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1、E T F E 膜面材料与气袋膜在屋面工程中的应用 吴清，唐钷，那向谦t ( 清华大学土木系，北京1 0 0 0 8 4 ) 摘要：本文比较详细的介绍了新型材料E F T E 的一系列力学、化学等性能。通过对E T F E 在国外诸多充气被式膜结构工 程中的应用研究，进一步解读E T F E 在中国的应用前景。最后，对使用E T F E 膜材所应注意的问题进行了分析，并提出建 议。 关键宇：E T F E ；力学性能；充气被式膜结构；工程应用； 1 前言 目前常用的建筑膜材料主要分为三类，分别称为：P T F E 膜材料，它的织物基材为玻璃纤维，膜材涂 层的主要成分为聚四氟乙烯树脂a 旧F E
2、 ) ；P V C 膜材料，它的织物基材为聚酯类、聚酰胺类纤维的织物，它 的涂层主要成分为聚氯乙稀类P V C 树脂，涂层的表面复合聚偏氟乙烯树脂P V F 、硅树脂等使其具有光洁 度和自沽性；E T F E 膜材料，无织物基材，主要成分为乙烯一四氟乙烯共聚物。 前两类膜面材料也称为织物类膜面材料( F a b r i c ) ，因织物纤维的存在使它具有抗拉性能，如对其施加 预张拉应力，则使空间形态的膜面具有刚度与强度。由织物膜面、结构索与支撑构架能够组成高效率的现 代张力结构体系。 E T F E 膜面材料( F i h ) ，因无织物基材，E T F E 膜材料的透光光谱与玻璃相近，俗称“
3、软玻璃”，可以 用其建造需要充足室内阳光的建筑物的屋盖或墙体。E T F E 膜材料允许产生大的弹性变形，其延伸率可达 4 2 0 4 4 0 ，并会出现蠕变性延伸，不适宜作为具有抗力要求的结构膜面【l 】。 上个世纪5 0 年代出现了现代充气式膜建筑，它分为如下两种类型。 气撑式膜建筑：它依靠送风系统向室内充气，造成超压的室内空间，顶升膜面构成屋盖。实际应用中， 充气膜结构需要不问断的能源供应，运行与维护费用高，室内的超压使人感到不适，空压机与新风机的控 制系统和融雪热气系统的隐含事故率高等问题，因此充气式膜建筑逐渐受到冷：遇1 2 1 3 1 【4 】。 充气被式膜建筑，它是由充气的膜被构
4、成能承受外力的结构构件，如气被拱、气被壳、等，围合而成 的建筑空间。充气被式膜建筑的室内无超压。 以E T F E 薄膜最具代表性和竞争性。目前，国内尚无E T F E 膜材工程，有关E T F E 膜材的文献也相对 较少。但国家游泳馆“水立方”和国家体育馆“鸟巢”都将使用该类膜材【5 】。本文摘录有关文献，介绍E T F E 膜材的性能，结合国外已有的工程，分析在实际工程中使用E T F E 膜材而需解决的技术问题。 、 2 E T F E 简介 E T F E ( E t h y l t e t r a f l u o r e t h y l e n e ) 是一种半结晶性、半透明的乙烯一
5、四氟乙烯共聚物，E T F E 膜材由日 本最早合成并制成膜面材料。1 9 9 6 年美国最早使用E T F E 膜材做建筑屋顶，目的是引进阳光达到节能效果。 在此后的l O 年里，E T F E 膜材得以广泛应用，典型的工程实例有：西班牙马德里的斗牛场；英国的伊甸园 屋盖；德国慕尼黑安联体育场遮阳篷。E T F E 膜材具有轻质、良好的热功性能、较高的太阳辐射传递以及 透光性能，对于需要室内透入自然光的建筑，它具有广泛的应用前景。 作者简介：那向谦( 1 9 4 3 8 ) 男北京人，清华大学教授。从事建筑与结构工程研究( E m a i l ：n a x q m a i l t s i n
6、 g h u a 单u c a ) ； 吴清( 1 9 8 1 6 ) ，男，湖南人，清华大学硕士，学生从事结构工程研究；。 唐钷( 1 9 8 2 5 ) ，男，贵州人，清华大学硕士，学生，从事结构1 二程研究。 I I I 2 5 4 2 1E T F E 作为建筑膜材的诸多优点： ( 1 ) 轻质：重量约为同等尺寸玻璃板的1 1 0 0 ，用作建筑屋顶，大大减轻结构重量，提高安全度。 ( 2 ) 良好的透光性：通过实验室数据表明，E T F E 的透光和玻璃的透光光谱基本一样，E T F E 具有很 高的紫外线穿透率，适合作为温室和休闲场所的屋顶。 ( 3 ) 宽范围的使用温度：长期使用
7、温度为2 0 0 - 1 5 0 ，短时达2 3 0 ； ( 4 ) 隔热性：隔热能力强于玻璃，可以节省能源。 ( 5 ) 声学：传声性能好，能有效消除回声。 ( 6 ) 极佳的抗化学性：几乎和所有的化学品都不反应，具有极佳的防腐蚀性能。 ( 7 ) 力学性能适合于建筑结构使用：抗拉强度达到4 0 M P a 以上，在低于2 0 M p a 时膜材呈完全弹性， 承载能力可以达到其自重的4 0 0 倍。抗剪切、撕裂能力强。低温抗冲击强度冠于现有氟塑料之首，且抗折 叠性能强。起抗拉强度和拉力应变等值如表l 所示。 表1 ：E T F E 的力学性能： 厚度( 微米)重量 4 0 4 0 3 0 0
8、 3 0 0 3 0 0 3 0 0 ( 8 ) 耐候性极佳：直接曝露于阳光、雨水或废气中没有损耗或变形，长时间曝露于室外力学性能并 无改变。E T F E 膜结构的使用寿命设计为2 5 3 0 年。 ( 9 ) 维护性：具有很好的自洁性，灰尘和污迹随雨水冲刷而去。抗冰雹冲击，在冰雹作用下玻璃屋 面将被砸碎，而E T F E 将仅留凹痕。 ( 1 0 ) 可回收性：E T F E 膜材可以被热熔成颗粒状并重新整合。 2 2E T F E 作为建筑膜材使用的不足之处 E T F E 膜材可以称为软玻璃，如用它替代玻璃其建筑物理不足之处如下： ( 1 ) 透光性：纵然E T F E 与玻璃的透光性
9、几乎一致，然而作为屋顶的采光构件，它通常做成双层充 气的气袋，由此导致它的实际透光率不及玻璃，如果在添加上隔音和隔热材料，整个建筑内部的透光性将 受到进一步的影响。 ( 2 ) 防火：E T F E 膜材的燃烧点低于玻璃，且会产生有毒的气体( 如一氧化碳和氟氢化物等) 。但由 于E T F E 燃烧时不产生明火，且形成空洞，易于火灾中建筑物内部的烟尘和有毒的气体发散到室外。 ( 3 ) 隔热：外辐射易透过，夏天空调能量消耗大。 ( 4 ) 声学：大雨和冰雹时，将产生与敲鼓类似的噪声。 ( 5 ) E T F E 膜材没有编制纤维的基材，故它的张拉强度低于一般有基层的膜材，跨度不能做得太大， 大
10、于1 0 m 就要用多层或钢索加固。、 ( 6 ) 需要不断充气来维持气袋内具有一定的气压。对电源和相关设备要经常维护保养。 ( 7 ) 突然的停电会使气袋内气压下降，会影响它的建筑功能。 ( 8 ) 目前E T F E 材料的价格较常用的膜材贵，如果再加上充气用的机械和电子设备，它的基建投资 高，整个使用过程的维护费用也高。 2 3E T F E 膜材与P V C 和P T F E 织物膜材的部分性能比较 表2 为E T F E 膜材与P V C 和P T F E 两种常用织物膜材的部分性能比较，从表中可以看出，E T F E 膜材 在透光性、可清洁性和使用寿命方面的优势较为明显，但是价格相
11、对较高【1 1 0 此外，P V C 膜材和P T F E 膜 I I I 2 5 5 材属于复合膜材，它的基层是纤维织物材料，故它具有较高的抗拉强度。E T F E 膜材是单层的聚酯膜材料， 它是大变形抗拉弹性材料，不具备结构抗拉性能，E T F E 膜材通常做成气枕形式，对气枕内压入气体后才 能成为结构承力构件。 表2 ：E T F E 膜材与P V C 和P T F E 两种常用织物膜材的部分性能比较 P V C 为面层的聚酯织物P T F E 为面层的玻璃织物 E T F E 抗拉强度：经向纬向( K N m ) 1 1 5 1 1 0 21 2 4 1 0 0 1 0 1 2 ( 0
12、 2 5 r a m 膜材) 织物的重量( g r e )1 2 0 0 ( 类型3 ) 1 2 0 0 ( 类型G 5 ) 4 3 7 5 可见光的透光率( )1 0 - 1 5 1 0 - 2 0 9 5 弹性折痕的恢复能力 高低 高 可清洁性比顶层面层容易自洁性 自洁性 使用寿命 1 5 - 2 0 2 5 2 5 成本低高 高 3 E T F E 在国外索膜结构中的应用实例 3 I 西班牙马德里斗牛场采用E T F E 膜材制成气袋膜屋面结构工程 马德里斗牛场采用E T F E 膜材制成气袋膜屋面结构工程，该工程于2 0 0 1 年完工，位于西班牙马德里的 一个斗牛场，容纳1 4 0
13、0 0 人，工程总造价为2 8 0 万美元。 马德里斗牛场的屋面结构为解决采光与通风问题，在悬挑式遮阳篷的中部开口，再通过支撑桅杆托起 圆形的采用E T F E 膜材制成的巨大气袋膜，气袋膜通过足够的气压保持稳定以承受风荷载和雪荷载。气袋 膜与悬挑遮阳篷之间的空隙是斗牛场内空气流的上方出口。气袋膜中心点的高度是1 2 米。气袋膜的上层 膜材选用P V C 膜材，下层膜采用E T F E 膜材，这样做可以防止阳光与紫外线直射场内，同时保证有足够 的天光进入斗牛场内。气袋膜的上下表面均有索网支撑。向气袋膜内加入足够的气压，用以保持它的稳定 并能承受风荷载和雪荷载。气袋膜的直径5 0 m ，膜投影面
14、积近2 0 0 0 平方米，消耗P V C 膜材和E T F E 膜材 各2 5 0 0 平方米。巨大气袋膜屋顶可以沿着竖立的支撑桅杆上下滑动，调整场内的通风量，由底向上完全 开放耗时2 分钟，完全开放时提供最大的通气量，见图l 一图3 。 图：I 屋顶封闭状态 图2 ： 屋顶开启状态图3 ：气袋膜沿竖立的支撑桅杆滑动 图4 ：仰视看开启的气袋膜与蓝天 气袋膜的外层采用P V C 材料，既节省造价，满足使用要求，又可以在观众席上透过E T F E 内膜看到 半透明的P V C 外膜曲面，从而产生有趣的穹顶效应，如图4 所示。而里面的膜层不仅可以为观众遮风挡 雨，抵抗强太阳光的照射，还能使观众有
15、一种置身室外的开阔感。 3 2 英国伊甸园生物群落中心采用E T F E 气袋膜材制成的拱形穹顶 伊甸园位于英格兰西南部康沃尔郡圣奥斯特尔附近一座废弃的粘土矿区，伊甸园是一幢可调整室内温 湿度的，阳光与紫外线直接射入的巨型人造空间。伊甸园在山坡下，圆弧形的8 个穹顶相互转折连接延伸 长度达8 6 0 m ，见图5 。伊甸园耗资8 7 0 0 万英镑，于2 0 0 1 年3 月建成。设计寿命达3 0 年，是目前世界上 最大的生物群落中心。该工程被誉为世界上采用E T F E 气袋膜材制成奇观。 I 2 5 6 伊甸园设计是受了科幻小说的灵感激发而做，看起来像蜂巢、苍蝇眼、青蛙卵。伊甸园设计中巧妙
16、的 利用了废弃的粘土坑，它对构成伊甸园的内部空间作用非凡。 图6 多边形支撑框架 图5 伊甸园全景 图7 伊甸园建成后对外开放 伊甸园由8 个穹顶组成，最大跨度为1 2 4 m 。而每个穹顶都是采用格构钢管拱架支撑一系列六边形和 五边形拼成穹顶骨架。各个穹顶之间由三弦杆的格构钢管拱架连接。气袋膜面置于一个六边形的框架之上。 其中最大的正六边形，骨架为钢管，直径约为9 m ，见图6 。建筑使用要求穹顶是足够光滑的E T F E 膜材构 成的气袋膜，且具有强度。顶部的气袋膜由3 层E T F E 膜材粘合构成，每层E T F E 膜材厚0 5 毫米，充气 后气袋膜的厚度2 米。气袋膜构成的穹顶设计寿命达3 0 年。最大的穹顶长2 0 0 米，宽1 0 0 米，6 5 米高。 穹顶的是如此的轻，伊甸园内部的空气的重量是框架钢管和聚合物的总重。伊甸园从1 9 9 6 年开工，耗时 五年完成。见图7 。 伊甸园穹顶的气袋膜需要与空气
