城市中的地铁出入口,既是城市重要的公共交通空间场所,也是城市公共活动空间的重要组成部分,并且它本身所具有的标识性与导向性,也使它与市民活动之间的联系日益紧密。地铁站出入口地面建筑的体量虽小,但其对城市生活质量和城市形象的影响却不容忽视,作为“社会建筑”[1],它是关系人民群众基本生活质量和共同利益的公共建筑,具有公众性、公用性、公益性和非营利性的主要特征。尤其在建筑材料发展日新月异的今天,要做出一个好的地铁出入口建筑方案,就应该有“莫以善小而不为”的态度,注重对新材料、新技术、新工艺的运用。

建筑师理查得·罗杰斯曾说过: “建筑今后将不再靠传统的体量和体积来表现,而是用轻质的结构,加上多层次叠合的透明体作为主要形象”[2]。 ETFE膜材料凭借其透明、轻质的优良特性,近些年来百富策略白菜网较为广泛。国内外许多体育馆、展览馆等大型公共建筑的表皮和屋顶材料因为使用ETFE膜而取得较好的艺术效果,但目前这种新型材料在类似地铁出入口这样的小型建筑中百富策略白菜网较少。本次郑州大学( 南区) 地铁站出入口的设计,尝试性探讨了在地铁出入口地面建筑中,如何利用ETFE膜材料自身的优良特性,并结合轻钢结构与模数化技术创造新的表现形式。

ETFE ( ethylene-tetra-fluoro-ethylene ) 是一种乙 烯-四氟乙烯共聚物,可通过加工得到透明的ETFE薄膜。ETFE膜材是一种典型的非织物类,没有基布,直接由材料成膜,具有透明、轻质的特性,它是继PVC ( polyviny chloride,聚氯乙烯 ) 和PTFE ( polytetrafluoethylene,聚四氟乙烯) 膜材之后百富策略白菜网于建筑结构的新类型膜产品[3]。

在国外,ETFE膜材已经比较广泛地被一些公共建筑和设施所使用,而我国则对采用膜结构建筑的设计和施工起步都相对较晚。如今,在国内PVC膜材已被大量使用,但多百富策略白菜网于公共设施,对PTFE膜材的使用并不多见,而随着“鸟巢”、“水立方”等大型公共建筑对ETFE膜材的使用,ETFE这种新型薄膜建筑材料正逐渐被建筑师和工程师所关注。

ETFE膜结构是一种全新的建筑结构形式,它集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学、计算机技术等为一体,具有很高的技术含量[4]。从结构上可主要分为骨架式膜结构、张拉式膜结构、充气式膜结构3种形式。

骨架式膜结构拥有刚性边界,可由钢材、铝合金或木材构成,膜面固定于边界,形状一般比较规则,具有经济效益高等特点,广泛适用于各种规模空间。张拉式膜结构以膜材、钢索及支柱构成,利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达到安定的形式,结构性能强,其造型具有创意且美观的特征,但对施工精度要求高,则造价略高于骨架式膜结构。 充气式膜结构是将膜材固定于屋顶结构周边,利用送风系统让室内气压上升到一定压力后,使屋顶内外产生压力差,以抵抗外力,无需任何梁、柱支撑, 可得到更大的空间,施工快捷,但需要送风机不间断运转,因此运营及后期维护成本较高。

综合来说,3种结构形式各有优缺点,实际工程可根据需要以及现场情况来选择ETET膜结构的形式。

传统地铁站出入口的形式在于钢结构与透明玻璃的结合,即外围护多采用金属板材和玻璃的幕墙体系,若要达到一定的艺术效果,就会提升后期实施的工程强度。

主要原因在于,地铁出入口的主体钢结构虽然可以采用标准化进行预制,但每块玻璃的形状尺寸不一,导致玻璃与钢结构的施工节点相对复杂。并且普通钢材结合玻璃,往往适用于方正规则的建筑外观形态,很难展现出城市轨道交通的地域特色, 即便可以设计出丰富多变的形态,却又对施工技术要求较高,造价也相对高昂。此外,玻璃材料本身不具备自洁性,需增加平时的维护费用,其本身质量较大而且易碎,很难做到易建易拆,低碳节能的效果也不明显。而ETFE膜材料作为一种新兴的建筑材料,其性能特征显著,若将其百富策略白菜网到地铁出入口的地面建筑中,则能展现出传统材料无法表现的效果。

ETFE膜可通过高温熔化ETFE颗粒后经挤压成型得到,透光率可高达95% ,俗称软玻璃。根据建筑效果要求,可以在ETFE中混入添加剂进行染色,得到各种颜色的ETFE产品,还可以在其表面进行印刷,调整透光率,从而有效地防止有害紫外线的侵入[5]。ETFE膜与玻璃的透光性比较如图1所示。由图1可以看出,ETFE膜对各频段光的透过率都比较大,若将ETFE膜材用于地铁站出入口作为表皮材质,其内部的光照仍会非常接近自然状态[6]。

ETFE膜材的熔化温度为260 ~ 270℃ ,热分解发生温度为350 ~ 360℃,在通常使用情况下,ETFE膜不会发生热分解老化及熔化。ETFE材料燃烧时所需的氧气浓度高于大气中的氧气浓度,属于难燃材料,并达到了B1,DIN4102防火等级标准,在燃烧时也不会熔滴,当其离开火源后会自行熄灭,ETFE膜材具有卓越的阻燃性和耐高温性,故能很好地满足地铁出入口的防火要求[7]。由于结构自重轻,又为柔性结构且有较大变形能力,故抗震性能极好。 ETFE膜与其他材料的比较如表1所示,从表1中可以看出,ETFE膜材料的综合性能丝毫不逊色于玻璃及其他传统膜材料。

如今,在国内地铁轨道交通的发展以及人们生活水平、文化素质不断提高的同时,原有地铁出入口单一的空间形式已不能满足城市现代化建设与人性化的需求,形态丰富的地铁出入口地面建筑, 往往更能在城市中起到标识性与导向性的作用。 因此,风格相对统一、造型新颖独特、结构形式创新已成为地铁站点出入口形式设计的一大要点。

因ETFE膜材本身属于软质,且具有高抗拉强度,可以根据实际需要加工成任意的形状,地铁出入口表皮材质若采用ETFE膜材料,再结合内部合适的结构支撑,将不再局限于规则的形态,可以营造出丰富的外观形态效果,从而凸显城市轨道交通的地域特色。

另外,由于ETFE膜具有透光性好的特点,白天阳光可以由外而内透过膜材料,通过漫反射进入出站口内部,使室内的光线充足而又柔和。晚上,可以借助照明系统和数控技术,随着灯光的变化表现出不同的色彩,内部光线又可以由内而外透过膜材料,使整个出入口如灯笼般通体透亮,艺术效果出众,具有一定的现代感,既能给城市的夜晚增添光彩,又能增加城市公众的视觉体验。

ETFE膜材料不仅是膜结构中最易实现回收利用的材料,也是膜结构建筑中绿色节能的最佳选择[8]。首先,ETFE膜材料具有一定的自洁性、 高抗污性和易清洗的特点,通过雨水即可清除主要污垢,能够降低后期维护成本,并且在后期的使用中几乎不需日常保养,对机械损坏处简单维修即可; 其次,回收后的ETFE膜材料可以热熔成颗粒状,或者分离杂质后进行重新加工生产出新的膜材料,是名副其实的可循环利用的环保产品。 再次,ETFE膜材拼合成型、钢结构骨架以及钢索均可以在工厂加工制作,现场只需组装即可,故施工周期比传统建筑短; 最后,ETFE膜具有极好的稳定性及耐化学药品性能,人工老化试验及室外暴露试验的结果均表明,ETFE膜经过室外长期使用后其透光性能、强度及延伸率均无明显的下降, 是用于地铁出入口立面表皮的理想材料。

总体来说,ETFE膜结构能够快速安装,整体结构易建易拆,节省工期,从制作、施工到后期回收, 整个过程的碳排放量都要比普通钢与玻璃的结构形式低很多。将ETFE膜材料运用于地铁出入口地面建筑中,符合当下发展环保绿色建筑的大趋势, 满足国家所提出“构建资源节约型和环境友好型社会”的要求,实现可持续性发展。

ETFE膜材上述的诸多优势为其百富策略白菜网于地铁出入口的建筑表皮提供了良好的实践基础,本次在郑州地铁1号线郑州大学( 南区) 地铁站出入口的设计实践中,着力探索ETFE膜材在其中的主要做法, 体现在以下几个方面。

本次郑州大学( 南区) 地铁站出入口的设计形式,从中原地区优秀民间艺术折纸的意向中寻求灵感,借助ETFE膜材料与编织型钢桁架结构,将折纸的美感与神韵运用到地铁站出入口的设计造型之中( 见图2) 。

该地铁出入口的长 × 宽 × 高 = 13. 7m × 6. 9m × 4. 95m,属于小跨度建筑。出入口的ETFE膜材料表皮采用的是不需要充气系统的单层膜形式,膜面为直面而非一般的张拉曲面,从而降低膜面应力,减小膜面徐变和应变发生的可能。出入口内部直接支撑膜材料的是钢桁架结构,整个钢桁架结构( 见图3) 按照一定模数预制出编织的形态,同时可以将每个菱形看作钢桁架的基本单元,将每个菱形的一条对角钢桁条作为膜面凸出的“脊线”,另外的两个角则作为膜面的低点,桁架之间通过互相穿插与ETFE膜单元连接在一起,由此将ETFE膜面张拉成型,模拟出折纸的韵律形态。

所有的膜面均不与地面平行,立面与顶面形态统一。在阴雨天气,折形的顶面使雨水可以快速顺流至地面,从而减小对膜面产生的压力。此外,在ETFE膜的表面通过加工还可以模拟出纸的非线性纹理,这一精细化处理又能够更好地表现出折纸轻薄通透的意向,并将折纸的力度感与轻盈感表达出来。

ETFE膜结构的施工安装控制,重点在于实现膜材和骨架支撑系统两者的共同协调工作。膜材是在支撑结构的拉力和自身重力的作用下绷紧, 形成没有褶皱的折面,因此,膜材和支撑骨架之间的连接成为安装施工质量的重点控制内容[9]。

在对整体的结构设计 上,借鉴2010世博会 “德中同行之家”的做法,用轻钢骨架来代替“竹骨架”作为地铁出入口的主体支撑结构。采取“编织型”的轻钢结构设计,得到的建筑屋面既可作为顶面又可作为立面,结构的立面与顶面均由钢斜杆交叉编织形成( 见图4) ,与钢桁架结构相似,但轻钢结构主要作为支撑钢桁架结构,屋面与侧面的钢斜杆均通过三维空间节点相交,形成空间的菱形网格编织结构,并具有很好的稳定性。同时,尽可能减少ETFE膜材料与钢构件标准化的尺寸规格,统一预制,尽可能降低施工难度。

在本次的地铁站设计中,ETFE膜材料与编织型钢结构的组合采用模数化设计( 见图5) 。将钢构件通过计算机模拟分析,选择出合理的组合方式, 形成钢构件的模数化,在这种结构形态的基础上, 再预制出三角形的ETFE膜构件。两种模数化的构件拼接组合,生产加工成一种模数,在施工现场根据地铁平面尺寸进行组装,可有效缩短工期。

模数化的设计方式让ETFE膜材料与编织型钢结构的组合,不仅能够运用在郑州地铁1号线中郑州大学( 南区) 站,在随后郑州地铁其他线路站点的设计中,也可以根据实际需要,采用其他模数或改变具体形式[10]。

新材料与技术历来是建筑领域的发展方向和领先标志,在国家大力倡导环保材料与绿色建筑的今天,ETFE膜材的百富策略白菜网更是推动建筑革命的重要因素[11]。通过本次ETFE膜材料在地铁出入口设计中的百富策略白菜网研究可以看出: ETFE膜材料在满足地铁出入口建筑的基本功能要求上,其耐久、轻质且透光率高, 综合性能优于以玻璃为主的传统材料; 在外观的形态要求上,ETFE膜材料的地铁出入口建筑不再局限于规整的体量,而是可以充分结合地域文化特色与交通的功能要求,来设计出更具标识性、导向性的外观形态; 在生态节能的要求上,ETFE膜材料可回收利用, 并且易拆易建易维护。随着新材料、新技术、新工艺的不断发展,ETFE膜材料将不会仅仅局限于“鸟巢”、“水立方”等大型建筑表面,而是会被逐步地百富策略白菜网到类似于地铁出入口这样的“社会建筑”中,公园广场甚至街头巷尾,ETFE膜材料建筑将会越来越多地映入公众的眼球。