高分子膜材料的特点及其在悬索结构建筑中的使用

　　1 高分子膜材料简介

　　1.1 高分子膜材料的定义

　　高分子材料也被称为聚合物材料，是以高分子化合物为基体，再配有其他添加剂（助剂）所构成的材料[1].按照化学成分，目前使用最多的要属复合高分子材料，它们大都由几种不同组成、不同性质、不同形状的物质复合粘结而成的多相材料。例如：高分子膜材料就是以有机高分子聚合物为原料，采用膜分离技术制成的具有选择性透过功能的半透性薄膜[2].常见的有 PVC 膜、PTFE 膜、PVDF 膜、PVF 膜等，近年又诞生 ETFE 膜、法拉利膜等，凭借着轻质高弹、高强耐用、卫生洁净等诸多优点活跃于石油业、建筑业、医药业、农业等各个领域。

　　1.2 高分子膜材料的种类

　　所谓的高分子膜材料，大多是强度高、柔韧性好的一种涂层织物薄膜。总体上讲分有两部分：基材织物与外涂层。内部基层织物决定材料的抗拉强度、抗撕裂强度，表征材料的力学性能；外涂层决定材料的耐火性、耐候性、防水性、自洁性等，表征材料的物理性能。如按上述材料的耐火性将膜材分类，目前建筑业广泛认可的分类标准是日本JIS-93 所规定的 A、B、C 三类[3]:A 类最佳，代表不燃，是指在玻璃纤维织布上涂敷聚四氟乙烯树脂（PTFE 含量占90%以上）而形成的复合材料；B 类次之，代表燃烧但不致烧穿，是指在玻璃纤维织布上涂敷聚氟乙烯（PVC）、氯磺化聚乙烯橡胶（CSM）、氯丁橡胶（CR）等成分而形成的复合材料；C 类最差，代表燃烧但不致蔓延，是指在聚酯纤维（PET）织布、涤纶织布上涂敷聚氯乙烯（PVC）、氯磺化聚乙烯橡胶（CSM）、氯丁橡胶（CR）等成分而形成的复合材料。

　　若按涂层材料分，有聚四氟乙烯膜材（PTFE）、PVC 膜材以及加面层的 PVC 膜材（例如聚氟乙烯膜材 PVF 或聚偏氟乙烯膜材 PVDF）三大类。此外，还有一种膜材叫做 ETFE膜，没有玻璃纤维织布作为基材，透光性更强。

　　1.3 高分子膜材料的性能分析

　　1.3.1 自重小 高分子膜材料现已被公认为是继砖、石、混凝土、钢材和木材之后的“第六种建材”,其重量仅占传统材料的 1/30,特别适合建造大体量建筑，营造大跨度空间。

　　1.3.2 造型优美、表现力丰富 膜材的突出特点之一就是方便塑造多样的形状，曲面存在无限的可能性。当膜材料选择钢索作为骨架支撑方式时，其曲面可以随着建筑师的想象力而任意改变。视觉冲击力极强的膜片接缝处采用钢制节点，充满张力，特别是斜拉索膜结构能够给人以强大的艺术感染力和神秘感。

　　1.3.3 施工简便、节省工期 拼接膜材时结构接缝处多采用热焊，非结构接缝处多采用缝合，施工过程简单，速度快，安装拆卸方便。

　　1.3.4 光学性能优良 优良的光学性能主要体现在防紫外线和高透光率两个方面。高分子膜材料可滤除大部分紫外线，防止内部物品褪色。自然光透射率可达 25%,之后转为均匀的漫射光，无阴影无眩光，这样在白天可以为室内省去不少电能。夜幕降临，室内与室外的人工照明透过膜材料的特殊感光性质使得建筑外观被笼罩着柔和的光辉，美不胜收。

　　1.3.5 保温、防火、安全性高 单层膜材的保温性能可与砖墙相抗衡，优于玻璃。再者，它可以很好的满足防火要求，具有卓越的阻燃与耐高温性能，使用安全。

　　1.3.6 自洁性好 由于膜材表面光滑、弹性好，故大气中的粉尘颗粒等极难附着其上，在雨水冲刷下短时间内便可恢复原有面貌，进而省去一部分后期维护工作，节约运营成本。

　　1.4 高分子膜材料在建筑设计过程中的影响因子

　　1.4.1 找形分析 高分子膜是一种柔韧性好、自重轻，不具有抗压、抗弯刚度，抗剪强度薄弱的材料，因此存在特殊的灵活性，这点为找形工作带来困难，需要利用钢索的固定和施加预应力的方法得到稳定形态。在施加预应力的过程中，先通过初始预应力找到初始形状，以此为基本形态，随着预应力的变化逐步调整膜材的曲面形态以达到受力平衡。因此，膜材料的找形工作是一项细致反复的工程，建筑师与结构师密切配合最终才能够在一定边界条件内找到理想的几何外形与安全的应力分布共同被满足的结合点。目前，找形分析主要依靠计算机迭代算法、动力松弛法、力密度法以及有限元法等实现[4].

　　1.4.2 荷载分析 影响膜材受力的荷载因子主要为雪荷载与风荷载。膜材轻柔，自振频率很低，在风力作用下产生风振，致使膜布被撕裂。原因就是风荷载施加之初，外力导致形状发生改变，内力分布也跟着发生变化，材料内应力在一个方向迅速增大的同时另一个方向减为零，最终材料变形严重，发生褶皱或者破裂。因此，荷载分析在设计过程中的重要性不可小视。

　　1.4.3 裁剪分析 如何将平面二维的单元膜片组合成立体三维的结构空间？这就需要膜片迎合数根钢索限定出空间形状。首先，将单个膜片弯曲成空间曲面就会产生误差；其次，膜材作为各向异性材料，在与相邻膜片单元的缝合过程中，也会多少相互排斥，不会完全按照操作者的意愿进行，不可避免地迥异于预设形状。总体而言，布置膜面裁剪缝合时要考虑表面曲率、膜材料的幅宽、边界的走向及美观等几个重要原因，尽量减少误差。借助电子计算机软件的绘图与分析功能，统筹规划与方案设计，严格进行钢索与膜材的下料与构造节点零件的加工，使高分子膜材料在建筑设计过程中的作用得到充分发挥。

　　2 高分子膜材料在悬索结构建筑中的应用价值

　　悬索结构建筑作为大跨建筑的一种重要形式现被广泛应用。深究其原因，无非是合理的结构布置、得当的材料选择营造出备受欢迎的大跨空间。在悬索结构建筑的发展史上，常以跨度的变更作为衡量其发展速度的标准。高分子膜材料的产生为其跨度发展立下了汗马功劳。主要表现在屋面结构的选材上，从最初仅能跨越几十米的预制混凝土板、钢丝网水泥板到跨越过百米的压型薄钢板、铝合金板材、塑料板、木板，再到更大跨度的轻巧薄膜织布，屋面材料在自重上的减轻带来了大跨建筑巨型空间的屡次飞跃。

　　高分子膜材料在悬索结构建筑中的贡献除了创造巨型大跨空间外，其与线索、索网的“刚柔相济”的搭配也呈现了完美的美学效果。高分子膜材料在悬索结构建筑中的应用方式有三种：预应力张拉式，骨架支撑式和索穹顶。预应力拉张式的膜面采用钢索张拉成型。其索膜体系富有表现力，常常出现在大型竞技的体育场馆中，也有的应用于景观小品工程，结构布置相对灵活，可塑性好，是索膜建筑的代表和精华。骨架支撑式的膜面，顾名思义，是以刚性支撑作骨架，膜面仅作围护用。在这种体系中，刚性骨架受力自平衡，膜材的力学性能得不到发挥。例如在悬索结构中，刚性支撑为劲性缆索，一般由高强钢丝组成的钢丝绳，钢绞线或平行钢丝束，通过与膜材的可靠锚固创造出含蓄的建筑形象。索穹顶根据其组成形式不同分有盖格体系、利维体系和凯威特体系三种[5]（图 1,图2,图 3）。三种体系需要的索网编织方式不同，屋顶的施工复杂程度不同，适用平面形状有区别，这时膜材就要因地制宜，合理的铺设角度和精确的尺寸大小成为选材前考虑的关键因素。

　　然而，据国际工业织物协会 IFAI 的相关调查表明[6],我国建筑师对高分子膜材的使用并不热情。原因在于：①灵活轻柔的膜材在外环境影响下很难成型，这样延长了结构计算的时间，无形中增加了设计成本；②业界对膜结构和膜材料的理论知识掌握不充分。众所周知，膜材作为一种朝阳建材，在我国的使用尚未普及，匮乏的直接经验为膜材的传播设置了障碍；③目前，国内的高分子膜材生产商有限，技术水平和产品质量不过关，为防止作为建材被使用之后造成安全隐患，往往要从国外进口，增加了建造成本。只有尽快拨开上述迷雾，高分子膜材料在我国的建筑市场才能有更广阔的发展前景与更宝贵的应用价值。

　　3 高分子膜材料在悬索结构建筑中的应用举例

　　3.1 加拿大蒙特利尔世博会联邦德国馆

　　1967 年，德国建筑师兼结构工程师费瑞·奥托为蒙特利尔博览会设计并建造了德国馆（俗称德国大帐篷）（图4）。这一索膜结构建筑仅仅耗时 6 周便揭开了面纱。优美的结构由 8 根钢缆制成的长短不一的桅杆作支撑，上面绑着塑料织布网和柔性钢索网，有桅杆的张力结构借鉴帆船和缆绳的工作原理，承受巨大预张力和拉力的桅杆与织物膜相结合，打造别具匠心的大跨空间结构和创意十足的艺术形象，飘浮在钢缆支杆上方的白色塑料膜布在柔性网的笼罩下呈现出起伏连绵、动感活跃的视觉体验，不愧是当年展出期间最受好评的展馆之一。白色塑料膜布的使用在当时可谓创下新高：它是一种由 PVC 覆盖聚酯纤维织物和透明的 PVC 膜片放置于不同位置形成的，以适应不同程度的荷载分布。这种材料在当时之所以盛行，归咎于其本身具有的一系列优良性能：韧性好，中等强度的 PVC 膜片厚度仅 0.61mm 但其拉伸强度相当于钢材的一半，价格适中，运输方便，易着色，因此被广泛应用。但 PVC 聚酯纤维膜材有一个致命的缺点就是不耐老化，特别是在恶劣的室外环境下它的老化进程会被加快，作为建筑室外材料这无疑给建筑物安全带来隐患。因此，科学家们想到在传统工艺中加入热、光、氧等惰性剂来延缓其老化。再者，PVC涂层中含有的增塑剂极易向表层迁移，该物一旦和灰尘颗粒黏在一起便很难清除，自洁性也是个难题。为了升级膜材的实用价值，科学家们致力开发更优化的膜材已成为历史不争的事实，PVC 膜材逐渐被另一种叫做 PTFE 膜的建材所取代，并应用于永久性大跨建筑。

　　3.2 英国千年穹顶

　　千年穹顶建成于 1999 年，是英国政府为了迎接 21 世纪而兴建的标志性建筑。该穹顶直径 320m,外围周长超过1000m,有 12 根穿过屋顶高达 100m 的桅杆支撑着上部张力悬索膜结构。从桅杆的顶点以辐射状发射出的钢索共计72 根，这些钢索通过间距 25m 的斜拉吊索与系索和屋面膜材可靠拉结锚固，吊索与系索的存在成为桅杆与屋面的衔接固定物件，共同作用形成了体量惊人的建筑空间整体形象（图 5）。然而，大面积银白色膜面材料占据了整体建筑元素中的绝大部分比例。屋面膜材原先采用以聚酯为基材的织物，后考虑使用年限长改用涂聚四氟乙烯的玻璃纤维织物（PTFE）。相对于 PVC 聚酯纤维织物，聚四氟乙烯玻璃纤维织物有更高的强度，更好的自洁性，但加工成本比较昂贵。PTFE 膜材诞生于上个世纪 70 年代初，由盖格公司领头，包括美国杜邦公司、康宁玻纤公司、贝尔德建筑公司、化纤织布公司共同组成的研究小组在美国福特基金会的支持下研发成功。具体加工方法是将玻纤织物多次快速放入特氟隆熔体中，使织物两面粘上均匀的特氟隆涂层[7].

　　1973 年此材料首次应用于美国加利福尼亚拉维斯学院的一个学生活动中心的屋顶上，20 年的跟踪检测表明，PTFE膜材的力学性能与物理性能基本稳定，这为 PTFE 膜今后的发展铺设出宽敞的道路。难怪在 1999 年冬季的一场暴风雨过后，加拿大蒙特利尔奥林匹克体育场的屋面材料PVC 覆盖 Kevlar 织物被撕裂，最终更换成以 Teflon 涂敷的玻璃纤维织物才得以存活至今。

　　3.3 威海市体育中心体育场看台挑篷

　　威海市体育中心体育场建成于 2001 年，由哈尔滨建筑大学主持设计。全建筑面积 4.2 万 m2,可同时容纳 3.2万名观众。这座体育场的亮点在于采用全张拉悬索膜结构的看台挑篷，造型新颖别致，在国内、国际范围内首屈一指（图 6）。该挑篷由 34 个伞形膜单元组成（图 7），每个膜单元包括桅杆、前后拉索、脊索、谷索、边索和膜片主体，共同组织成单尖单柱形式（图 8），整体外观呈马鞍形，投影呈近似椭圆形，长轴总长 236m,两侧看台挑篷挑出 16.14m;短轴总长 206m,两侧看台挑篷挑出 30.87m.膜单元顶部覆盖物采用法国法拉利 PVDF 白色膜材，型号 1202T[8],该种膜材在 PVC 膜材的基础上进行改良，在 PVC 表面涂一层聚偏氟乙烯 PVDF 达到保护基层的目的。PVDF 还是一种含高结晶度的化合物，独特的分子结构赋予了它优良的抗紫外线、抗老化和一定的防污性能，加上它可以用溶液直接涂抹，生产加工十分便利，因此发展迅猛。近年来，新工艺将 PVDF 和硬化介体完美结合，相比之前的同类膜材，此种材料的机械强度、使用寿命明显提高，并能够长期保持织物建筑的原始美观，使膜材在诸如体育场等大型建筑中的应用层面又被提升了一个等级，进而满足人类更高级的生产活动需求。

　　4 结语

　　高分子膜材料在悬索结构建筑中的应用仅仅是冰山一角。本文以此作为引子和媒介，旨在唤起以建筑界和材料界为首的各界研究者对高分子膜材料的重视。尤其在中国，高分子膜材料的生产和使用还处于初级阶段，生产商技术水平低，施工承包商责任心不强，这势必导致膜材料的应用出现良莠不齐、鱼龙混杂的状况。为此，我们只有潜心研究开发新型安全的绿色膜材，在不久的将来中国的膜材市场才会从低谷走向高潮，迎来高分子膜材料在中华大地上的新生!

　　参考文献：
　　[1]高军刚，李源勋。高分子材料[M].北京：化工出版社，2002.
　　[2]耿奎士，董然。高分子膜材料的研究概况[J].合成树脂及塑料，1993,10:52-57.
　　[3]李阳，张其林。建筑膜材性能及试验研究现状[J].玻璃钢/复合材料，2006（2）：53-56.
　　[4]叶献国。建筑结构选型概论[M].武汉：武汉理工大学出版社，2004:209-210.
　　[5]刘扬。索膜结构及其对建筑设计与表现的影响初探[D].北京：清华大学，2004.