膜结构的历史可以追溯到远古时代用树木做成支架, 再把树皮或兽皮固定在支架上而形成的帐篷[1]。现代膜结构被大规模百富策略白菜网于建筑上是从1970年大阪万国博览会开始, 其标志性建筑———美国馆和富士馆因采用了膜结构引起了世界的关注, 从此, 膜结构得到了迅猛的发展[2]。当时, 据专家估计, 1970~1996年世界上大约建造了150座大型膜结构建筑。今天的建筑膜结构因具有造型新颖美观, 自重轻, 跨度大, 抗震性强, 施工便利, 可充分利用自然光等特点广泛百富策略白菜网于各类大跨度建筑, 被称为“21世纪的绿色建筑”。基于这些优点, 与结构相结合的建筑膜材也脱颖而出, 它们重量轻、强度高、防火阻燃、防污自洁、透光、安全、寿命长, 是膜结构中的关键材料。如今, 膜材正逐渐向功能化、智能化发展。

建筑膜结构是指积极地利用膜状材料, 并在结构及建筑设计上能充分体现膜结构特点的结构形式, 它是膜材和建筑结构完美的结合体。膜结构从构造和受力特点上可分为骨架式结构、张拉式结构、充气式结构3种形式[3]。

大部分以钢材搭建的建筑骨架, 把膜材固定在上面, 下部支撑结构稳定性高, 膜面对骨架起维护覆盖作用。这种结构屋顶造型单纯, 设计简单, 施工水平要求较低, 经济效益高, 适用于大型牢固且成本要求低的建筑。

以膜材、钢索及支柱构成, 通过钢索与支柱给膜施加一定的预张应力来维持建筑形状的结构。这种结构设计比较复杂, 施工精度要求高, 造价较高。它不仅可实现创意、创新且美观的艺术造型, 也是最能展现膜结构精神的构造形式。还具有大面积采光的特点, 特别适用于标志性建筑或高档建筑。

将膜材固定于屋顶结构周边, 利用送风系统向室内充气, 使气压大于室外大气压来维持建筑形状。充气式膜结构有单层和双层之分, 单层膜结构利用气压支撑, 钢索作为辅助材料, 无需任何梁柱支撑, 可获得更大的空间, 但需送风机维持24 h送风, 能源消耗和维护费用较高;双层膜结构是由双层膜中间充上高压气体, 利用气体压力来支撑膜面, 使其具有一定形状和刚度。这种结构可通过气压调节来调节光线, 便于安装, 施工快捷, 适用于体育场馆等大型建筑。

现代膜结构的发展离不开新型膜材的出现, 膜材主要是伴随着现代精细化工科技的进步而不断得到发展。目前的主流建筑膜材也被称为“涂层织物 (coated fabrics) ”, 这是因为先期用于膜结构的主流材料都是在纤维织物上添加聚合物涂层而成。按照日本“天蓬式建筑物技术基准”可分为A、B、C三类[4]。分类的依据主要是防火性能, 其中A类最好, 以玻璃纤维织物涂PTFE (聚四氟乙烯) 而成;B类次之, 以玻璃纤维织物涂PVC (聚氯乙烯) 而成;C类最次, 以聚酯 (涤纶) 织物涂PVC而成。

PTFE建筑膜材是在超细玻璃纤维织物 (纤维直径3.8μm左右) 上涂覆PTFE (聚四氟乙烯树脂) 而成的材料, 即A类膜。这种膜材是由美国Du Pont (杜邦) 公司和Dow Corning (道康宁) 公司首先开发出来。玻璃纤维和PTFE的结合不仅保留了玻璃纤维原有的高模量、高强度, 紫外线下不易降解, 不燃等优点, 涂层的覆盖还降低了玻璃纤维的脆性, 使其力学性能受环境影响大大减小, 并且由于PTFE树脂是惰性材料, 表面张力极小, 赋予了该材料不易老化、可自清洁的优异特性。这种膜材能让光线均匀分散, 造成柔和的漫射采光而不产生阴影, 透光率可达15%, 对太阳光的反射率达70%以上, 可减少热量的传递, 节能又环保;它具有较好的焊接性能, 焊缝强度比织物本身强度更高;使用寿命可达25~30年, 是最理想的永久性建筑膜材。此种膜材柔韧性较差, 在施工中为避免玻璃纤维被折断, 须有专用的工具和施工技术, 因此材料费和加工费都比较高。但也因为其品质卓越, 是目前获用最多的膜材。

早期的建筑膜材以PVC (聚氯乙烯) 为表面涂层, 聚酯纤维为基布的膜材为主, 现在被称为C类膜。上世纪60年代随着玻璃纤维织物技术的发展, 出现了以玻璃纤维织物为基材, PVC涂层的B类膜。以PVC为涂层材料的膜材的优点是色彩丰富、柔韧性好、易安装施工、价格低廉, 但在尺寸稳定性、耐老化性、自洁性、阻燃性等方面都不够理想。这种涂层织物的性能很大程度上取决于涂层材料阻隔紫外线的性能, 为此通常在涂层时, 要求在织物经纬线交织点上的涂层厚度不能小于0.2 mm, 以确保交织点全部覆盖住[5]。同时由于在紫外光辐射的影响下, 随着PVC中增塑剂向表面迁移, 膜面性能变得不稳定, 致使膜面逐渐被玷污而变色, 透光性下降, 同时膜材的断裂强度和撕裂强度都有较大的损失, 使用年限一般为5~8年, 这是该材料一个致命的问题。因此该产品一般不直接作为膜材使用。

为了改进PVC膜材的性能, 通常对其进行面层处理, 即在涂层表面再涂覆一层耐候性好的保护层, 一般涂3~4遍, 其中在PVC上面涂一层PVDF (聚偏二氟乙烯) 进行保护是一种比较成功的方法。PVDF是一种高结晶度的含氟聚合物, 独特的分子结构赋予它优良的抗紫外线、光、热老化性能和一定的防污自洁性能[6]。这种膜材可以将热能反射掉70%, 膜面变色较少, 自洁性能可与PTFE膜材媲美, 使用年限也提高到10~12年。PVDF可以用溶液直接进行涂覆, 生产加工十分方便。

PVF (聚氟乙烯) 面层贴合是另一种PVC膜材面层常用处理方法, 在美国已流行多年。PVF是氟树脂的一种, 在高温下不溶于任何溶剂, 因此在潜溶剂中形成分散体, 然后在高温下烘烤成膜, 并用专用粘合剂与PVC膜面进行层压, 形成PVF面层建筑膜材。这种膜材不仅解决了PVC膜材易老化的问题, 显著提高了防污自洁性, 但手感略硬, 且加工技术难度比较大, 百富策略白菜网略受到限制。

Ti O2 (二氧化钛) 面层建筑膜材是在PVC膜材的表面涂覆纳米Ti O2, 这种面层处理方法在韩国百富策略白菜网较早, 其原理是Ti O2在紫外光的照射下其氧化还原功能可将有机污染物分解, 同时在膜面生成亲水基, 使膜面具有优异的自洁去污能力, 膜面能始终保持美观整洁。这是近几年开发出来的技术, 具有很大的优越性, 百富策略白菜网面越来越广。

以上这些加面层的PVC膜材耐用性和自清洁性能都大大得到改善, 且具有品质柔软, 易加工的优点, 价格略高于单纯的PVC膜材, 但仍远低于PTFE膜材。在国外永久性建筑一般采用PTFE膜材, 造价较低的临时性或可更换屋顶的建筑采用PVC类膜材。

除了上述两种主要的建筑膜材外, 还有一种膜材是先制造e PTFE (膨化聚四氟乙烯) 薄膜, 然后割裂成众多的扁丝, 并加以捻度纺成纱, 再织成布, 然后在布的两面贴上氟树脂薄膜而成为高性能的e PTFE膜材, 这种膜材全部由氟聚合物组成, 具有最好的防紫外线性能和优异的防污自洁性, 适用于耐久性膜结构。这种膜材透光性特别好, 用于膜结构建筑白天可以不用照明。但由于它的造价太高, 一般的建筑考虑到成本和性能两方面, 很少选用这种膜材。

ETFE (乙烯-四氟乙烯共聚物) 建筑膜材是一种非织物类建筑膜材, 由ETFE生料加工形成的薄膜, 厚度通常为0.05~0.25 mm, 密度约1.75 g/cm3。ETFE膜材不仅具有优良的抗冲击、抗剪切性能, 热稳定性, 耐化学腐蚀性, 防污自洁性, 而且均匀很好, 透光率可高达95%, 号称“软玻璃”;韧性也好, 抗拉强度高, 不易被撕裂, 延展性大于400%[7]。另外, ETFE膜可以在现场预制成薄膜, 施工、维修方便。但由于是以气垫的形式百富策略白菜网于建筑中, 因此需不间断监控和补充气压, 维护费用高, 也容易受外界环境损伤造成漏气。所以一般在大跨度的大型体育馆、游乐场所、候机大厅等建筑中能凸显优势。ETFE膜材的价格介于加面层的PVC膜材与PTFE膜材之间。

几类膜材料的主要性能和参考价格[8]比较见表1。

PVC膜材开发百富策略白菜网得最早, 主要是聚酯纤维为基布PVC为涂层的C类膜材, 但这种膜材因其材料性能缺陷, 现在大多需要进行面层处理。生产这类膜材的企业主要集中在法国Ferrari (法拉利) 技术织物公司、意大利Naizil (耐驰) 公司、美国Seaman公司、德国Mehler Haku (米乐) 公司、Verseidag公司、韩国Super Tex (秀博) 工业公司[9]等。

其中PVC+PVDF膜材由法国Ferrari技术织物公司率先研发成功, 该产品称之为“Fluotor T”;近期该公司又开发了“Fluotor T2”膜材, 其各项性能指标更为突出。德国米乐公司在原有的基础上开发了纳米PVDF涂层 (Valmex?) , 这种膜材的自洁性、抗腐蚀能力和抗菌性更好;又开发了第二代PVDF膜材, 即在PVC上涂一层聚丙烯酸酯作为过渡层 (primer) , 再涂100%的PVDF, 这样不仅解决了PVDF易剥离的问题, 而且可以直接焊接。德国Heytex (海德斯) 公司采用双面涂层PVDF工艺, 并在面层中添加了特殊的改性助剂, 提高了膜材防污自洁性的同时也可以直接焊接。日本太阳工业株式会社、美国圣戈班 (Saint-Gobain) 和韩国秀博 (Super Tex) 的加纳米Ti O2面层的PVC膜材都已经商品化。PVF膜由美国杜邦公司于1961年首次开发出, 并进行商业化生产, 商品名为Tedlar?PVF, 也是目前世界上唯一的PVF膜, 国内在这方面的研究尚属空白。

我国PVC类膜材主要的生产企业有浙江锦达、北京佳泰、浙江星益达和上海申达科宝公司等, 但都是直接从国外购买防污效果好的面层处理剂来处理PVC膜材, 或者直接进口国外加面层的PVC膜材, 具有自主知识产权的面层处理剂还在研发中。

目前有众多的膜材百富策略白菜网于膜结构建筑中, 但仍以玻璃纤维为基布PTFE为涂层的A类膜材用途最为广泛。这种膜材是20世纪70年代初期以美国Do Pont (杜邦) 为主的几家联合开发研制的, 此后永久性建筑膜材正式风行。目前国外对这种膜材的开发和百富策略白菜网比较成熟, 生产厂家也很多, 如美国Chemfab公司、德国Mehler Haku (米乐) 公司、Verseidag (杜肯) 公司、日本Taiyo Kogyo (太阳工业) 株式会社、中兴化成工业株式会社、沙特阿拉伯Obei Kan公司[9]等都生产这种高品质膜材。

其中, 日本中兴化成采用的玻纤织物, 其玻纤细度是目前最小的, 为3μm, 成为玻璃纤维B级纱。越细的玻纤纱, 其单位面积抗拉强度越高, 耐屈曲性越好, 在受反复应力时不易疲劳, 因此用这种纤维加工的膜材更经久耐用。德国Verseidag (杜肯) 公司今年来开发了新型的高透光的PTFE膜材, 其透光率可达50%, 同时具有4 500 N/5 cm的抗拉强度, 可用于需要采光又需要抗荷载的地方, 另外还有吸音膜材、彩色PTFE膜材、Low-e节能膜材等。

PTFE建筑膜材引入我国已有十多年的历史, 经过多年的攻关, 我国已经攻克了生产该产品的重要原料———超细玻璃纤维纱的关键技术, 织造和涂覆技术也有所突破。如宁波天塔聚氟玻璃纤维有限公司经过4年多的努力, 自主研发了PTFE膜材, 并获得国家“863”项目资金的支持。该产品最大幅宽设计为4.2 m, 由于70%的原料都来自于国内, 因此具有价格优势, 投放市场反应良好。另外, 江苏泰兴维维高分子有限公司也能制造这种膜材, 宁波先锋新材料股份有限公司也于2011年投资建设PTFE膜材生产线。但是目前国内生产厂家非常少, 产量也很小, 不能满足膜结构建筑日益增长的需求;同时由于国内关于PTFE膜材的产品关键技术性能和测试方法缺失较多, 没有建立起成熟的技术标准, 导致无法为建筑设计者提供膜材的基本性能参数, 无法进行膜结构设计, 严重影响到我国建筑膜材的百富策略白菜网, 所以目前大部分依然依靠进口。南京玻纤院研究人员正在对玻璃纤维建筑膜材评价体系标准进行研究, 并制定《玻璃纤维建筑膜材料》国家标准, 以规范国内PTFE膜材检测标准, 有望通过此举, 为生产和科研单位提供技术基础, 从而推动PTFE建筑膜材在国内的推广和百富策略白菜网。

ETFE建筑膜材的研发和百富策略白菜网在国外不过20多年的历史, 目前能生产ETFE树脂的公司比较少, 主要有日本旭硝子、德国科威尔等公司, 他们的生产能力位于世界前列。另外日本Daikin工业公司也开发出一种称之为Dubbed Neoflon的ETFE聚合物, 粘附力强, 可用于建筑膜材[10]。Vector Foiltecg公司在ETFE膜材的技术上有多年经验, 一些具有创新的ETFE膜结构建筑都与其有联系。该膜材在我国尚处于实验室阶段, 只有北京塑料研究所等少数研究单位进行过初步的薄膜试制。

e PTFE建筑膜材是由美国Gore (戈尔) 公司开发的, 商品名为GORETMTENARA?, 该公司首次在2003法兰克福产业用纺织品展览会上推出此种建筑膜材, 得到广泛关注。目前此种膜材只有Ⅰ型和Ⅱ型两大类, 国内尚无生产。

另外, 美国欧文斯科宁公司开发了Vestar膜材, 是用有机硅树脂涂覆玻璃纤维布而成, 该膜材具有高的抗拉强度和弹性模量, 良好的透光性, 重量很轻, 只有0.5~2.5 kg/m2, 极易安装。

美国的Birdair公司、卡博特 (Cabot) 公司和Geiger工程公司最近联手研发了一种据称绝热性最好的建筑膜材, 产品名为TensothermTM, 是在Birdair公司的PTFE膜材上添加由卡博特公司研创的气凝胶LumtraTM填充的非织造毡层作为绝热材料而制成, 此膜材透光、绝热、隔音, 且不会因历时和受压后而失去效果或劣化, 是世界上第一款透光和绝热的织物膜材屋面材料。

1981年沙特阿拉伯建成吉达国际机场哈吉航站 (Hajj) , 至今它仍是世界上最大的膜结构建筑, 由210个白色玻璃纤维顶篷搭建而成, 总面积达42万m2, 全部使用PTFE涂覆玻璃纤维织物, 织物面积超过50万m2;膜材的阳光透射率约7%, 投射的阳光有76%被反射, 所以篷内温度明显低于室外, 温度宜人。

1994年, 美国建造了丹佛 (Denver) 国际机场, 候机大厅的屋顶由双层玻纤PTFE膜材构成, 中间间隔600 mm, 以保证大厅内温暖舒适并不受飞机噪声的影响;篷面面积为2万m2, 可透过光线使整个场所都有充足的采光, 该工程被看作寒冷地区大型封闭张拉膜结构的成功范例。

1999年建成的迪拜Chicago海滩酒店, 是中东最高的建筑, 它也使用了200多m高的PTFE膜材来保护旅客不受紫外线照射, 据称这幅硕大的织物是在工作宽度为5.45 m的片梭织机上织成的。

1992年的德国慕尼黑机场远看像一个飘浮的帆船, 由7片巨大的PTFE膜材组成了屋顶的一部分, 高度约40 m, 总面积约8 000 m2。

位于德国波恩的老牌汽车展览馆, 号称是世界上最大的半透明织物膜材天篷建筑, 使用合成橡胶涂层玻璃布膜材构建, 用以保护展览的汽车不受环境影响。

国内膜结构建筑发展的比较晚, 1997年上海八万人体育场是我国首次在大型建筑上采用膜结构, 采用圣戈班的SHEERFILL?膜材, 总覆盖面积36 100 m2;2000年我国第一个自行设计和安装的青岛颐中体育场建成, 是采用整体张拉式索膜结构的工程, 膜覆盖面积30 000 m2。2001年秦皇岛体育馆则是国内第一个采用双层膜材料的工程。

2009年, 温布尔登网球场安装了可伸缩顶棚, 由戈尔 (GORE?) TENARA?材料制成。1000多t重的顶棚能以203.2 mm/s的速度合上, 只需424 s, 这个世界上最著名的网球中心球场就能变成一个室内场馆, 半透明的顶棚, 还有室内明亮的灯光。还有德国裕宝银行大楼也安装了可伸缩阳光顶棚。

2008年北京奥运会场馆“鸟巢” (图1) 和“水立方” (图2) 都采用了ETFE膜材, 是国内首此采用ETFE膜材的膜结构建筑, 膜材均从国外进口。“鸟巢”采用双层膜结构, 外层用ETFE膜材防雨雪防紫外线, 内层用PTFE膜材达到保温、防结露、隔音和光效的目的;“水立方”采用双层ETFE充气膜结构, 共1 437块气枕, 每一块都好像一个“水泡泡”, 气枕可以通过控制充气量的多少, 对遮光度和透光性进行调节, 有效地利用自然光, 节省能源, 且具有良好的保温隔热、消除回声效果, 为运动员和观众提供温馨、安逸的环境。“水立方”是目前世界上规模最大的膜结构工程, 也是唯一一个完全由膜结构来进行的全封闭的大型公共建筑。

2010年上海世博会又一次集中展示了膜材的新技术和新创意。世博轴 (图3) 顶棚采用了SHEERFILL?Ⅰ型膜材, 共69片膜, 最大的膜单片面积达1 780 m2, 展开总面积约77 224 m2, 最大跨度约97 m, 是迄今为止世界规模最大的连续张拉索膜结构。日本馆 (图4) 外墙的超轻膜结构采用了首次面世的“发电膜”技术, 在两层ETFE薄膜构成的气枕里嵌入了非晶体太阳能电池, 从而使外墙能够自主产生能源。德国馆 (图5) 外墙使用1.2万m2的网状膜材, 这种膜的表层织入一种金属性银色材料, 因此对太阳辐射具有极高的反射力, 同时网状结构透气性好, 可防止展馆内热气的积聚, 达到节能效果。挪威馆 (图6) 的屋顶由采用了美国戈尔公司的TE-NARA-4H20HF建筑膜材外加一层中国竹板构成, 这是该类建筑膜材在国内的首次使用, 同时还设计将空调、水、能源供应、照明显示及其技术都整合到第二层里, 体现了很强的设计性。

此外新建的西宁体育馆 (图7) 的屋面使用了圣戈班的SHEERFILL?膜材, 并在膜材顶面涂有圣戈班生产的Ever CleanTM自清洁涂料, 可使建筑膜材表面的污染物分解成无害的气体, 保持其光亮的白色, 这种新式的涂层进一步拉开了SHEERFILL?膜材与其他PTFE膜材的差距。

西安国际会议中心 (图8) 使用了两种圣戈班的膜材。在入口区使用了逾2 000 m2的FABRASOR-B?IA吸声膜, 此膜材是玻璃纤维和聚四氟乙烯的多孔复合膜材, 半透明, 不燃烧, 不仅能减弱声音, 而且用在SHEERFILL?膜材的内衬时能改善屋顶的热性能。另外在入口的屋檐下有逾6 300 m2的SGMTM-9产品, 这是一种网眼膜材, 银色, 可让空气通过, 保持该区域干燥。

美国威斯康星大学麦迪逊校区的室内运动场 (图9) 今年刚换成美国Birdair公司生产的新式绝热TensothermTM屋面膜材 (约41 930平方英尺) 。此膜材可使阳光漫射进入运动场, 提供热阻值为R9的绝热效果, 不刺眼的日光将有助于学生运动员提高效率和成绩。

随着膜结构的发展, 膜材料的技术不断成熟, 毋庸置疑, 其未来市场需求巨大。目前国外企业生产的膜材品种多、技术含量高, 而在国内的发展过程中仍存在一些问题, 如目前国内生产的膜材只有PVC膜材在强度上基本达到国际同类产品, 但自洁、耐火、耐久等性能较差;PTFE膜材品种单一, 产量不大, 技术研究仍需加强。因此我国膜材生产企业在加强建筑膜材的自主研发、产业化和市场化的同时, 应具备前瞻性, 在引进世界一流的生产设备和工艺技术的同时, 加紧消化吸收并不断进行创新研究, 储备新技术, 尽快开发适合中国市场需求的膜材技术, 这对提升中国整个产业用纺织品产品档次和市场竞争力都具有重要意义, 期望在不久的将来国际市场上出现“中国制造”的建筑膜材。