随着现代建筑业的发展和建筑技术的不断进步, 人们对建筑物的要求, 在追求设计风格和建筑效果的同时, 更多的强调建筑的功能、建筑的物理性能以及节能和环保, 而公共类建筑对大跨度空间的需求越来越高, 人们在不断地探索适应这种需求的建筑技术和新型材料, ETFE气枕因而应运而生。

由于ETFE膜的透光性特别好, 号称“软玻璃”, 质量轻, 韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂, 耐候性和耐化学腐蚀性强, 熔融温度高达200℃;可有效地利用自然光和紫外线, 节约能源;具有良好的声学性能和自清洁功能。用于建筑上的ETFE气枕膜结构, 可100%回收再利用, 低碳节能, 绿色环保, 所以ETFE膜建筑外围护结构 (屋面和幕墙) 将是新时代绿色建筑的载体 (图1) 。

ETFE为乙烯-四氟乙烯, 它本身具有很好的化学稳定性, 不需要其他任何的面层保护, 厚度通常为50~250μm, 幅宽最大2 350 mm, 是一种透明膜材。ETFE膜材具有以下特性 (表1) :

1) 优越的使用性能和加工性能:ETFE膜材不仅具有优良的抗冲击性、耐磨性、绝缘性、热稳定性和耐化学腐蚀性, 而且力学强度高, 加工性能好。

2) 密度约为1.75 g/cm3, 比玻璃密度小很多。

3) 通常为无色透明, 也可白色、蓝色或其他颜色, 根据需要还可在无色透明或其他颜色的膜材上印刷各种图案。

4) 韧性好、抗拉强度高, 根据厚度不同, 抗拉强度为35~60 MPa, 不易被撕裂, 破断伸长率可达300%。

5) 耐候性强, 熔融温度高达200℃;适应-200~150℃的温度环境, 在恶劣气候条件下20年, 其力学和光学性能都不会改变。

6) ETFE膜材拥有从紫外线到红外线的高性能透光性, 可有效利用自然光, 低碳节能。

7) ETFE膜材表面非常光滑, 具有极佳的自洁性能, 在用ETFE膜材建造的膜结构上, 少量灰尘和污渍会随雨水冲刷而除去, 清洁周期大约为5年。

8) 绿色环保:ETFE膜材性能稳定, 耐老化性强, 而且余料可以被热熔成颗粒状并重新聚合, 进而制成ETFE膜材, 循环再利用可以达到或接近100%。

9) 优良的防火性能:ETFE膜达到B1级防火等级 (DIN 4102) , 燃烧时也不会滴落。

10) 具有较强的抗冲击性和韧性, 在多雹地区, 即使玻璃被砸碎了, 而膜材上也仅留下小小的凹痕。

11) ETFE膜可预制成薄膜气枕, 不但提高幕墙的保温性能, 而且方便施工和维修。

但ETFE膜也有不足之处, 遇尖锐物容易致损, 不过用专用胶带修补极其方便。

建筑外围护结构 (屋面、幕墙) 中的膜结构, 根据结构系统的形式可分为如下3类:骨架式膜结构、张拉索膜结构、充气膜结构;而根据支撑形式, 还可以细分, 见图2。

1) 骨架式膜结构:骨架式膜结构是钢或其他材料构成的刚性骨架, 具有自然稳定性、完整性, 膜张拉并置于骨架上构成骨架式膜结构, 形态有平面形, 单曲面形, 和以鞍形为代表的双曲线形 (图3) 。

骨架式膜结构的显著特点在于:膜不是维持结构体系存在的必要结构单元, 但膜又不仅仅是单纯地用来覆盖屋面体系, 而是充分发挥了其建筑采光功能、高强度受力特性。虽然预张力对骨架式膜结构形态的影响不及张拉膜, 但必须引入足够大的张力, 才能保证结构受力特性, 避免在风荷载作用下膜面发生较大震动, 导致松弛使膜面凹陷。骨架一般暴露于膜内侧, 且膜的透光性更加突显骨架的室内视觉效果, 因此, 骨架的布置、形式、材料、节点等是设计考虑的重点, 应力求简洁、美观 (图4) 。

骨架式膜结构采用的是单层膜结构, 靠膜材经过张拉面产生的内部应力来抵御外部荷载, 膜材可以是ETFE膜, 也可以是PVC或PTFE膜。

ETFE张拉膜一般不采用在其周边设置钢索并通过钢索使膜张紧的形式, 而是把单层ETFE膜切割制成所需的形状, 并在其周边设置边绳, 用专用的铝合金夹具夹持住, 通过在周边的夹具上施加拉力, 使膜材充分张紧, 靠膜材内部的预应力来抵御外部荷载。

由于ETFE膜抗拉强度较低, 不能施加过大的预紧力, 抵御外部荷载的能力也就较差, 因而一般不采用过大规格的膜单元。特殊情况下必须采用较大的规格时, 膜结构单元一般采取中部加强的方式, 用钢梁或钢索将其分割成若干个较小的单元。在相同荷载条件下, 不采用其他的加强措施, ETFE膜材采用充气形式可做成较大面积的气枕, 有的甚至达上百m2;而采用张拉形式, 由于膜材的抗拉强度比PTFE膜材要低, 因而施加的预应力不能过大, 承受外部荷载的能力有限, 其单块面积也会受到一定的限制。

在国外, ETFE张拉膜的工程百富策略白菜网很多, 但规模都不大, 而在我国百富策略白菜网的典型案例就是国家体育场———“鸟巢”。当时有的膜单元面积达到100多m2, 而建筑师又不希望在主钢结构中间划分出若干个小格子, 影响外视效果, 因而需要对膜结构加强。经过研究和反复试验, 创造性地在膜背面加设了钢梁和钢索, 并采用特殊的技术将不锈钢索与ETFE膜材复合在一起, 共同承受外部正负方向的风荷载和雪荷载, 不锈钢索固定在与其垂直交叉的钢梁上, 钢梁和钢索都隐藏在膜的后面, 外观不可见, 实现了预期的外视效果。

由于ETFE膜材的热膨胀率较高, 采用张拉形式, 在气温较高时可能会产生预应力损失, 造成松弛, 而且温度作用还可能使膜材产生局部蠕变现象, 这些因素都会影响到ETFE张拉膜结构的外观效果和承载能力。对此问题较好的解决方案是在膜单元的周边夹具上, 采取可调节预应力的方式, 在出现松弛时, 及时调整, 使膜材始终保持张紧状态。一般来说, ETFE膜材如果采用张拉形式, 其百富策略白菜网范围受到一定的限制, 因而更多的采用充气形式, 即便是开敞式的没有保温要求的建筑也是如此。

2) 张拉索膜结构:建筑中使用的膜结构, 主要为张拉式索膜结构系统, 顾名思义, 张拉索膜结构是通过张拉使膜的内部产生一定的预应力, 以抵御外界的风荷载和其他荷载, 同时使膜变形成为所需的形状 (图5) 。

张拉膜是依靠膜材自身的张拉力和特殊的几何形状而构成的稳定的承力体系。膜只能承受拉力而不能受压和弯曲, 其曲面稳定性是依靠互反向的曲率来维持, 因此需制作成凹凸的空间曲面, 故习惯上又称空间膜结构。张拉膜结构通常是沿着膜的边缘布设钢索, 在钢索上施加拉力, 钢索带动膜张紧、成型, 并产生足够的预应力, 因而称其是张拉式索膜结构。如果膜的面积过大, 膜自身无法承受预期的荷载, 则可在膜的中间增设加强钢索, 以提高其抗风载能力。张拉式索膜结构可以根据需要制成任意复杂曲面形状, 体现自然流畅之美;并有多种颜色的膜材可选, 以适应周边的环境、满足建筑效果要求;而且膜结构质量轻, 一般不需要太庞大的支撑结构, 这是其他建筑材料无法比拟的优势所在。

张拉式索膜结构通常采用织物纤维膜材, 20世纪80年代和90年代初期我国采用的都是PVC膜材, 这种膜材由于使用寿命短, 抗老化性和自洁性能较差等, 20世纪90年代逐步被PTFE膜材所替代。

张拉式索膜结构一般用在开敞式的建筑上, 如体育场、火车站等, 主要用来遮风挡雨、挡阳光, 不具有保温性能, 一般也不用于有保温要求的封闭式建筑。

3) 充气膜结构:充气膜结构是在ETFE膜材料技术基础上产生的, 是将两层或多层膜通过热熔焊接复合到一起, 形成封闭的袋子 (气枕) , 其周边夹持在铝合金或其他材料制成的边框内, 边框固定于建筑的主体结构上。在气枕内, 通过预留的阀口, 充入经过过滤及除湿处理的清洁干燥的空气, 就制成充气式膜结构系统。这种充气形式, 百富策略白菜网于建筑的外围护结构较为普遍。

ETFE充气膜结构是靠膜材自身的强度和气枕的内压, 来共同承担外部荷载的。虽然ETFE膜材的抗拉强度有限, 但气枕的内压可以根据需要适当调整和平衡, 同时靠内压的调整也可以平衡解决安装时温度高低引起的松弛问题。气枕具有较强的承载能力, 并在保温、隔声、防火、自洁、光性能、绿色环保等方面都凸显优势, 因而被大量的用于现代建筑上, 尤其是作为大跨度空间建筑的维护结构。

为了提高ETFE充气膜的保温效果, 膜的层数可由二层提高到三、四层 (图6) 。考虑建筑的使用功能, 应合理控制膜材的透光率, 可采用带颜色或印刷镀点和图案的措施。充气控制系统亦可智能化控制。

北京某工程一期外围护工程设计方案中的屋面围护结构, 采用新型钢膜结构体系, 由钢网架单元和ETFE (乙烯-四氟乙烯共聚物) 充气薄膜共同组成。该工程土建结构复杂多样, 因此ETFE膜系统的安装将需要我公司与合作方逐项攻关, 切实可行地解决施工中可能遇到的各种技术问题 (图7) 。

1) 保温防水:ETFE屋面装配系统的次龙骨, 采用“天沟+防水保温层”形式。ETFE膜夹具勾挂在钢天沟边沿, 钢天沟作为主要受力构件, 自攻自钻钉起到固定作用, 使该部位的受力更加合理。连接处采用特定复合胶条, 使雨水不能渗漏到室内。同时, 自攻自钻钉尖部暴露于室外, 即使自攻自钻钉孔处漏水, 水滴最终仍会流到室外。天沟内采用优质防水及保温材料使屋面更好地发挥其防水功能。

2) 吸声降噪:该工程作为大型公共建筑, 对吸声降噪及室内混响, 特别是雨噪音降噪的要求比较高。ETFE气枕单元为多层薄膜结构, 能够有效隔绝室外噪音。

3) 安装:ETFE膜结构屋面采用特定的铝合金夹条固定。为便于安装, 我们在铝合金夹条上设计出特殊的安装用槽口, 同时针对ETFE膜夹具的形式, 设计制作了不同的专用安装工具。

具体的施工流程为:钢框安装→天沟安装→铝垫框安装→ETFE薄膜初装→预充气→调整除皱→紧固夹紧→充气。表面上的每一个气枕安装完成后, 应对其进行充气, 防止外力作用划伤气枕。在安装中采用施工网和可移动脚手架进行施工, 这样将会大大缩短安装时间, 提高现场安装效率。

4) 其他难题的解决方法:作为大型公共建筑的采光屋面, 为保证极少量空腔内的冷凝水从立面上方开始汇流, 最终落于最下面一排铝合金夹具底座上。我司设计、计划、结构、生产、工艺等多个部门通力协作, 开发出特制的夹具底座, 两侧翼即可作为胶条的安装部位, 又可以形成一个小结露槽。在所有铝合金夹具底座连接部位均焊接及密封的情况下, 冷凝水从立面上方开始汇流, 最终落于最下面一排铝合金夹具底座上。在最下面一排铝合金夹具底座上开腰形孔, 将冷凝水排到室外。

ETFE张拉膜一般不采用在其周边设置钢索并通过钢索使膜张紧的形式, 而是把单层ETFE膜切割制成所需的形状, 并在其周边设置边绳, 再用专用的铝合金夹具夹持住。通过在周边的夹具上施加拉力, 使膜材充分张紧, 并靠膜材内部的预应力来抵御外部荷载, 如图8所示为膜结构典型节点, 图9所示为“鸟巢”膜结构节点。

1) ETFE充气膜结构日常维护和保养应注意的方面:系统的运营管理;充气系统和自动控制系统的日常运行管理和检查、充气单元进气口过滤网的检查与更换、充气管道的密封情况、充气单元中空气湿度控制系统运行情况;各种传感器、控制器的工作状态;气枕的运营管理、破损和褶皱、边绳与夹具的夹持情况、内压不足矢高变小;密封和渗漏水情况等。

出现上述异常时应及时采取措施, 分析找出原因, 并进行维护和更换。

2) 气枕破损的修复:对于较小的空洞 (直径小于30 mm) 或长条划口, 可用ETFE膜材制成的专用胶带修复 (要在把空气放掉的情况下修复) 。

3) 清洗:屋面可上人站在天沟位置, 用高压水冲洗或人工清洗;立面采用高压水冲洗或人工清洗;室内只能考虑人工清洗。立面和室内人工清洗, 可考虑采用蜘蛛人和高空作业车。

近年来, 我国建筑市场对索膜建筑技术的需求明显有大幅度增长的趋势, 国外各大著名索膜技术专业公司纷纷登陆我国, 刺激了我国索膜建筑事业的发展。随着现代科技的进一步发展, 使人类面临着保护自然环境的使命, 因此, 天然材料和传统的古老建筑材料必将被轻而薄、且保温隔热性能良好的高强轻质材料所取代。索膜建筑技术在这项变革中将扮演重要角色, 其在建筑领域内更广泛的百富策略白菜网是可以预见的。

建筑形体艺术塑造自由、多变的支撑结构和柔性膜材, 使建筑物造型更加多样化, 且色彩丰富, 可创造更自由的建筑形体和更丰富的建筑形式。由于自重轻, 索膜建筑可以不需要内部支撑而大跨度的覆盖空间, 克服传统结构在大跨度 (无支撑) 建筑上实现所遇到的困难, 这使得人们可以更灵活、更有创意地设计及运用更大跨度的建筑空间。

膜结构是随着现代科学技术发展起来的全新建筑技术表现形式, 是材料科学、建筑学、结构力学以及现代环境学高速发展的综合产物, 其百富策略白菜网将获得长足的进步。