[膜结构建筑及膜材料的发展] 膜结构建筑,张拉膜,上海摩

　　随着北京奥运会及上海世博会的顺利落幕，其中的大型膜结构建筑给人们留下了深刻的印象。本文介绍了近年来国内外膜结构材料的发展及其在建筑领域的应用，并对几类主要产品以及不同生产商生产的同类产品进行了性能对比，通过各类产品的优劣性对比，期望能为广大下游用户提供一定的参考。
　　The noticeable mega membrane structures presented in the Beijing 2008 Olympic Games and Shanghai Expo 2010 have undoubtedly attracted lots of attention. Development trajectory of membranes and the application of which in the architectural field were introduced in this paper. Product performances of some major categories manufactured by different producers were compared to finalize the superior ones for the reference of downstream users.
　　
　　120世纪膜结构建筑和膜结构材料的发展历程
　　
　　1.1国际上膜结构建筑的发展情况
　　一般认为，现代膜结构建筑的出现是从1970年大阪世博会开始的。其标志性建筑是在该届世博会上展出的美国馆，它采用气承式膜结构建筑，外形近视椭圆形，具体尺寸为 140 m×83.5 m。该展馆之所以在当时受到瞩目，是因为它是世界上首次出现的现代膜结构建筑，其使用的膜材是玻纤织物涂以聚氯乙烯（PVC）树脂，与后来大量建造的膜结构建筑材料类似。
　　大阪世博会以后，在20世纪最后的 20 年中，膜结构建筑得到了快速发展。当时据专家估计，1970 ― 1996年世界上大约已建造了 150 座大型膜结构建筑，其中美国占有很大的比例。
　　下面是一些具有代表性的膜结构建筑及其所用膜材。
　　1952年沙特阿拉伯建成吉大（Jeddah）机场哈吉（Haj）候机厅，至今它仍是世界上最大的膜结构建筑，总面积达到 42 万m2，全部使用玻纤织物涂以聚四氟乙烯（PTFE）树脂，织物面积超过 50 万m2。
　　大约1995年左右，美国建造了丹佛（Denver）国际机场，采用双层玻纤织物涂以PTFE树脂的膜结构建筑，篷面设计可透过光线，使整个场所都有充足的采光，顶篷由钢制栓柱和缆绳吊住，面积为 2 万m2。1996年美国在亚特兰大建造的乔治亚圆顶体育馆，整个圆顶采用缆绳支持，该建筑首次应用于1996年奥运会会场。
　　1.2中国膜结构建筑的发展情况
　　中国的膜结构建筑发展相对较晚，1997年在上海建成了容纳 8 万人的上海体育场，这是我国首次将膜结构建筑应用到大型体育场上，其覆盖面积为 3.61 万m2，所用的膜材料全部从国外进口，包括玻纤织物涂PTFE树脂的膜材料和一些附属材料，设计、施工也依赖外国公司。据了解，其造价比传统的建筑要高得多，但其对我国膜结构建筑的发展影响甚大。
　　我国第 2 个大型膜结构建筑是青岛颐中体育场，总面积为 3 万m2，所采用的膜材料为涤纶工业丝织造的织物，以PVC进行涂层，其顶面层再覆以聚偏氟乙烯层（PVDF），可容纳 6 万观众。自此以后，膜结构建筑在我国得到了迅速发展，如上海虹口足球场，武汉、郑州、广州等一些城市都纷纷建造了运动场馆，甚至一些中小城市亦相继效仿。除了体育场馆外，如展览馆、会展中心、水上乐园、剧场、飞机场、加油站等亦纷纷采用膜结构建筑。
　　
　　2膜结构材料的分类及其性能特点
　　
　　根据以上介绍，20世纪开发出的膜材基本上都以纺织材料为基材（包括玻璃纤维和涤纶，用以织成织物），表面再加以涂层（或贴合）。主要有两大类，一类是玻璃纤维涂PTFE树脂；另一类是涤纶织物涂PVC树脂，两种膜材的性能优劣如表 1 所示。
　　
　　下面主要对这两种膜材进行详细分析。
　　（1）以玻纤织物为基材，用PTFE（或硅树脂）涂层
　　① 产品特点
　　这种膜材是由美国DuPont（杜邦）公司和Dow Corning（道康宁）公司首先开发出来的，其优点是膜材的强度高，力学性能十分优异，同时具有很高的热稳定性和化学惰性，防火、不燃、不受紫外线影响，具有很高的自洁性和耐用性，根据资料，其使用寿命可达 25 ～ 30 年。
　　这种膜材透光性较好，透光率可达 25%，光线柔和，膜材对太阳光的反射率可达 70% 以上，可减少热量的传递，保持膜结构表面和内部不至于因阳光照射而升温过高。
　　在膜结构建筑盛行的早期，也有用玻纤织物涂PVC树脂作为膜材的（如1970年大阪世博会上美国馆所使用的），其优点是价格较玻纤织物涂PTFE的产品便宜得多，但在性能上有一定的差距，主要体现在自洁性和使用寿命上。实际使用这种膜材的相对较少。
　　② 主要生产商
　　目前，生产玻纤织物＋PTFE膜材的国外企业较多，如美国的圣戈班高功能塑料公司，这是最早进入我国膜材料市场的厂商。除此之外，德国Verseidag公司、日本中兴化成工业株式会社、沙特阿拉伯的Obeikan公司等也生产这种高品质膜材。国内主要有宁波天塔工业材料有限公司和江苏省维维高分子材料有限公司两家生产。
　　日本中兴化成工业株式会社采用的玻纤织物，其玻纤的细度是目前最小的，为 3 μm，称为玻璃纤维B丝；而有的企业采用 6 μm的DE丝。日本中兴化工指出：采用细的玻纤丝，其单位面积的抗拉强度高，耐屈曲牢度好，在受反复应力时不易疲劳，因此用这种纤维加工的膜结构材料更经久耐用。
　　德国杜肯Verseidag近年来开发了新材料，有高透光PTFE膜材，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，在南非世界杯上，约翰内斯堡体育场就采用了杜肯的棕色PTFE膜材。
　　宁波天塔公司经过近 10 年的努力，自主研发了永久性PTFE建筑膜材，获得国家“863”项目资金的支持，产品已逐步在工程项目上得到应用。
　　（2）以聚酯纤维织物为基材进行PVC涂层
　　① 产品特点
　　这种产品如直接作为膜材，在性能上会存在很多问题，主要在尺寸稳定性、膜材老化、自洁性能等方面不够理想。根据研究，涤纶涂PVC材料用于充气结构 8 年后，由于性能老化，断裂强度减少 10% 以上，而撕裂强度损失 20% ～ 30%。因此这种涂层织物的性能取决于涂层材料阻隔紫外线的性能，为此，涂层时还必须注意把整个织物的交织点都要覆盖住。
　　由于聚酯纤维织物经过PVC涂层后，PVC膜容易老化，随着其中增塑剂迁移和紫外线辐射的影响，膜材性能变差，膜面易被沾污而变色，这是该产品一个致命的问题。法国Ferrari（法拉利）技术织物公司针对这个问题在PVC涂层的表层再覆以PVDF层，开发出的新产品称之为FLUOTOP T，可以将热能反射掉 70%，膜面变色较少，色泽鲜艳，自洁性能提高，炭黑肮脏试验对膜几乎没有影响。据称其自洁性可与玻纤织物涂PTFE产品相媲美。
　　聚酯纤维织物经过PVC涂层后，也可采用加上聚氟乙烯（PVF）面层解决膜材易老化的问题，这种膜材在美国已流行多年。它是将聚酯纤维织物经过PVC涂层后，采用专用粘合剂，将PVF面层粘于表面，其商品名为Tedlar®，对提高自洁性能也有显著效果，但手感略硬。
　　聚酯纤维织物涂以含有二氧化钛（TiO2）的聚氯乙烯膜材，这种方法在韩国应用较早，韩国一些厂商曾来华作过宣传和推销，据称也可大大改善聚氯乙烯的自洁问题，目前在国际上已得到广泛应用。其原理是利用含有TiO2的面层在紫外线照射下可将有机污染物氧化分解，同时使膜面生成亲水基，使膜面具有优异的自洁去污能力，膜面始终保持美观整洁，这是最近几年开发出来的新技术，具有很大的优越性，因此使用面越来越广。
　　② 主要生产商
　　生产这类产品的企业包括法国的法拉利技术织物公司、意大利NAIZIL（耐驰）公司、美国Seaman公司、德国的Verseidag公司、沙特阿拉伯Obeikan公司、德国米乐公司Mehler Texnologies等，我国有浙江锦达、北京佳泰、浙江星益达和上海申达科宝公司等。
　　其中，德国米乐公司在原有的基础上又开发出了新产品：纳米PVDF涂层（Valmex®），相较于传统的PVDF涂层，这种膜材具有更优越的自洁效果、抗腐蚀能力和抗菌效果；微孔吸音膜材（Silesco®）不仅能够控制噪音，改善空间的音响效果，同时还保持了膜材的各种物理性能，包括各种强度下的拉伸力、颜色、各种灯光效果的涂层等，为室内设计师在改善内部空间的声效和美观方面提供了更多想象空间和实现可能；高度自洁膜材（Vivax®）采用THV涂层和聚酯织物，具有极易处理和优越的耐用性能。（注：THV涂层是一种聚合物，混合有四氟乙烯、六氟丙烯、双氟亚乙烯，与其他氟塑涂层一样，具有卓越的抗污、自洁和易维护的特点。）
　　国内的膜材厂家也逐渐成熟，大都引进了国外的先进织造和涂覆设备，产品也已应用到一些工程上，如北京人大附中体育场、中国空军实验室、土耳其安卡拉污水处理厂等设施与建筑的膜结构就应用了上海申达科宝新材料有限公司生产的膜材。
　　（3）其他
　　除了以上两种主要的膜材外，还有一种是由W.L.Gore公司推出的膨化聚四氟乙烯材料织成的织物（ePTFE织物），其商品名为TENARA®。这种产品是先制造ePTFE膜材，然后割裂成众多的扁丝，并加以捻度纺成纱，再织成布，然后再在布的双面贴上氟聚合物薄膜而成为高质量的膜材（全部由氟聚合物组成）。
　　这种膜材曾在国外一些展览会上展出，据介绍，它们已被应用于沙特阿拉伯麦迪那先知大教堂上。在教堂广场上有众多由这种膜材做成的伞，形成伞群，每个伞的面积为296 m2。这种膜材透光性能特别好，用于膜结构建筑白天可以不用照明，有利于节能。
　　（4）几种膜材的性能比较
　　表 2 是上述几种膜材透光率的比较。
　　
　　从表 2 可以看出，Gore TENARA® 膜材透光率最高，可达 30% 以上，晴天白天可以不用照明，从而可以节约能源，而且色泽洁白，十分美观。但据了解，这种膜材全部采用氟聚合物为原料，制造工艺也较复杂，成本较高。因此目前主要考虑玻纤织物涂PTFE和聚酯织物涂PVC树脂这两种膜材。
　　总结以上分析，要使膜结构建筑经久耐用，除了对膜结构的支撑体系要有严格要求外，对膜材料也要有严格要求。传统的膜结构材料中，聚酯纤维织物＋PVC涂层类膜材在机械物理性能上要比玻纤织物＋PTFE涂层差一个档次，但在膜材的自洁性方面则明显有缺陷，耐火性能也与之存在差距。为了弥补这些缺陷，必须对膜材加以表面处理，方法包括聚酯织物＋PVC涂层，再加以PVDF表面涂覆；另一种方法为聚酯纤维织物＋PVC涂层再用PVF贴膜，当然也可在聚酯纤维织物表面涂以含有TiO2的PVC树脂，因为TiO2的光氧化作用可对有机物氧化分解，自洁性较高。涂覆后其自洁性能甚至可与玻纤织物＋PTFE媲美。
　　在物理机械性能和自洁性能等方面几类膜材由于存在差距，导致其使用寿命等也有所不同。
　　一般认为：玻纤织物＋PTFE膜材使用寿命可达 30 年以上，而聚酯织物＋PVC＋PVF或聚酯织物＋PVC＋PVDF这两类膜材使用寿命为 12 ～ 15 年（PVF的保质期比PVDF要稍长一些）。
　　在几种膜材的自洁性能方面，玻纤织物＋PTFE为好；其次为聚酯织物＋PVC涂层，包括聚酯织物＋PVC涂层＋PVDF涂层或聚酯织物＋PVC涂层＋PVF层压，聚酯织物＋PVC涂层＋PVDF浸涂则比PVF层压略差，但后者折叠性稍逊一筹。
　　在几种膜材的防火性能方面，玻纤织物＋PTFE为佳，聚酯织物＋PVF和聚酯织物＋PVDF都要稍差一些。
　　总之，第 1 类膜材是永久性建筑的主要膜材，但各个厂家生产的产品不完全相同，要考察各项力学性能、自洁性能、透光率等，较细纤维制作的玻纤织物具有更好的力学性能和耐疲劳性（见文后附表 1）；第 2 类膜材各企业生产的差距很大（见文后附表 2），主要是由聚酯纤维的差异引起的。另外，涂层质量特别是表层的质量问题更是关注的重点。
　　ePTFE织物＋氟聚合物涂层，其织物基材及贴面材料均为氟化物，耐紫外线性能十分优越，且透光率高于其它膜材，但其抗拉强度较前几种膜材要差很多，另外，这种膜材是较晚才开发出来的，成本及价格很高。目前，国际上大型建筑很少采用，小型建筑有一些应用，但也不多。
　　涤纶长丝织物涂覆PVC后，必须再涂覆表面层以保持表层的美观性并赋予其更好的性能。目前国内主要以涂PVDF为主，过去采用的聚丙烯酸酯表面涂层耐久性较差，由于紫外线照射 2、3 年后涂层开始减薄，很快就失去光泽和作用，起不到保持自洁的作用。另外，涂PVDF性能虽好一些，但其与PVC不易粘结牢固，目前有多种工艺可改善其粘结性能。杜邦公司则认为PVF效果比PVDF更好一些，德国Verseidag公司也认同这一结论，因此国外有较多企业采用。但PVF不能涂层，要先做成薄膜，再用粘合剂贴到PVC的表面，这样又存在贴合技术问题，如不能产生气泡等，目前已有较多企业采用这种加PVF面层的工艺。但如PVC中含有TiO2则膜材的抗污性能可大幅提高，因此这类膜材的使用有增多的趋势。
　　综上所述，膜材的选择是决定膜结构建筑能否取得成功的决定性因素之一，因此，必须认真加以对比分析。
　　
　　3大型场馆对新型膜材的应用
　　
　　3.1北京奥运会
　　20世纪末、21世纪初时，国际上出现了一些新型膜材，其中之一的化学成分为乙烯�四氟乙烯共聚物即ETFE，亦称P40。这种膜材的特点是抗剪切机械强度高、耐低温冲击性能好，而且化学性能稳定，耐辐射性能好，英国为迎接新世纪到来而建成的“伊甸园”，就是由 4 座穹顶状膜结构建筑连接而成的，其采用的覆盖材料便是ETFE膜结构材料，由美国圣戈班公司生产，椐称其透光率可达 70%。采用这种膜材建成的建筑物，白天不用照明，可以大幅度降低能源消耗。且重量很轻，仅为同面积玻璃重量的 1%，可单独使用，使用寿命可达 25 年以上，当然也可与织物等材料复合，使它具有良好的保温性。
　　2008年中国举办奥运会，其场馆建设引起了世人的关注。其所采用的膜结构建筑，无论从外观还是内在质量上都在膜建筑发展史上达到了一个新的高度。奥运会主体育场 ―― 鸟巢，采用钢结构焊结，外层紧贴的就是ETFE膜。鸟巢内部铺设的面积达到 4.2 万m2，看台观众可超过 9 万人。ETFE膜具有优异的透光性及良好的抗紫外线和自洁功能，用在外层可经得起气候的变化，内层则仍用PTFE膜，吸音性能好，声学性能优异，有利于高音的传播，因此一些大型演出可在此举办。而游泳馆 ―― 水立方，其单元结构为多角形的框架结构，对于体育场形成全封闭，外表面积达到 10 万m2，形成双层气枕（PTFE膜制作）和一层ETFE膜结构，游泳馆外形由众多呈立体状的水泡组成，夜晚时灯火通明，显得十分壮观。
　　ETFE作为膜结构材料，其特点是中间没有任何织物作骨架材料而直接用塑料膜，这种膜材强度较高，而贴附面又直接是钢架。两个体育场通过北京奥运会的实际使用，证明效果十分理想，不但在奥运会期间得到全国和全世界人民的赞誉，而且在奥运会以后，两个场馆仍不断接纳各种运动会和其它活动项目。
　　3.2上海世博会
　　上海世博会是世博会历史上规模最大的一届，各国各具特色的展馆给参观者留下深刻的印象，其中包括一些以纺织品膜结构建筑为主的建筑群。
　　据报道，上海世博会世博轴使用了 7 万m2的膜材料，采用张拉式膜结构，所使用的膜材料同北京奥运会一样，同样为ETFE SF/1系列产品，其厚度为 1 mm，亦为美国圣戈班公司生产，采用 300 ～ 400 ℃热熔拼接，技术要求很高。
　　以世博轴为标志的整个景区，形成膜结构建筑群，甚至连联接展馆的过道上都布满了富有情趣的膜结构遮阳伞。
　　在国家展馆中，日本馆外形酷如一只“紫蚕”，主要采用膜建筑材料建成，据称“会发电、会呼吸”。整个场馆外壁被不同形状的膜材覆盖。涂有ETFE膜材的使用，使整个场馆自重减轻，可节约钢材，两层膜材中间充气，保证 250 Pa的气压，在这层膜下有太阳能电池板，为该展馆的电视机提供电源。
　　另外，场馆采用“循环呼吸柱”设计，一方面起通风换气的作用，一方面起支撑作用，可有效降低钢铁的重量，同时还可折射太阳光，节约照明用电，在设计上显得十分合理。
　　
　　4结语
　　
　　毋庸置疑，随着膜结构材料技术的不断成熟，其未来市场巨大。虽然在发展过程中也面临着一些问题，如基础性技术研究需加强、材料的回收与环保问题亟待解决等。我国企业在加强建筑膜材的自主研发、产业化和市场化时，应具备前瞻性，不断进行创新性研究，储备新技术，期望在不久的将来国际市场上出现叫得响的“中国创造”的膜结构产品。
　　
　　附：主要膜材料生产商的产品性能对比
　　表 1 和表 2 为两类膜材的主要生产商提供的产品性能指标，由于各公司采用的标准不完全相同，提供的性能指标又不完全可比，以下数据仅供参考。