膜结构在剧场中的应用分析
膜结构在剧场中的应用分析 膜结构是一类重要的柔性结构，建筑膜材轻质高强、柔软易张拉，赋予了膜结构建筑形式轻盈，造型多变的特点。膜结构的形式创新与膜材料的材料性能改进密不可分，作为一种强调视觉表现力的建筑材料，建筑膜材不仅在力学性能方面有较高的要求，在其他建筑物理性能上也有适应不同建筑功能的不同需要，如透光与防紫外线性能、建筑热学与保温性能、建筑声学与隔声性能等。其中，透光性是建筑膜材相对其他建筑材料特有的优势，也是膜结构建筑相对其他建筑结构类型特有的优势。建筑膜材的光学透过性能主要分为透光性和透景性两种类型，透光性是指允许一部分光穿过膜面进入到内部空间，为建筑内提供自然光照的性能；透景性又称透明性，是指可以直接透过膜材看到对侧景物的特性。除部分深色涂层织物膜材外，大部分膜材都具有不同程度的透光性；透景性则仅有少数膜材如乙烯–四氟乙烯共聚物(ETFE)薄膜等具有。
目前，常用的建筑膜材主要分为涂层织物膜材与聚合物膜材两种。涂层织物膜材是在高强纤维织成的基布上涂覆保护涂层制成的，其强度高，适用于大跨度张拉膜结构，但由于膜片上纤维密布，一般仅具有一定程度的透光性，不具有透景性。聚合物膜材的代表为 ETFE 薄膜，该材料本身透明，挤压成型后的薄膜既可透光又可透景，但由于材料本身强度低，难以应用于张拉膜结构中，一般仅以气枕、气囊等形式作为建筑外表面的附着。除此以外，网格膜也是一种建筑外立面的常用织物材料，这类材料反射大部分光线，具有较低程度的透景性，常用于建筑幕墙等，用于吸声和营造室内漫射光的效果。在现有建筑膜材中，缺少一种既具有足够的材料强度，又具有透光透景性能的材料，限制了透明张拉膜结构的设计发展。
作为透明张拉膜结构的一种解决方案，法拉利公司(Serge Ferrari Co.，Ltd)研究生产了一种新型建筑膜材，命名为 STFE-50。S 代表用于结构的高材料强度(Structural)，T 代表透明性(Transparent)，F 代表氟化聚合物(Fluorinated)，E 代表应用于建筑外表皮(Envelope)，编号 50 代表膜材的透光率略高于 50%。
不同于 ETFE 膜材的几乎全透明(透光率超过 90%)，STFE 膜材的透光率约为 53%，这种透光性是由其纤维的稀疏排布实现的。如图 1 所示，STFE 膜材由结构网格与透明膜片胶合而成，结构网格由高韧性的聚芳酯纱线沿经纬向织成，膜片为含氟聚合物透明薄膜，结构网格中纱线三根一组，一组内纱线间距约 2 mm，相邻两组纱线间距离约 8.5 mm，如图 2、图 3 所示。
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图1 STFE 膜材组成
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图2 STFE 膜材纱线排布
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图3 STFE 膜材纱线网格尺寸 mm
STFE 膜材所用纱线直径约 1 mm，纱线断面接近圆形，不同于一般涂层织物膜材的纺锤形扁状纤维。纱线更粗、强度更高使得 STFE 膜材不需要纱线布满膜面就可以获得足够的材料强度，从而在膜面上空出了大面积的透明区域。
由于纱线较粗，STFE 膜材的透明效果需要隔远观察。如图 4 所示，在近处(1 m 距离)观察时，会看到膜面上的纱线，在距离较远(10 m 距离)处观察时，纱线基本消隐不见，观感类似于透明材料。
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图4 STFE 膜材不同距离观感
相比涂层织物膜材，STFE 膜材的纱线排列稀疏，覆于纱线网格上的膜片是透明的，光学性能和表现效果更佳；相比 ETFE 膜材，STFE 膜材附着了高强纱线，保证了膜材具有一定的强度，可以用于大跨度膜结构；相比网格膜材，STFE 膜材结合了透明薄膜片，满足建筑外立面或屋顶遮风挡雨的需求，且改善了透光效果。除此以外，STFE 膜材还具有很好的耐折性，折叠后不损失强度(与玻璃纤维织物不同)；并且具有优异的防水性、隔声性、阻燃性等物理性能。总体来说，STFE 膜材是一类结合了以往多种膜材优势的新材料，可以应用在不同的膜结构建筑场景中。
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