大空间柔性膜结构材料的现状及应用前景 - 文章

大空间柔性膜结构材料的现状及应用前景

作者：徐长亚叶雪康王娟春韩建

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膜结构建筑是20世纪中期发展起来一种新型建筑结构形式，用钢性支撑、上绷膜面，形成大跨度空间结构。膜结构材料一般以高强度聚酯工业纤维或玻璃纤维机织物为基材，两面复合或涂覆聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯（PVDF）或聚四氟乙烯(PTFE)高分子材料而成，其建筑具有结构轻、跨度大、安装快、成本低、防火难燃和安全性高的优点，被誉为现代高科技建筑和2l世纪的建筑。

随着化学工业的发展，以PVC、PTFE和PVDF为代表的高分子化工产品日渐成熟，加之复合材料工艺的进步，使屋面膜材的综合性能得以改善和提高，为纺织膜结构建筑作为新型建筑形式的出现打下了良好的物质基础。纺织膜结构作为现代化的工程结构物，显示了当今材料科学、纺织工程、建筑技术与电子、机械、化工等多学科的发展水平，具有巨大的发展潜力。

本文系统介绍膜结构材料的品种、优缺点、分类及其应用前景。

膜结构材料的特点和应用

膜结构材料分类

膜结构所用纺织膜材料一般由基布和涂层两部分组成。如图1所示。基布主要采用聚酯纤维或玻璃纤维材料等；涂层材料主要采用聚氯乙烯和聚四氟乙烯等。

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图1 膜结构材料的结构图

聚酯纤维覆聚氯乙烯(PVC)

其主要特点是以聚酯纤维织物为基布，双面涂覆PVC涂层或粘合聚氯乙烯薄膜而成，价格便宜（只有PTFE的20％左右）、容易加工制作、抗折叠性能好、色彩丰富，但是强度低、弹性大、易老化、徐变大、自洁性差，寿命一般在5～7年，主要用于要求比较低的临时性建筑。

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图2 游泳馆用的蓝色PVC膜

玻璃纤维覆聚四氟乙烯（PTFE）(Teflon)

以玻璃纤维基布双面涂覆PTFE涂层而成,具有强度高、强性模量大、自洁、耐久耐火等性能，但它材料费与加工费高且柔软性低不易折叠，在施工上为避免玻璃纤维被折断，须有专用工具与施工技术，对裁剪制作精度要求较高。寿命一般在30年以上，适用于永久建筑。

PVF（聚氟乙烯Polyvinyl Fluoride）和PVDF（聚偏二氟乙烯Polyvinylidene Fluoride）

为改善PVC膜结构材料性能，可在其表面再涂一层氟素系树脂，提高其抗老化和自洁能力，其寿命可达到15年左右。其中，PVF膜材是在PVC膜的表面处理上以PVF树脂做薄膜状薄片（laminate）粘合加工，具有高防沾污、耐久性的优点。但因为加工性、施工性与防火性都不佳，所以使用用途受到限制。目前，用量较大的是PVDF膜结构材料，其基本上达到了难燃水平。

乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)膜材

ETFE是一种透明膜材，透光率高达95%，以塑料流延法加工而成，被称为“塑料王”，其特有抗粘着表面使其具有高抗污，易清洗的特点，常做成气垫应用于膜结构中，是透明建筑结构中品质优越的替代材料，多年来在工程应用中以其众多优点被证明为可信赖且经济实用的屋顶材料。ETFE膜使用寿命为25-35年，是用于永久性多层可移动屋顶结构的理想材料。但是，该材料价格昂贵，安装要求高、难度大，多用于跨距≤3米的两层或三层充气支撑结构或小跨度的单层结构。另外，该材料不阻挡紫外线等光的透射，在实际应用中通过表面印刷，进一步降低透明度到50%。如用于国家游泳中心－“水立方”的ETFE流延膜作为气枕的含氟材料膜材。

膜结构优点

强度高、自重轻、大跨度

在建造大型公共建筑时，具有较好的性能价格比。采用膜结构要比传统结构轻一个或几个数量级，且单位面积的结构自重与造价也不会随跨度的增加而明显地增加。

透光阻燃、经久自洁、使用安全可靠、减少能源消耗

膜材料一般都是阻燃材料，也不易造成火灾。且膜材料自身透光性较好，透光率在8～12％，可充分利用自然光，白天室内不需人工照明，完全能满足各种体育比赛等活动需要；膜材料对光的折射率在70％以上，在日光照射下，室内形成柔和的散光，给人以舒适、梦幻般的感受；由于膜结构属柔性结构、自重轻，能够忍受很大的位移，抗震性能比较好。

构建时间缩短、施工速度快

由于膜材的裁剪制作、钢索及钢结构等制作均在工厂内完成，可与下部钢筋混凝土结构或构件等同时进行，在施工现场只是钢索、钢结构及膜片的连接安装定位及张拉的过程，故在现场的施工安装比较简明、迅速快捷,较传统式建筑简易之程序使得构建时间大幅缩短。

造型优美多样、景观效应好、富有时代气息

膜结构属于柔性材料，突破了传统的建筑结构形式，可形成各种自由空间曲面、不重复、多变化。新颖别致的膜建筑造型既突显个性与华丽，又能适时适地融合周边景致，相得益彰。且色彩丰富，在灯光的配合下易形成秀丽夜景，给人以现代美的享受。又由于其技术上的先进性，膜结构被誉为现代高科技建筑，是2l世纪的建筑。

造价低、经济效益明显

膜结构建筑项目一次投资稍低，日常维护费用较小，经济效果非常明显。此类结构若用于超大跨度建筑中，则有更为突出的价格优势。膜结构的经济优势是与空间跨度和技术难度成正比的。

使用范围广、可拆卸、易运输

从气候条件看，它适用于广阔的地域；从规模上看，可以小到花园小品，大到覆盖几万、几十万平方米的建筑。膜结构，可用作巡回演出、展览等，其拆卸和安装所需时间短。

膜材上述特性赋予膜结构建筑外观雅致飘逸，空间开阔灵透、结构轻盈、透光阻燃、经久自洁、安装快、节能降耗、造价适中、维修便捷。由于膜材造型运用很灵活，尤其使大跨距的建筑，特别能突显设计者的创意及设计要求。在奥运会、世博会等大型建设工程中，已经大显身手。

膜结构材料在我国的应用

膜结构材料起源于欧美，在多个方面和领域得到了广泛的应用。最适合用于体育场、剧场、飞机场和车站候车室、展览馆、仓库等建筑。上世纪70年代以来，已用于体育场、展览中心等场所，如德国斯德加特体育场、美国丹佛国际机场等。我国在1995年首次得到应用，2000年膜结构材料使用量就达10万m2，在上海八万人体育场（图3）、青岛颐中体育场、深圳步行街、顺义空气膜游泳馆，以及杭州市游泳馆、嘉兴市体育馆、义乌市体育馆等都应用了高性能膜材料。

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图3 上海八万人的体育场

因为，2008年北京举办奥运会有35个体育场馆和几十个临时性建筑需要建设，2005、2006年使用量超过30和40万吨，最引人瞩目的2008年北京奥运会主体育场－鸟巢（图4）大跨度顶层和国家游泳中心－水立方（图5）中主体幕墙工程（气枕）都采用高性能的膜结构材料，仅这两个大型工程膜材用量达约32万m2。目前每年都有十多个大型建筑采用这种结构，需高性能膜结构材料；另外，2010年上海世博会也有一批场馆需要建设。据估计，我国今后膜结构材料将仍保持15～20％的快速增长。

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图4 国家体育场－鸟巢大跨度顶层

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图5 国家游泳中心－水立方气枕膜材料

国外膜结构材料产业的发展现状

现代膜结构最初是在德国发展起来的，其基本特点、力学特性、设计方法和作为结构体系的潜力也是在德国得到研究。1967年德国设计，并采用膜结构材料建设的蒙特利尔的万国博览会德国馆，在建筑史上具有广泛的国际影响。膜结构如今已成为现代建筑的有机组成部分，世界各地建造了许多设计精良的膜结构。

自2002年起，我国先后通过引进发达国家的先进技术和装备开始PVC膜结构材料、PTFE膜结构材料和PVDF的研发和生产。但是，由于应用时间短、技术水平低、装备限制大、生产效率低，在产品物理性能（如自洁性能、使用寿命）和力学性能（如拉伸强度、抗撕裂性能）等方面与国外产品有较大的差距，已经成为目前膜材料行业产品提升和拓宽应用过程中急需解决的关键课题。目前，每年所需高性能膜结构材料40多万吨（合4亿m2）中仍有90％依赖进口。

膜结构建筑的发展

1961年，AIA杂志发表了“Tent”的文章，向人们揭示了膜结构的重要性，从建筑的角度研究并发展了现代的膜结构，引起了全世界的关注，代表着现代膜结构的起点，其技术和思想反映在蒙特利尔1967年万国博览会上，是膜结构发展历程上划时代的一笔。

1970年在日本大阪举行的万国博览会上，许多日本建筑师开始用膜新材料来创造新的独特空间，为发掘膜结构的潜力提供了极好的机会。该博览会美国馆采用低矢跨比(比较平坦)的充气膜结构，是充气膜结构发展历史上的里程碑。

20世纪70年代，Geiger Berger公司发展了充气膜。随之而来的是PTFE涂层的玻璃纤维膜成为新型膜材，在美国出现了许多巨型的膜结构，如1975年在美国Pontiac城建成拥有80000个席位的Silver穹顶。这些大跨度建筑表明了膜结构的优点，即大空间不再是黑暗而且有压迫感的，这些穹顶还能经济地跨越大空间。

因为充气膜要克服诸如经常性地发生结构事故、持续充气带来的高成本、控制气压的复杂性、空间封闭性等问题，人们开始探索新的膜结构形式。在北美洲，膜结构作为永久性建筑开发了新的功能。例如1980年的佛罗里达大学Stephen C. 0 Connel中心，1984年的Lindsay公园体育中心，1989年的San Diego解放中心，1990年的Chene公园露天剧场等，均是完美外形与创新结构的结合。

80年代末期，美国人B. Fuller提出了张拉整体穹顶的设想，并最早引入这种新的结构形式来覆盖大空间，人们开始用这种索－杆组合膜结构代替早期的充气穹顶。1986年圣奥林匹克国家体育中心的体操馆和击剑馆是由Geiger公司设计的。1988年Weidlinger公司设计了Ilinois州立大学Redbird体育场、1989年的Thunder穹顶、1992年的佐治亚穹顶，这些建筑都采用了张拉整体结构体系。

80年代，许多著名的建筑师开始在欧洲国家设计膜结构并改进了设计标准，其工程则别具一格，更为独特。1985年Schlumberger大学是欧洲第一个拥有膜结构的研究中心，采用索－膜的组合结构。足球场上跨越观众席的传统屋顶，容易使下面的空间变暗，而在欧洲建造的膜结构却不会如此。1990年罗马奥林匹克体育场的膜结构从受压环的空间框架上悬挂下来，既轻盈又美观，成为跨越观众席的屋顶最常用的模型，比其他结构取得了更大的合理性和经济性。

如今膜结构建筑已开始在全世界普及。日本和韩国共同举办的2002年世界杯足球赛的场馆中，日本国赛场10个体育场中有6个采用膜结构（新泻体育馆、鹿岛体育馆等），韩国赛场10个体育场中有5个采用膜结构（汉城体育馆、大邱体育馆等)，沙特阿拉伯吉大机场候机大厅的悬挂膜结构占地达42万m2，至今仍是世界上面积最大的膜结构建筑物。

从国内外的实践经验来看，膜结构具有强大的生命力，已成为结构设计选型中的一个主要方案。

膜结构材料的发展

欧美、日本早期的膜结构主要采用PVC涂层的聚酯纤维膜，该膜材料具有强度较高、抗撕裂性能较好，能够满足早期膜结构建筑的需要，但是该材料存在着自洁性能差、不耐紫外线、使用寿命短以及在恶劣气候条件下存在发生事故的可能。后来大跨度膜结构建筑的建设，强度高、自结性能好的PTFE涂层玻璃纤维膜得到了更广泛的应用。上世纪90年代又研发成功PVF和PVDF膜结构，并且在工程中得到应用。

膜结构的著名生产企业主要集中在美国、日本和德国等少数几个发达国家。PVC膜以及PVF膜、PVDF膜主要由法国（Ferrari公司）、德国（Mehler（米乐）公司、Durakin公司）、美国(Seamen公司)和韩国（秀博公司）生产；PTFE膜主要由日本太阳工业株式会社、日本旭硝子株式会社等生产；另外，ETFE膜只有日本旭硝子株式会社等三家企业生产，由于价格昂贵、施工要求高，只用于特定的运动场馆建设。

国内膜结构材料产业发展现状

国内膜结构建筑的发展

我国膜结构建筑发展相对较晚,从1995年开始，只建造了一个面积为3300m2的膜结构，1997年前国内只有少量小型和中型的膜结构建筑；1997年上海举办第八届全运会，其主体育场的看台挑篷采用膜结构，挑篷面积达到3.6万m2,可同时容纳8万名观众。这是我国第一次在大型体育场馆采用膜结构建筑的屋顶，为我国采用膜结构建筑掀开了新的一页，对我国膜结构建筑的发展具有重大的影响。上海体育场采用玻纤PTFE膜材料,全部系进口产品。

从1997年至2001年，五年内建造的膜结构达37万吨；2003年建造的膜结构约18万吨；2005年、2006年建造的膜结构分别超过33和40万吨。预测我国的膜结构将继续以每年15～20%速度增长，2010年将达到60万吨。随着我国经济增长和文化生活的不断丰富，将建造更多的具有新颖功能、形式多样的建筑。 2010年的世界博览会将在上海举行，各种类型的展览馆建设以及全国各地大小不等的膜结构建筑必定将随着膜结构技术的发展，应用越来越广。建筑上膜结构材料具有强大的生命力，必将是21世纪建筑结构发展的主流，市场前景将十分广阔。

国内膜结构材料的发展

自1995年膜结构材料在国内应用以来，高性能膜材料主要依赖进口。同时，我国相关企业、高校等抓紧开展膜结构材料基材、涂层加工技术，涂料及应用性能的研究，通过引进技术和装备，我国部分企业已经能够生产PVC膜材、PVDF膜材和PTFE膜材。宁波天塔集团在国内首家开发出PTFE玻纤膜材，由于所用的6m玻璃纤维比国外所用的3m玻璃纤维要粗，最终产品的性能与国外相比有较大的差异；2002年上海申达科宝有限公司全套引进德国Mehler（米乐）公司PVC＋PVDF粘贴膜技术和德国KKA公司的全套热熔生产线装备生产PVDF膜结构材料，该膜结构材料的结构图如图6所示。

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图6 深圳某中学体育场看台膜结构

但是，国内膜结构材料因物理性能欠佳，或因力学性能不足，尚难以满足国内大型工程和膜结构产业发展的需要。目前，国内90％的膜结构工程采用进口膜材料，如2008北京奥运会国家体育馆-鸟巢、国家游泳馆-水立方全部采用德国FORTEX公司和日本旭硝子株式会社的高性能膜材，仅这两个场馆的膜结构材料就达到32万m2。

膜结构材料的应用前景

膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式，以性能优良的织物为基材，利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。膜材的最大特点是强度高、耐久性好、防火难燃、自洁性好，不受紫外线影响，使用寿命在15～25年，具有高透光率，对热能反射率73%，热吸收量很少。这种独特的结构有着无限的潜力，能适应各种功能，具有强大的生命力，必将成为21世纪建筑结构发展的主流。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/27/2009)


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