達42萬m2,至今仍是世界上面積最大的膜結(jié)構(gòu)建筑物。

從國內(nèi)外的實踐經(jīng)驗來看,膜結(jié)構(gòu)具有強大的生命力,已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計選型中的一個主要方案。

膜結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展

歐美、日本早期的膜結(jié)構(gòu)主要采用PVC涂層的聚酯纖維膜,該膜材料具有強度較高、抗撕裂性能較好,能夠滿足早期膜結(jié)構(gòu)建筑的需要,但是該材料存在著自潔性能差、不耐紫外線、使用壽命短以及在惡劣氣候條件下存在發(fā)生事故的可能。后來大跨度膜結(jié)構(gòu)建筑的建設(shè),強度高、自結(jié)性能好的PTFE涂層玻璃纖維膜得到了更廣泛的應(yīng)用。上世紀90年代又研發(fā)成功PVF和PVDF膜結(jié)構(gòu),并且在工程中得到應(yīng)用。

膜結(jié)構(gòu)的著名生產(chǎn)企業(yè)主要集中在美國、日本和德國等少數(shù)幾個發(fā)達國家。PVC膜以及PVF膜、PVDF膜主要由法國(Ferrari公司)、德國(Mehler(米樂)公司、Durakin公司)、美國(Seamen公司)和韓國(秀博公司)生產(chǎn);PTFE膜主要由日本太陽工業(yè)株式會社、日本旭硝子株式會社等生產(chǎn);另外,ETFE膜只有日本旭硝子株式會社等三家企業(yè)生產(chǎn),由于價格昂貴、施工要求高,只用于特定的運動場館建設(shè)。

國內(nèi)膜結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)膜結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展

我國膜結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展相對較晚,從1995年開始,只建造了一個面積為3300m2的膜結(jié)構(gòu),1997年前國內(nèi)只有少量小型和中型的膜結(jié)構(gòu)建筑;1997年上海舉辦第八屆全運會,其主體育場的看臺挑篷采用膜結(jié)構(gòu),挑篷面積達到3.6萬m2,可同時容納8萬名觀眾。這是我國第一次在大型體育場館采用膜結(jié)構(gòu)建筑的屋頂,為我國采用膜結(jié)構(gòu)建筑掀開了新的一頁,對我國膜結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展具有重大的影響。上海體育場采用玻纖PTFE膜材料,全部系進口產(chǎn)品。

從1997年至2001年,五年內(nèi)建造的膜結(jié)構(gòu)達37萬噸;2003年建造的膜結(jié)構(gòu)約18萬噸;2005年、2006年建造的膜結(jié)構(gòu)分別超過33和40萬噸。預(yù)測我國的膜結(jié)構(gòu)將繼續(xù)以每年15~20%速度增長,2010年將達到60萬噸。隨著我國經(jīng)濟增長和文化生活的不斷豐富,將建造更多的具有新穎功能、形式多樣的建筑。 2010年的世界博覽會將在上海舉行,各種類型的展覽館建設(shè)以及全國各地大小不等的膜結(jié)構(gòu)建筑必定將隨著膜結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用越來越廣。建筑上膜結(jié)構(gòu)材料具有強大的生命力,必將是21世紀建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的主流,市場前景將十分廣闊。

國內(nèi)膜結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展

自1995年膜結(jié)構(gòu)材料在國內(nèi)應(yīng)用以來,高性能膜材料主要依賴進口。同時,我國相關(guān)企業(yè)、高校等抓緊開展膜結(jié)構(gòu)材料基材、涂層加工技術(shù),涂料及應(yīng)用性能的研究,通過引進技術(shù)和裝備,我國部分企業(yè)已經(jīng)能夠生產(chǎn)PVC膜材、PVDF膜材和PTFE膜材。寧波天塔集團在國內(nèi)首家開發(fā)出PTFE玻纖膜材,由于所用的6m玻璃纖維比國外所用的3m玻璃纖維要粗,最終產(chǎn)品的性能與國外相比有較大的差異;2002年上海申達科寶有限公司全套引進德國Mehler(米樂)公司PVC+PVDF粘貼膜技術(shù)和德國KKA公司的全套熱熔生產(chǎn)線裝備生產(chǎn)PVDF膜結(jié)構(gòu)材料,該膜結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

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圖6 深圳某中學(xué)體育場看臺膜結(jié)構(gòu)

但是,國內(nèi)膜結(jié)構(gòu)材料因物理性能欠佳,或因力學(xué)性能不足,尚難以滿足國內(nèi)大型工程和膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。目前,國內(nèi)90%的膜結(jié)構(gòu)工程采用進口膜材料,如2008北京奧運會國家體育館-鳥巢、國家游泳館-水立方全部采用德國FORTEX公司和日本旭硝子株式會社的高性能膜材,僅這兩個場館的膜結(jié)構(gòu)材料就達到32萬m2。

膜結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用前景

膜結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中最新發(fā)展起來的一種形式,以性能優(yōu)良的織物為基材,利用柔性鋼索或剛性支撐結(jié)構(gòu)將面繃緊,從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結(jié)構(gòu)體系。膜材的最大特點是強度高、耐久性好、防火難燃、自潔性好,不受紫外線影響,使用壽命在15~25年,具有高透光率,對熱能反射率73%,熱吸收量很少。這種獨特的結(jié)構(gòu)有著無限的潛力,能適應(yīng)各種功能,具有強大的生命力,必將成為21世紀建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的主流。( 

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