ETFE, 在化学中也被写作E/TFE, 是visco-elastic fluoropolymer ethylene/tetrafluoroethylene-co-polymer的缩写形式。

最近30年, 已经有超过1 000个项目使用ETFE薄膜作为维护结构或者屋面结构。这些使用ETFE薄膜的项目现在主要建设于欧洲中部或者其他具有温和气候条件的地区。例如飓风这样的极端气候条件不会出现在这些地区, 所以在对上述使用ETFE薄膜作为维护结构的建筑进行设计分析时, 不需要考虑很大的组合荷载。

我们已经知道, ETFE薄膜的力学性能和承载能力很大程度上取决于工作温度和材料本身的应变程度 (Moritz, K.2009) [1]。如果温度和应变对材料的强度和刚度影响不能确定的话, 那么由温和气候条件下推导出的材料性能在极端条件下是不安全的, 也是不被推荐的。

最初, ETFE薄膜被用作温室和曲面反射镜上的临时或者附属结构面层或屋面。几年之后就被用于植物园、动物馆、休闲长廊、门廊等建筑物的永久大跨度屋顶。现如今, ETFE薄膜已经被用于运动场的看台和球场上方的屋顶。

比利时的“Burgers Bush”是世界上第一个大范围使用ETFE薄膜气枕的大型永久性项目。从1984年建成至今, 透明轻质屋顶向人们展示着ETFE材料具有的优秀荷载承受能力、可靠性以及耐久性。

绿色建筑是指在建筑的全寿命周期内, 最大限度地节约资源 (节能、节地、节水、节材) 、保护环境和减少污染, 为人们提供健康、适用和高效的使用空间, 与自然和谐共生的建筑。建造轻型绿色建筑, 应该综合考虑多种建筑功能, 利用现有技术手段, 尽量降低能耗。近年来, 考虑到对资源的可持续性保护, 轻质绿色建筑越来越受到人们的关注。

为了使建筑绿色轻质、可持续, 国内外学者提出了许多形成绿色的概念。这其中主要包括Sobek[2]提出的轻型建筑最优化原则, 和住建部提出的绿色建筑评价技术细则[3]。轻型建筑最优化原则 (Sobek 2001) 包括:使用轻型材料、使用轻型系统、使用轻型结构。绿色建筑评价技术细则也提出, 应该从温度问题 (Thermal Problem) 、日光照明、声问题 (Day lighting、Voice Problem) 、空气质量 (Air Quality) 等方面入手, 提高建筑的可持续性。

轻型材料是指具有较高强重比的材料, 能有效提高建筑本身的效率, 降低建筑的自重荷载与地震荷载等与建筑自重关联的荷载效应。ETFE膜材因其强度高, 而且一般以气枕或者张拉膜的形式用于建筑中, 所以使用ETFE薄膜满足上述第一原则。因为ETFE薄膜的厚度很小 (一般使用的厚度小于300μm) , 总质量同样很小, 所以ETFE材料有良好的比强度。而空气的质量也很轻, 气枕中的空气几乎可以忽略不计。现阶段, 三层的气枕自重只有大约5 kg/m2。另外, ETFE薄膜气枕有相对较大的跨度[4] (最大可达12 m) , 可以在支撑结构之间填充较大的空间, 从而为整个建筑结构节约质量。由于长气枕可以向支撑结构单向传递荷载, 所以方形气枕的长度甚至可以更长。比如苏黎世动物园里的Masoala Rain Forrest, 其屋顶的ETFE气枕长度达到了106 m (见图1) 。慕尼黑的Allianz Arena也达到了4.6×15.8 m (见图2) 。

通过使用多层膜系统或者张拉单层系统, 在一个构件上能同时获得几种建筑功能 (例如, 传递荷载、隔热、吸收噪声、保湿、照明等) 。可调节系统和自适应系统 (adaptive system) 就属于这种轻型系统, 通过调节或者自适应来达到几种不同的建筑功能, 改变室内环境。自适应是指材料或者结构自身可以根据环境的改变, 自动调节自身材料特性 (例如相变材料) 。

ETFE薄膜气枕中的气压和气枕的形状能随着外部荷载的改变而改变, 所以其本身也是一种自适应结构 (adaptive system) 。对于像ETFE这样的粘弹性材料, 由于时间温度变换原则 (Time-Temperature-Shift (TTS) principle) , 使得夏天高温情况下的瞬时风荷载, 以及冬天低温情况下的雪荷载有着相似的荷载效应。ETFE膜材由于其良好的透光性、和空气组成气枕后良好的隔热性、吸声性, 为建造绿色轻型建筑提供了一个良好的选择。

轻型结构是指对结构的最优化, 即在保证使用功能的前提下, 尽量使构件的截面最小、最优。可以通过以下方法实现, 例如, 缩短导荷路径、更加合理地布置质量分布等等。

因为气枕本身是处于张拉应力状态, 这种张拉结构具有较高的传递荷载的效率, 能在保持强度的同时, 最大化的降低构件的截面面积。外层的膜通过风吸力得到张拉, 里层膜则通过雪荷载或者风压实现张拉。

填充在气枕中的压缩空气使得气枕外表面膜上的荷载得以传递到内层的膜上。这个看起来相当简单的机制, 保证了气枕外表面的荷载能在三维尺度上传递, 而不仅仅

沿着膜平面内传递, 最终将荷载均匀的分散到支撑结构上 (Hafner, A.2009) [5]。在建造的过程中, 为了利用有限的资源来满足、实现预定的建造轻质绿色建筑的任务, 遵从以上三条原则是必不可少的。而ETFE薄膜材料的良好的材料性能, 为完成这项任务提供了不错的选择。可以预见, 在未来建筑行业对绿色建筑概念的重视, 将为ETFE薄膜材料提供更加光明的前景。ETFE膜材将在更大程度上代替现在使用广泛的玻璃材料。

ETFE薄膜具有良好的抗火性能。熔点大约为275℃, 当气枕融化时, 由ETFE气枕组成的房顶和屋面就自然打开, 从而使大火产生的烟与热量散发出建筑内部。融化的ETFE材料冷却非常快, 也不会因燃烧着滴落引起下部结构燃烧。因为ETFE气枕的自重非常小, 所以气枕膜材本身所携带的热量也很小, 从而一定程度上限制了火灾的扩散, 减少火灾时的人员伤亡。

良好的透光率也是ETFE薄膜的优势之一, 各种波长的光通过ETFE薄膜时, 都有着高通过率。可见光和紫外线的通过率都超过了玻璃和聚碳酸酯板。光线的通过率、反射率和吸收率取决于薄膜的角度、厚度、颜色和是否有印刷。可见光的通过率可以高达90%, 而且ETFE薄膜的光谱频率分布也和阳光接近。所以, 室内光线和室外光线非常相似。此外, ETFE材料和玻璃或者聚碳酸酯板的另一个重要区别是它的紫外线透过率非常高。紫外线的高通过率, 使得使用ETFE薄膜的建筑内部温度非常高。所以这一类建筑必须要有良好的通风系统, 确保内部空间的凉爽, 紫外线能够限制和杀死细菌或者害虫, 并且为植物的生长提供能量。所以, ETFE薄膜材料是温室、动物园、游泳池等公共设施的理想建筑材料。

过量光线可以通过在膜面印刷来消除。利用多层膜组成的气枕, 并在中膜面和外膜面印刷反对称图案, 可以通过改变中膜面的形状来达到控制透光率的目的。

由于自重很低、厚度小, ETFE气枕的隔音性能不佳, 不过可以通过在气枕内部增设隔音材料来改善这种情况。另外, 弹性材料 (ETFE气枕) 的吸音性能要优于刚性材料 (玻璃) 。所以在很多情况下, 为了获得更好的吸音性能, 会将ETFE薄膜设置于屋顶或者玻璃屋面下, 作为吸音材料。为了进一步减小噪声, 可以在气枕中填充多孔材料 (例如透明气凝胶) 。过大的雨点声一直以来也是困扰ETFE气枕的问题之一, 这一问题可以通过在气枕最外层外表面增加一层网格膜, 使雨点的撞击分散, 声音变弱。

与传统材料相比较, ETFE薄膜的隔热性能优势并不十分突出。但是, 利用空气的导热系数低的特点, 采用适当的构造措施使得气枕获得良好隔热性能。例如双气室气枕 (见图3) , 在气枕内部有三层中间层将内外面层分割开来, 从而使气枕内部的气体对流交换降低, 提高气枕的隔热性能。或者也可以在气枕中填充透明的多孔隔热材料, 从而达到隔热的效果。

ETFE薄膜是抗碱性和抗溶剂材料, 在温和的气候和正常的环境条件下, 有着很好的耐久性能。最早的ETFE薄膜项目建造于20世纪80年代早期, 可以认为ETFE在温和气候条件及正常环境条件下, 使用寿命可超过30年。相较于其他透明塑料材料而言, ETFE材料的耐久性能非常好。

ETFE薄膜的力学性能, 取决于多重因素:气候环境因素 (尤其是温度) 、生产因素 (如厚度) 、荷载 (如加载历史、加载的时间、频率、应力应变情况) 。考虑以上多重因素的共同影响, ETFE薄膜是一种非线性、粘弹性材料。ETFE复杂的应力应变关系很大程度上还取决于材料的结构形态。

ETFE薄膜在荷载作用下的整体变形分为三个阶段。

1) 线弹性阶段。此阶段的形变是可逆的, 形变的产生是由于ETFE聚合物的原子之间的角度和位置发生变化。

2) 半弹性、半塑性的粘弹性变形阶段。根据时间的长短, 这部分的变形是部分可逆的。该阶段的形变是由于分子链从互相缠绕变化到伸展的状态。

3) 塑性阶段。此阶段的形变是不可逆的, 产生的原因是ETFE聚合物分子的相对位移。

图4是单轴拉伸ETFE薄膜试验结果图, 图中能看出三个节点。第一个节点表示出的是弹性极限点;第二个节点是屈服极限;最后一个节点是破坏极限。在第一个节点 (弹性极限) 之前, 胡克定律可以适用ETFE材料。超过第二个节点 (屈服极限) 后, 一直到破坏极限, ETFE材料展现出粘弹性变形的特征。断裂前, ETFE材料的变形能力非常好, 断裂应变甚至能达到500%。在第一个节点和第二个节点之间, 材料会同时产生线性与非线性变形、粘弹性与塑性变形。在多轴拉伸的情况下, 不同的温度、加载速度、应变水平都会影响ETFE材料的力学性能。

ETFE薄膜材料作为建筑材料使用已经有超过30年的历史, 从最初的单纯的温室维护结构, 一直到近年来越来越多的百富策略白菜网于普通建筑的维护和屋面结构。然而由于其材料特性还有很多地方没有被研究透彻, 一定程度上阻碍了这种材料的进一步百富策略白菜网。特别是一部分充气结构的安全问题也逐渐暴露出来。

但是, 随着全球气候变暖等一系列环境问题的出现, 各国政府对可持续发展的重视程度也逐渐提高, 使用绿色轻质建筑的概念也逐渐深入人心。ETFE材料凭借其良好的抗火性能、光学性能、隔音性能和吸音性能、隔热性能、耐久性能、力学性能, 很好的满足了建造绿色建筑的需求和轻型建筑最优化原则。

在能源问题日益严重的今天, ETFE气枕式膜结构凭借其自重轻、跨度大、自调节等结构特点, 为我们营造可持续化发展的新型建筑环境提供了有利手段。巴克明斯特·富勒有关生态、自然、轻质建筑的构思, 正依托先进的材料科学与工程技术逐渐成为现实, 那些曾是乌邦托式的理想, 如今已化身成气枕式膜结构步入我们的生活, 并仍将对我们所居住的世界产生深远的影响。