膜结构建筑设计浅谈轻型的表面材料

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所周知,膜材的实质是一种轻型的表面材料,这种轻型表面材料的使用已经有数千年历史。从最原始建筑模型之一的帐篷,发展到现在已成为建筑领域不可或缺的一种建造形式。1937年Le Corbusier设计的巴黎世博会展览中心,将过往历史中建造帐篷所利用的手工技巧与现代建筑元素,比如钢材和轻型结构的理念,大胆地结合起来,从而开创了一种新的现代建筑形式。 1 膜结构建筑的应用 1967年蒙特利尔世博会上的德国馆(图1)让更多的人开始注意膜结构建筑。整个20世纪60年代以及70年代早期,几乎在世界各地都建造了一定数量的膜结构建筑,它们分别承载了多种不同功能,其形式本身和功能皆历经了多次检测及考验,证明了膜结构建筑对城市建设所具有的重要意义。 随着1972年慕尼黑奥运会场的成功,膜结构成为了体育场馆建造的重要设计手段,2000年迪拜伯茨酒店(图2),著名的帆船外形使之成为膜结构在建筑立面应用上的典范,而近年来充气膜结构和大型气候壳的发展,也引领了对建筑物气候调节、重物负荷、防火节能等领域的研究应用。 2 膜材的分类 一栋膜结构建筑的完成有赖于多种因素共同发挥作用,其中最形象最直观的就是大面积的建筑膜材本身。正是膜材本身的质量以及特点决定了建筑物此后相当长一段时间内的外观、功能以及客户的满意程度。因为建筑膜材是一种灵活性非常强的建筑元素,只能在施加张拉力的情况下才能得到固定,所以膜材本身的张拉力和弹性都是重要的选择标准。至今为止,世界上大约90 %的膜结构建筑采用了以下三种材料: (1)PTFE(聚四氟乙烯)涂层玻璃纤维,例如伦敦千年穹顶(图3)。 (2)PVC(聚氟乙烯)涂层聚酯纤维,例如斯图加特Gottlieb Daimler体育场(图4)。 (3)ETFE(四氟乙烯聚合物)膜材,例如康沃尔郡伊甸园(图5)。 从20世纪中期开始这三种材料就已渐次运用于建筑领域,使用这些膜材的相关技术都已经达到了相当成熟的水平,且都有潜力在原有性能基础上派生出各种新的材料以满足不同建筑结构的需要,在经济和技术层面上为设计师和客户提供更优选择。 对膜结构建筑或需要使用膜材的其他建筑设计来说,在早期就应该认真考虑诸如膜材选择等的重要问题。在建筑设计的概念阶段要决定选用何种建筑材料,不仅要考虑建筑技术和造型方面的元素,而且要将整个工程的总体投资考虑在内。至于是否采用膜结构建筑方案,或者是否使用某种膜材,则应由项目所涉及的各专业设计人员和客户甚至施工单位共同讨论决定。可以说所有项目,对建筑使用功能和细节要求的考察和评估都对材料选择有很大的影响。例如,按照建筑设计防火规范,某个项目需要绝对防火,那么建筑材料的“不燃性”就是最基本的要求,达不到要求的材料就要排除。同样,不同膜材具备不同的特性,需要对膜材的分类和特性有所了解。 膜的材料分为织物膜材和箔两类,织物膜材又分为涂层和未涂层膜材。未涂层膜材通常用于室内、外悬挂式织物顶棚,也可作为空间隔断、遮光幕、隔热和吸声材料等,由生纤维织物平织或曲织而成。而生产涂层膜材,则需要对生纤维进行一系列的预处理,比如在其两面分别涂上PVC材料或硅树脂(生产聚酯纤维时),或者分别涂上PTFE材料或硅树脂(生产玻璃纤维时)。涂层与纤维间存在的强大胶着力使得以搭接缝方式联合起来的各涂层织物表面能够产生大或等于材料本身的力量。在膜材的生产过程中,涂层在膜材生产中有着重要的角色,它一方面可以保护织物免受诸如潮湿或紫外线等的损害,另一方面也可以增强强度和抗污力延长织物的使用寿命。