1970年日本大阪万国博览会上的美国馆 (见图1) 和富士馆 (见图2) 均采用了膜结构建筑, 在建筑行业引起了不小的轰动, 在随后的几十年, 建筑膜结构得到了迅猛的发展[1,2]。膜结构的历史可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[3], 但是今天的膜结构已经发生了质的变化, 它的结构大部分由钢材和索构成, 另外与结构相结合的膜材也逐渐走向功能化、智能化。膜材具有造型轻巧自由、美观;透光、节能、环保;优良的阻燃性能;防污自洁性能;安全寿命长等优点。基于这些优点建筑膜材脱颖而出, 膜结构建筑被称为“21世纪的建筑”。膜材主要百富策略白菜网于大型体育场馆、入口廊道、购物场、娱乐场、停车场、展览会场、植物观光圆等建筑。

建筑膜结构是膜材和建筑结构的完美结合体, 它是用高强低弹柔性薄膜材料与支撑体系相结合形成具有一定刚度的稳定曲面, 并能承受一定外负荷的一种全新的建筑形式。膜结构学是多学科交叉的边缘学科, 集建筑学、美学、材料和结构力学、精细化工与材料学、计算机技术等为一体, 具有很高的技术含量。从膜结构的构造和受力特点大致分为3种结构:骨架式膜结构、张拉式膜结构、充气式膜结构。

骨架式膜结构大部分采用钢材搭建建筑支架, 然后把膜材固定在上面, 通过自身稳定的骨架体系支撑膜体来覆盖建筑空间, 膜面起到对骨架结构的维护覆盖作用。一般有刚性结构和索结构2种形式。这种结构设计较简单, 施工水平要求较低, 适用于大型牢固且成本要求低的建筑, 如屋顶造型比较简单, 开口部不易受限制的膜结构建筑。

张拉式膜结构是通过边界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, 而且施工比较困难, 要求也比较高, 设计前要对膜的初始形变、受力情况进行全面分析计算。张拉膜结构不仅可实现创意、创新且美观的艺术造型, 而且具有大面积采光的优点, 特别适合建造城市标志性建筑及高档建筑, 如体育与娱乐性场馆、商场写字楼的入口、城市小品等。

充气式膜结构可分为气承式和气肋式2种结构。气承式结构是通过大气压来维持建筑形状的结构, 向膜材所形成的室内充气, 使气压大于室外大气压, 这种压差的存在使膜材处于张力状态下抵消自身和外界的负荷, 而呈现出预先设计好的风格。充气膜结构有单层和双层膜之分, 单层膜结构利用气压来支撑, 无需任何梁柱支撑, 因此, 可获得更大的空间, 但需用送风机送风维持24 h运转, 能源消耗和维护费用较高。双层膜结构称为气肋式结构, 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的膜结构形式。这种结构便于安装施工, 可通过气压来调节光线, 适用于体育馆等大型的建筑。2008年北京奥运会国家游泳中心“水立方”就是采用这种结构和骨架式结构的混合结构。

目前建筑膜材广泛认可的分类标准是日本JIS—93所规定的A、B、C3类[4], 是根据其防火性能的优劣来划分的, A类最好, 以玻璃纤维织物为基材涂PTFE而成;B类次之, 以玻璃纤维织物为基材涂PVC而成;C类是三者中最次的, 以聚酯 (涤纶) 织物为基材涂PVC而成。按涂层材料分, 有聚四氟乙烯 (PTFE) 、聚偏氟乙烯 (PVDF) 、聚氟乙烯 (PVF) 、聚氯乙烯 (PVC) 、聚氨酯 (PU) 、橡胶等[5]。

PTFE膜材是在超细玻璃纤维织物上涂以聚四氟乙烯树脂而成的材料。这种膜材有较好的焊接性能, 优良的抗紫外线、抗老化性能和阻燃性能。另外, 其防污自洁性是所有建筑膜材中最好的, 但柔韧性差, 施工较困难, 成本也十分惊人。1970年日本大阪世博会后, 由于新开发的PVC建筑膜材耐老化、防污等性能较差, 在盖格公司领导下, 美国的杜邦公司、康宁玻纤公司、贝尔德建筑公司、化纤织布公司共同开发永久性的膜材。其加工方法是把玻纤织物多次快速放入特氟隆熔体中, 使织物两面皆有均匀的特氟隆涂层, 永久性的PTFE膜正式诞生[6]。此后永久性膜结构正式在美国风行, 许多学者对膜结构进行了深入的研究, 如Gorokhov Y.V.等人[7]提出一些设计大跨度空间结构的理念。1973年这种材料首次百富策略白菜网于美国加利福尼亚拉维斯学院一个学生活动中心的屋顶上, 20年后跟踪检测结果表明, 这种膜材的力学性能与化学稳定性指标只下降了20%~30%, 颜色也几乎没变, 膜的表层光滑, 具有弹性, 大气中的灰尘、化学物质微粒极难附着与渗透, 经雨水冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层与透光性, 这足以显示出PTFE膜材的强大生命力和广阔的市场前景。

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, 如德国Mehler公司、Verseidag公司、日本Taiyo Kogyo公司、中兴化成工业株式会社、美国Chemfab公司、沙特阿拉伯OBei Ka N公司[8]等。

国内对这种膜材的研究起步较晚, 进展也比较慢, 但近十几年有了大的飞跃, 如宁波天塔聚氟玻璃纤维有限公司历时4年, 在2004年推出了有自主知识产权的“聚四氟乙烯玻璃纤维建筑膜材”, 该产品检测结果符合国家相关标准, 投放市场反应良好。另外, 江苏泰州维维高分子有限公司也开发出了这种膜材。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, 大部分依然依靠进口。国内大部分已建成的膜结构建筑也均采用进口膜材。

把具有一定结晶度和取向的PET长丝织成织物, 然后对其进行PVC涂层即得PVC膜材。这种膜材韧性好, 运输方便, 颜色多样化, 易安装施工, 但是它存在着致命的缺点, 不耐老化。由于其低廉的成本和施工费用, PVC膜材的百富策略白菜网仍然十分广泛, 适用于一次性投资不高的建筑或临时性建筑, 当薄膜污染破坏后可修补或重新更换。PVC涂覆涤纶膜材大多采用法国FERRARI公司FLUOTOPT系列、韩国SUPERTEX公司MS系列、德国MEHLER公司FR系列的材料[9], 由于PVC不耐老化, 在传统的工艺中常加入一些光、热、氧稳定剂来延缓老化速度, 国内有好多厂家都能生产这种膜材, 但其性能尚需进一步提高。高档膜材往往需要对表面进行处理以获得耐老化自清洁等性能, 在表面处理中可通过一些高能物理手段如紫外线照射[10,11]、激光刻蚀等来增加表面粗糙度以达到自清洁的目的, 这一技术尚处于实验阶段。经过纳米Ti O2表面处理后的PVC膜材可获得极强的自清洁性能、良好的抗污性和透光性等性能。国内的一些公司和科研单位在纳米表面处理方面也有较大的突破。

这种膜材开发和百富策略白菜网的比较早, 通常规定PVC涂层在玻璃纤维织物经纬线交点上的厚度不能少于0.2 mm, 一般涂层不会太厚, 达到使用要求即可。为提高PVC本身耐老化性能, 涂层时常常加入一些光、热稳定剂, 浅色透明产品宜加一定量的紫外吸收剂, 深色产品常加碳黑做稳定剂。另外对PVC的表面处理还有很多方法, 可在PVC上层压一层极薄的金属薄膜或喷射铝雾, 用云母或石英来防止表面发粘和沾污。

涤纶织物单独涂PVC抗老化性能差, 因此有必要对涂层表面进行一定的防污处理, 即在涂层表面涂覆一层耐候性好的保护层, 一方面降低紫外线对涂层的侵袭, 另一方面可防止增塑剂迁移到制品表面, 从而达到耐用、防污自洁效果[12]。在PVC上面涂一层聚偏氟乙烯PVDF进行保护是比较成功的一种技术, 其百富策略白菜网形式有溶液与薄膜2种。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、光、热老化性能和一定的防污自洁性能。PVDF可以用溶液直接进行涂覆, 生产加工十分方便, 因此它的发展十分迅猛。国内自主开发的PVDF高性能膜材未见报道, 目前还主要依赖进口, 导致PVDF膜材价格很高, 百富策略白菜网普及的进程不是十分理想。

PVF (聚氟乙烯) 是氟树脂的一种, 是在PVC膜的表面层压PVF树脂薄膜加工而成, 比PVDF膜的耐久性、防沾污性更佳。但因为加工性、施工性与防火性都不太理想而使其百富策略白菜网受到限制。由于PVF树脂在100℃以下几乎不溶于任何溶剂, 只能在潜溶剂中形成分散体, 然后在高温下烘烤成膜与产品进行层压。美国杜邦公司于1961年首次将PVF膜开发成功并进行商业化生产, 商品牌号为edlard的PVF膜, 是目前世界上唯一的PVF膜商品牌号。目前杜邦公司开发的PVF膜品种有上百种, 可根据用户不同要求提供不同厚度、颜色、光泽、机械强力、粘结性能的PVF膜, 国内在这方面的研究也属空白。

有机硅树脂具有优异的耐高低温、拒水、抗氧化等特点, 该膜材具有高的抗拉强度和弹性模量, 另外还具有良好的透光性。美国欧文斯科宁公司开发的Vestar膜材就是采用这种树脂对玻璃纤维布涂覆而制成的, 目前这种膜材百富策略白菜网的不多, 生产厂家也较少, 国内尚无报道。

合成橡胶 (如丁腈橡胶、氯丁橡胶) 韧性好, 对阳光、臭氧、热老化稳定, 且具有突出的耐磨损性、耐化学性和阻燃性, 可达到半透明状态, 但由于容易发黄, 故一般用于深色涂层。

由膨化PTFE纤维织成的基布两面贴上氟树脂薄膜即得膨化PTFE建筑膜材。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。目前国外的生产厂家也不多, 国内尚无报道。

这种膜材由ETFE (乙烯-四氟乙烯共聚物) 生料直接制成。ETFE不仅具有优良的抗冲击性能、电性能、热稳定性和耐化学腐蚀性, 而且机械强度高、加工性能好。近年来, ETFE膜材的百富策略白菜网在很多方面可以取代其它产品而表现出强大的优势和市场前景。这种膜材透光性特别好, 号称“软玻璃”, 质量轻, 只有同等大小玻璃的1%;韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂, 延展性大于400%;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, 节省能源;良好的声学性能;自清洁功能使表面不易沾污, 且雨水冲刷即可带走沾污的少量污物, 清洁周期大约为5年[6]。另外, ETFE膜可在现场预制成薄膜气泡, 方便施工和维修。ETFE也有不足, 如外界环境容易损坏材料而造成漏气、维护费用高等, 但是随着大型体育馆、游乐场所、候机大厅等的建设, ETFE更突显出自己的优势。目前生产这种膜材的公司很少, 只有ASAHI GLASS (AGC) 、日本旭销子、德国科威尔等少数几家公司可以提供ETFE膜材, 这种膜材的研发和百富策略白菜网在国外发达国家也不过十几年的历史。刚刚竣工的北京奥运会场馆“鸟巢”和“水立方”膜结构均采用ETFE膜材, 是目前国内最大的ETFE膜材结构建筑, 膜材均采用进口产品。“鸟巢”采用双层膜结构, 外层用ETFE防雨雪防紫外线, 内层用PTFE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1437块气枕, 每一块都好象一个“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, 并且具有良好的保温隔热、消除回声, 为运动员和观众提供温馨、安逸的环境。

目前国内膜结构发展振奋人心, 随着一些大型体育馆、候机大厅等的建设以及2008年奥运会、2010年的上海世博会和广州亚运会等国际盛会的举办, 为我国膜结构的发展带来了机遇和挑战。尤其在膜材方面, 我们还有很远的路要走, 起步晚, 技术水平低, 大部分膜材还主要依靠进口。PTFE、PVC和表面改性的PVC、ETFE等膜材是市场的主流, 百富策略白菜网比较广泛, 我国已有PTFE膜材的自主知识产权, 性能也基本达到国外同类产品的要求。很多公司、科研单位以及高校都在进行PVC表面涂层材料的研究, 如PVDF、纳米Ti O2表涂剂等的研究已初见成效, 另外在表面防污自洁处理方面的研究如仿生荷叶构筑微粗糙表面也开始起步。在引进世界一流的生产设备和工艺技术的同时, 加紧消化吸收并改进创新, 尽快开发适合我国市场需求的膜材表面处理技术, 对提升我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。