淺談綠色建筑理念下的膜結(jié)構(gòu)問題

王宇緯，孫中秋

四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院（610207）

0 引言

從1970年日本大阪萬國博覽會上膜結(jié)構(gòu)第一次集中展示到近半個世紀(jì)后的上海世博會中“一軸四館”永久場館之一的世博軸體現(xiàn)了膜結(jié)構(gòu)強(qiáng)大的生命力。同時在大力倡導(dǎo)綠色建筑的背景下，膜結(jié)構(gòu)作為一種環(huán)保、節(jié)能、質(zhì)輕的結(jié)構(gòu)體系，正受到越來越多的重視。隨著膜結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)上的發(fā)展，毫無疑問，它將成為21世紀(jì)“綠色建筑體系”的一大亮點(diǎn)。本文將對這種新型空間結(jié)構(gòu)體系作相應(yīng)的介紹及分析。

1 膜結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀和優(yōu)缺點(diǎn)

從廣義方面講,只要是使用了膜材料的結(jié)構(gòu)都稱之為膜結(jié)構(gòu)，而狹義上膜以結(jié)構(gòu)支撐體系存在的只有充氣膜結(jié)構(gòu)，其他的都是與別的構(gòu)件組合而成。本文述說的是廣義上的膜結(jié)構(gòu)，按照支承方式它可分為充氣膜結(jié)構(gòu)和張拉膜結(jié)構(gòu)。充氣膜結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)了很多問題,在我國很少使用。張拉膜結(jié)構(gòu)是由網(wǎng)索結(jié)構(gòu)和帳篷結(jié)構(gòu)發(fā)展而來的,按照結(jié)構(gòu)組合形式分為懸掛張力膜結(jié)構(gòu)、骨架支承膜結(jié)構(gòu)和復(fù)合膜結(jié)構(gòu)三種。在長期的發(fā)展實(shí)踐中，它們有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其中復(fù)合膜結(jié)構(gòu)是近幾年才熱起來的新型結(jié)構(gòu)形式,它克服了充氣膜結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，又體現(xiàn)了空氣膜結(jié)構(gòu)的造型美、跨度大等優(yōu)點(diǎn)[1]。

1994年我國第一個膜結(jié)構(gòu)專業(yè)公司成立，1997年上海第八屆全運(yùn)會八萬人體育館中的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,國家游泳中心“水立方”圍護(hù)膜結(jié)構(gòu)和世博軸膜工程，都說明膜結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展是很迅猛的。近幾年來，全世界倡導(dǎo)綠色建筑，膜結(jié)構(gòu)備受推崇，歸納起來，其有兩個發(fā)展方向:一是大型體育場館和展覽中心；另一條是膜結(jié)構(gòu)小品建筑，如住宅小區(qū)的公共設(shè)施、加油站、露天劇場等。

作為一種新型結(jié)構(gòu)體系，它有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):

1）自重輕，跨度大。在滿足強(qiáng)度與剛度條件下，膜結(jié)構(gòu)材料體積小，自重輕，容易形成大跨度，且其單位面積的質(zhì)量不會因?yàn)榭缍鹊脑黾佣黠@增加。

2）建筑造型自由、豐富、別致，富有時代氣息，不僅可以用于大型公共建筑也可用于景觀小品,為建筑師提供了更多的創(chuàng)作空間。

3）透光性能好，陽光透過薄面可在室內(nèi)形成漫射光，白天大部分時間無需人工采光，節(jié)約了照明費(fèi)用及電力，符合綠色建筑的設(shè)計理念，充分利用了太陽能等自然資源，耗能小,而晚上的室內(nèi)燈光透過膜面給夜空增添了夢幻般的夜景。

4）易于施工。膜材的裁剪、粘合等工作主要在工廠完成，現(xiàn)場主要是將膜成品張拉就位的過程，裝配相對簡單，施工速度快。

5）安全性好。膜結(jié)構(gòu)屬柔性結(jié)構(gòu)，自重輕，具有優(yōu)良的抗震性能。膜材料通常是阻燃材料或不可燃材料，因此具有較高的安全度。同時，膜結(jié)構(gòu)的柔性使其在任一荷載作用下均以最有利的形態(tài)承載，更大效率地抵抗外力。

6）自潔性能優(yōu)良。膜材料表面涂層，特別是聚四氟乙烯（PTFE）涂料具有良好的非粘著性，大氣中灰塵不易附著滲透，而且表面的灰塵會被雨水沖刷干凈，使得建筑能自己保持清潔與美觀[2]。

在這么多優(yōu)點(diǎn)的背后當(dāng)然也有不少缺點(diǎn):①由于我國自身技術(shù)不成熟，很多東西都要進(jìn)口，故工程造價偏高。②自重輕，也就意味著其豎向穩(wěn)定性可能會受到影響，沒有傳統(tǒng)建筑的穩(wěn)定性好。③跨度大了,抗局部荷載作用能力就差了，容易出現(xiàn)褶皺、局部破損甚至整體破壞等問題。④跟透光性能好矛盾的是其隔音性能也好,導(dǎo)致其不可能運(yùn)用在所有建筑中，同時隔熱效果也大打折扣，需要尋求新的膜材料來改善隔熱性能。⑤作為新的建筑結(jié)構(gòu)體系，膜結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)也沒有很成熟，比如結(jié)構(gòu)計算分析，傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計軟件基本成熟，而膜結(jié)構(gòu)方面的軟件多數(shù)是國外的，雖有國內(nèi)自主開發(fā)的,不過很不完善，節(jié)點(diǎn)庫不完整，其準(zhǔn)確性有待于相互校核，需要更多的研究來完善推廣。

2 膜結(jié)構(gòu)的材料和設(shè)計探討

綠色建筑的定義是:在建筑的全壽命周期內(nèi),最大限度地節(jié)約資源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材)，保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間以及與自然和諧共生的建筑。膜結(jié)構(gòu)有很多特點(diǎn)都符合綠色建筑的定義，當(dāng)然，要最大化膜結(jié)構(gòu)的這些特點(diǎn),需要優(yōu)良的膜材料及嫻熟的設(shè)計。

常見的膜材有PVC、PTFE、ETFE膜材。①PTFE建筑膜材,是在超細(xì)玻璃纖維織物上涂以聚四氟乙烯樹脂而成的材料。這種膜材有較好的焊接性能，有優(yōu)良的抗紫外線、抗老化性能和阻燃性能。另外，其防污自潔性是所有建筑膜材中最好的，但柔韌性差，施工較困難，成本也十分驚人。上海世博軸頂篷的膜就是采用這種膜材的。②PVC建筑膜材，其應(yīng)用較早，有多種顏色可供選擇，柔韌性能好，使用方便，易于連接。但還是有很多缺點(diǎn),常常外涂附加面層。比如玻纖PVC建筑膜材，常規(guī)定PVC涂層在玻璃纖維織物經(jīng)緯線交點(diǎn)上的厚度不能少于0.2mm,再加以光熱穩(wěn)定劑來提高抗老化性。它具有阻燃、防腐蝕、耐老化、防紫外線、自潔性、耐高溫、保溫性好等特點(diǎn)。③ETFE建筑膜材，由ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）生料直接制成。ETFE具有優(yōu)良的抗沖擊性能、電性能、熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)腐蝕性，而且機(jī)械強(qiáng)度高，加工性能好。其他各方面性能也有很大的優(yōu)勢，比如自潔性、透光性、耐候性等，這種材料有很大的市場前景，環(huán)保節(jié)能綠色，鳥巢、水立方都使用了這個材料，但其維修費(fèi)用高，同時這種膜材國內(nèi)還沒廠家生產(chǎn),只能從國外進(jìn)口。

針對上述情況，要真正的做到綠色膜材料，國家需要制定相應(yīng)的計劃措施來促進(jìn)膜材的發(fā)展,比如可以在科研單位以及高校多設(shè)置幾個研究中心進(jìn)行如PVDF、納米TiO2表涂劑等的研究。在引進(jìn)世界一流的生產(chǎn)設(shè)備和工藝技術(shù)的同時，加緊消化吸收并改進(jìn)創(chuàng)新，盡快開發(fā)適合我國市場需求的膜材表面處理技術(shù)，提升市場競爭力，做到名副其實(shí)的綠色經(jīng)濟(jì)膜結(jié)構(gòu)。

膜結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,前面說到的計算機(jī)設(shè)計軟件沒自主品牌等缺點(diǎn)考驗(yàn)著神州大地,加強(qiáng)自主開發(fā)力度和引進(jìn)外國先進(jìn)技術(shù)當(dāng)然也是解決這個問題的關(guān)鍵。同時，設(shè)計中有些可以優(yōu)化的問題需要盡量優(yōu)化。如膜結(jié)構(gòu)的排水問題，因?yàn)槟っ嬗幸欢ǖ男螤詈驮煨?難免會在膜材端部的拉結(jié)點(diǎn)與建筑物的接觸處形成雨水的導(dǎo)水口,大面積的雨水匯集從接觸處向下流淌從而污染墻面,影響美觀。在設(shè)計找形時應(yīng)當(dāng)避免局部存在平坦區(qū)域,通過增大膜結(jié)構(gòu)形體周邊圓弧的弧度和加大膜體坡度來防止[3]。綠色建筑理念下的設(shè)計需要大膽想象，謹(jǐn)慎設(shè)計，融合自然。

3 膜結(jié)構(gòu)發(fā)展前景分析

隨著我國綜合國力的不斷提升及經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，新材料（RTFE、THV等）和國產(chǎn)膜材性能不斷提升，技術(shù)方面日趨完善,這些都為膜結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步的發(fā)展提供了機(jī)遇。近年來，綠色建筑理念不斷深入民心，有著節(jié)能、環(huán)保、生態(tài)、安全等特點(diǎn)的膜結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在體育建筑和展覽建筑中，很多都作為標(biāo)志性建筑存在。在不久的將來，膜結(jié)構(gòu)將會更多地應(yīng)用在尋常建筑中，如綠色漫步道、建筑入口、停車場、高速公路收費(fèi)站等地方。

[1]張力結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計施工[M].江蘇:東南大學(xué)出版社,2003:20

[2]王秀麗.大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)分析與概念設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008:289-290

[3]余樂,王作文,劉冠男.膜結(jié)構(gòu)在我國發(fā)展的綜合探討[J].四川建筑,2008(5):113