建筑膜材及氣膜結構性能特點與應用現(xiàn)狀

周洋，孫卓爾，錢鋮

（1.中國人民武裝警察部隊學院研究生部，河北 廊坊 065000；2.杭州市消防支隊，浙江 杭州 310016）

建筑膜材及氣膜結構性能特點與應用現(xiàn)狀

周洋1，孫卓爾1，錢鋮2

（1.中國人民武裝警察部隊學院研究生部，河北 廊坊 065000；2.杭州市消防支隊，浙江 杭州 310016）

氣膜結構已越來越廣泛地應用于大跨度建筑中，但目前建筑膜材及氣膜結構防火性能的研究匱乏，在一定程度上已經(jīng)影響到我國膜材、膜結構行業(yè)的發(fā)展。介紹了建筑膜材的種類、特性，提出不同膜材的應用選擇。再從某建筑膜材防火檢驗出發(fā)，通過燃燒特性試驗分析火災危險性，并結合建筑實際開展大尺度點燃性試驗，了解其整體防火性能，然后闡述氣膜結構性能特點和優(yōu)勢。介紹了氣膜結構主要用途以及防火性能方面的應用案例。

建筑膜材；氣膜結構；防火性能；特點和優(yōu)勢；工程應用

0 引言

氣膜結構由于只承受張力，可使材料受力性能得到充分發(fā)揮，加之其獨特的性能特點和優(yōu)勢，當前已越來越廣泛地應用于大跨度建筑中。它以優(yōu)良的織物為材料，由膜內空氣壓力支承膜面，或利用柔性鋼索、剛性支撐結構通過彎曲內面力傳送，將膜面繃緊，從而形成具有一定剛度、張力，能夠覆蓋大跨度空間的結構體系。建筑膜材是氣膜結構工程中所使用的主要材料，也是最重要的組成部分之一。它是由高強度的織物基材和聚合物涂層構成的復合材料，有些膜材還包括面層?；臎Q定膜材的結構力學特性，一般選用玻璃纖維或聚酯纖維；涂層對基材起保護作用，并形成膜材料的自潔、密封性能；面層保護基材，并改善表面性能。

1 建筑膜材的種類與特性

1.1 膜材種類

目前建筑膜材行業(yè)較為認可根據(jù)建筑膜材防火性能將其劃分為A、B、C共3類。A類膜材防火性能最好，它以玻璃纖維為基材，涂敷PTFE而成，多應用于大型膜建筑工程；B類次之，它以玻璃纖維為基材，涂敷PVC而成，國內外應用較多；C類最次，它以聚酯纖維為基材，涂敷PVC而成，可應用于一次性投資不高的建筑或臨時性建筑[1]；另外還有幾種特殊膜材。常用建筑膜材的分類見表1。

表1 常用建筑膜材的種類

1.2 膜材特性

為突出膜結構豐富多彩的建筑造型及表現(xiàn)力，對建筑膜材特性的考察也極為重要。膜材特性主要是透光性、保溫節(jié)能性（現(xiàn)有公司生產(chǎn)的膜材一般按保溫系列、透光系列作分類）。其它特性還包括防火性、吸聲性、自潔性、耐腐蝕性、抗菌性、輕質柔韌性等。就防火性而言，如今廣泛使用的建筑膜材具有卓越的阻燃和耐高溫性能，能很好地滿足中國、美國、日本、德國等多國對于防火性能的標準要求[2]。

2 建筑膜材防火性能

2.1 聚酯纖維基聚氯乙烯（PVC）建筑膜材防火檢驗

2.1.1 試驗方法及檢驗環(huán)境條件

本分級試驗按照GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》進行，為平板狀建筑材料燃燒級別。測試采用標準：GB/T 20284—2006《建筑材料或制品的單體燃燒試驗》、GB/T 8626—2007《建筑材料可燃性試驗方法》。溫度21～25℃，相對濕度（50～55）%。

2.1.2 制品和試樣信息

（1）制品特征和最終應用。其基材為經(jīng)編聚酯纖維基布，表面涂層為聚氯乙烯（PVC），型號：8028#，白色，面層添加了增塑劑、乙烯基含氟聚合物、滅菌丹和阻燃劑等，膜材厚度為0.8 mm。樣品數(shù)量為11.97 m2，面密度約949 g/m2。

（2）試樣安裝與固定。試樣背面不設基材，在試樣與背板間設置寬80 mm空氣間隙；試樣背板為厚12 mm、密度900 kg/m3的硅酸鈣板；試樣受火面為制品表面。

2.1.3 測試結果（見表2）

表2 聚酯纖維基聚氯乙烯（PVC）建筑膜材性能

2.1.4 分級和直接應用領域

按照GB 8624—2012第5.1的相關條款判定以下試驗制品燃燒性能等級。

（1）燃燒分級。該建筑膜材燃燒性能符合B級的規(guī)定要求，附加分級符合s2，d0，t0級的規(guī)定要求，即燃燒性能等級為B1（B-s2，d0，t0）。

（2）直接應用領域。本分級在該制品背面無其它基材條件下有效。

2.2 聚酯纖維基聚乙烯（PE）建筑膜材防火檢驗

2.2.1 試驗方法及檢驗環(huán)境條件與2.1.1相同。

2.2.2 制品和試樣信息

聚酯纖維基聚乙烯（PE）建筑膜材以聚酯纖維為基材，表面涂層為聚氯乙烯（PVC），面層上涂覆聚乙烯（PE）。

2.2.3 測試結果（見表3）

表3 聚酯纖維基聚乙烯（PE）建筑膜材性能

2.2.4 分級和直接應用領域

按照GB 8624—2012第5.1的相關條款判定以下試驗制品燃燒性能等級。

（1）燃燒分級。該建筑膜材燃燒性能符合B級的規(guī)定要求，附加分級符合s3，d0，t0級的規(guī)定要求，即燃燒性能等級為B1（B-s3，d0，t0）。

（2）直接應用領域。本分級在基材防火等級達A1或A2；采用機械方式固定；無空隙；無接縫條件下有效。

2.3 建筑膜材燃燒特性試驗及火災危險性

建筑膜材本身屬于難燃材料，只有遇到明火時才緩慢燃燒，燃燒過程中也不會產(chǎn)生任何高溫燃燒滴落物和有毒氣體，但在受熱后表面收縮拉緊變薄，達到其臨界溫度后開始融化，可能會出現(xiàn)破洞[3]?？墒菍嶋H火場溫度高、熱量足，當火場溫度超過其臨界溫度時，建筑膜材也許就會發(fā)生燃燒。加之氣膜建筑跨度廣、體量大，火勢可能會迅速蔓延，并產(chǎn)生大量煙氣，不利于人員疏散，還會對建筑結構的整體穩(wěn)定性造成破壞。TPO、PVC、EPDM三種膜材的燃燒性能試驗見圖1。

圖1 建筑膜材燃燒特性試驗結果

2.4 建筑膜材大尺度點燃性試驗（見圖2）

通過對建筑膜材大尺度點燃性試驗，可以觀察到不同高度下建筑膜材燃燒的動力學現(xiàn)象，獲得膜材性能參數(shù)變化以及燃燒臨界溫度[3]。進行了某聚酯纖維基聚氯乙烯（PVC）建筑膜材的大尺度點燃性試驗，以考察樣品在實際火災中傳播火焰的性能和樣品受熱后熔融滴落現(xiàn)象的趨勢，試驗結果見圖2。

圖2 建筑膜材大尺度點燃性試驗結果

點火后觀測，樣品約在260℃時會融化，395.5～407.6℃時達到臨界溫度開始燃燒，在600 s內未出現(xiàn)明顯熔融滴落現(xiàn)象，但燃燒時有少量黑煙產(chǎn)生。隨著接近其融化溫度，材料會軟化、形成孔洞并造成材料破壞，這樣會為火災提供通風條件。但由于該膜材很薄、很輕，更多分散的碎片會被熱煙帶走，而不是掉落在地面上。在直接火焰的作用下，膜材將燃盡；但若離開了火源，膜材自身立即停止燃燒，即自熄。熄滅火焰后，觀測到燃燒產(chǎn)物以一定的黏稠態(tài)存在，不完全是熱固性材料的燃燒狀態(tài)。

3 氣膜結構性能特點和優(yōu)勢

3.1 氣膜結構優(yōu)勢

氣膜結構所具備的良好性能特點給它帶來了明顯的優(yōu)勢，包括：超大空間性，施工難度低，建設周期短，可移動搬遷，造價成本低，節(jié)能環(huán)保性，空間潔凈性，全智能控制，防火防災能力強，建筑組合形式靈活等，如表4所示。

表4 氣膜結構與其它結構的對比分析

3.2 氣膜結構防火性能

氣承膜建筑用于大空間比普通建筑更有利：

（1）由于氣膜建筑氣密性好，構建的大空間上部可以蓄煙，故熱煙氣下降緩慢，且有著上托氣膜的作用，這使得可用疏散時間更長，同時保障消防員安全。根據(jù)美國規(guī)范ASCE 17-96計算，在停電失壓情況下，頂部塌落到2.1m高時的時間均大于10 h。

（2）由于膜內是正壓，B1級建筑膜材如果燒熔，則燒熔部位會形成排煙天窗。如果火災將氣膜燒破一個2 m2面積的洞口，頂部塌落到2.1 m高時的時間均大于1 h；如果火災時將所有應急門打開，頂部塌落到2.1 m高時的時間均大于30 min。

（3）設置分隔水幕和檔煙垂壁，滿足防火、防煙分隔要求；安裝氣體滅火系統(tǒng)，保證室內重要設備安全；布置機械單元風口，減緩煙氣下降；使用特殊防火材料，確保結構中7 m以下的膜材更安全。

4 氣膜建筑應用

4.1 主要用途

（1）工業(yè)廠房：一是其自重輕的特點保證了廠房選址靈活性，受地質條件影響小，土地利用率大大提高。二是氣膜建筑全封閉的建筑構形、單一的進出風系統(tǒng)，能保證廠房空間所需的潔凈度要求，可應用于食品加工業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生業(yè)、高端電子加工制造業(yè)、材料和生物工程、航空航天等領域的潔凈廠房、空調廠房。

（2）展覽展示：除了常見的展覽館、博物館、宴會廳外，氣膜結構質輕的特點使其可以在各種結構上構形，作為流動展示中心宣傳。

（3）還可用于物流行業(yè)、體育場館、軍事領域、農(nóng)業(yè)方面、環(huán)保產(chǎn)業(yè)、應急救災、極端條件下的人造空間等。

4.2 應用案例

（1）工程概況及設計難點

赤峰二道井子遺址保護館地上1層，建筑高度25.50 m，建筑面積9772.13 m2，建筑功能為遺址區(qū)、展廳等，該館內部有挖掘出的古代文化遺址，圍繞遺址保護區(qū)四周有7 m寬的走道，參觀游客都在走道上活動（見圖3）。為最大程度對遺址進行保護，該遺址保護館采用氣膜結構，建筑耐火等級為二級，無室內消防給水系統(tǒng)、自動噴淋滅火系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)、火災自動報警及消防聯(lián)動控制系統(tǒng)。

圖3 采用氣膜結構的赤峰二道井子遺址保護館

氣膜結構的穩(wěn)定性和大空間建筑的使用功能使得建筑設計防火問題變得特殊而又困難。防火設計難點在于：一是建筑耐火等級，遺址保護館屬于重要公共建筑，根據(jù)規(guī)范要求其耐火等級不應低于二級。但由于其采用氣膜結構形式，缺乏明確的規(guī)范對其防火措施和策略進行規(guī)定，氣膜建筑的耐火極限能否達到二級耐火等級的要求需要加以論證。二是防火分區(qū)面積，根據(jù)GB 50016—2014規(guī)定，該遺址保護館防火分區(qū)的最大允許建筑面積為2500 m2。該保護館的遺址保護館建筑面積為9772.13 m2，只設1個防火分區(qū)不符合規(guī)范要求，但其建筑形式、通風條件和火災荷載等都不同于普通民用建筑，其合理性值得論證。

（2）可行性分析及解決方案

此保護館選用的建筑膜材8028#，外觀為白色板狀制品，厚度0.8 mm。其內部為經(jīng)編聚酯纖維基布，表面涂層為聚氯乙烯（PVC），添加了增塑劑、乙烯基含氟聚合物、滅菌丹和阻燃劑等。耐火性能滿足美國加州防火規(guī)范、UL214、NFPA801和ASTM D6413等防火規(guī)范規(guī)定的2 s鐘離火自熄的規(guī)定；滿足ASTM E84防火規(guī)范規(guī)定的火焰蔓延指數(shù)小于25，煙霧擴散等級小于450；符合ASCE 17—96防火規(guī)范規(guī)定的ⅡB類材料。經(jīng)國家防火建筑材料質量監(jiān)督檢驗中心檢驗，其產(chǎn)煙毒性為ZA1級，燃燒性能達到GB 8624—2006的B級，相當于達到GB 8624—2012的B1級。對選用的建筑膜材進行燃燒特性試驗，并分析結構火災危險性、防火安全性，驗證氣膜結構儲煙的有效性，運用性能化方法對消防設計的可行性進行分析并提出相應的解決方案。結果顯示，該保護館在加強消防設施的有效保護下，可達到規(guī)范要求的同等安全水平，即該項目現(xiàn)有消防設計可行。

[1] 李陽，張其林.建筑膜材性能及試驗研究現(xiàn)狀[J].玻璃鋼/復合材料，2006（2）：53-56．

[2] 陳歌，任婷婷，郭磊.氣膜建筑詳析[J].陜西建筑，2012（8）：5-7．

[3] 張媛媛，朱國慶，韓如適.氣承膜建筑材料燃燒特性試驗[J].消防科學與技術，2013，32（4）：360-363．

Performance feature and application status of building membrane material and gas film structure

ZHOU Yang1，SUN Zhuoer1，QIAN Cheng2
（1.Graduate Division of China People Army Police Force Academy，Langfang 065000，China；2.Hangzhou Fire Protection Detachment，Hangzhou 310016，China）

Gas film structure has been more and more widely used in the large span construction，but currently the scanty researches of fireproof performance on building membrane material and gas film had affected the development of our country's membrane material and membrane structure industry to a certain extent.This paper introduced type and characteristic of building membrane material，and presented application selection on different membrane material.Then starting from an architectural membrane material fire inspection，analyzed the fire risk by combustion characteristic test，combined with construction theory to carry out large scale fire test，realized their overall fireproof performance，then set forth the performance features and advantages of gas film structure. This paper introduced main application of gas film structure and application cases on fireproof performance in detail.

building membrane material，gas film structure，fireproof performance，features and advantages，engineering application

TU353

A

1001-702X（2016）08-0096-04

2016-06-14

周洋，男，1991年生，浙江杭州人，碩士研究生，主要從事消防工程技術研究及應用。