[膜结构建筑及膜材料的发展] 膜结构建筑,张拉膜,上海摩随着北京奥运会及上海世博会的顺利落幕，其中的大型膜结构建筑给人们留下了深刻的印象。
本文介绍了近年来国内外膜结构材料的发展及其在建筑领域的应用，并对几类主要产品以及不同生产商生产的同类产品进行了性能对比，通过各类产品的优劣性对比，期望能为广大下游用户提供一定的参考。
The noticeable mega membrane structures presented in the Beijing 2008 Olympic Games and Shanghai Expo 2010 have undoubtedly attracted lots of attention. Development trajectory of membranes and the application of which in the architectural field were introduced in this paper. Product performances of some major categories manufactured by different producers were compared to finalize the superior ones for the reference of downstream users. 120世纪膜结构建筑和膜结构材料的发展历程1.1国际上膜结构建筑的发展情况一般认为，现代膜结构建筑的出现是从1970年大阪世博会开始的。
其标志性建筑是在该届世博会上展出的美国馆，它采用气承式膜结构建筑，外形近视椭圆形，具体尺寸为140 m×83.5 m。
该展馆之所以在当时受到瞩目，是因为它是世界上首次出现的现代膜结构建筑，其使用的膜材是玻纤织物涂以聚氯乙烯（PVC）树脂，与后来大量建造的膜结构建筑材料类似。
大阪世博会以后，在20世纪最后的 20 年中，膜结构建筑得到了快速发展。
当时据专家估计，1970 ― 1996年世界上大约已建造了 150 座大型膜结构建筑，其中美国占有很大的比例。
下面是一些具有代表性的膜结构建筑及其所用膜材。
1952年沙特阿拉伯建成吉大（Jeddah）机场哈吉（Haj）候机厅，至今它仍是世界上最大的膜结构建筑，总面积达到 42 万m2，全部使用玻纤织物涂以聚四氟乙烯（PTFE）树脂，织物面积超过 50 万m2。
大约1995年左右，美国建造了丹佛（Denver）国际机场，采用双层玻纤织物涂以PTFE树脂的膜结构建筑，篷面设计可透过光线，使整个场所都有充足的采光，顶篷由钢制栓柱和缆绳吊住，面积为 2 万m2。
1996年美国在亚特兰大建造的乔治亚圆顶体育馆，整个圆顶采用缆绳支持，该建筑首次应用于1996年奥运会会场。
1.2中国膜结构建筑的发展情况中国的膜结构建筑发展相对较晚，1997年在上海建成了容纳 8 万人的上海体育场，这是我国首次将膜结构建筑应用到大型体育场上，其覆盖面积为3.61 万m2，所用的膜材料全部从国外进口，包括玻纤织物涂PTFE树脂的膜材料和一些附属材料，设计、施工也依赖外国公司。
据了解，其造价比传统的建筑要高得多，但其对我国膜结构建筑的发展影响甚大。
我国第 2 个大型膜结构建筑是青岛颐中体育场，总面积为 3 万m2，所采用的膜材料为涤纶工业丝织造的织物，以PVC进行涂层，其顶面层再覆以聚偏氟乙烯层（PVDF），可容纳 6 万观众。
自此以后，膜结构建筑在我国得到了迅速发展，如上海虹口足球场，武汉、郑州、广州等一些城市都纷纷建造了运动场馆，甚至一些中小城市亦相继效仿。
除了体育场馆外，如展览馆、会展中心、水上乐园、剧场、飞机场、加油站等亦纷纷采用膜结构建筑。
2膜结构材料的分类及其性能特点根据以上介绍，20世纪开发出的膜材基本上都以纺织材料为基材（包括玻璃纤维和涤纶，用以织成织物），表面再加以涂层（或贴合）。
主要有两大类，一类是玻璃纤维涂PTFE树脂；另一类是涤纶织物涂PVC树脂，两种膜材的性能优劣如表 1 所示。
下面主要对这两种膜材进行详细分析。
（1）以玻纤织物为基材，用PTFE（或硅树脂）涂层①产品特点这种膜材是由美国DuPont（杜邦）公司和Dow Corning（道康宁）公司首先开发出来的，其优点是膜材的强度高，力学性能十分优异，同时具有很高的热稳定性和化学惰性，防火、不燃、不受紫外线影响，具有很高的自洁性和耐用性，根据资料，其使用寿命可达 25 ～ 30 年。
这种膜材透光性较好，透光率可达 25%，光线柔和，膜材对太阳光的反射率可达 70% 以上，可减少热量的传递，保持膜结构表面和内部不至于因阳光照射而升温过高。
在膜结构建筑盛行的早期，也有用玻纤织物涂PVC树脂作为膜材的（如1970年大阪世博会上美国馆所使用的），其优点是价格较玻纤织物涂PTFE的产品便宜得多，但在性能上有一定的差距，主要体现在自洁性和使用寿命上。
实际使用这种膜材的相对较少。
②主要生产商目前，生产玻纤织物＋PTFE膜材的国外企业较多，如美国的圣戈班高功能塑料公司，这是最早进入我国膜材料市场的厂商。
除此之外，德国Verseidag公司、日本中兴化成工业株式会社、沙特阿拉伯的Obeikan公司等也生产这种高品质膜材。
国内主要有宁波天塔工业材料有限公司和江苏省维维高分子材料有限公司两家生产。
日本中兴化成工业株式会社采用的玻纤织物，其玻纤的细度是目前最小的，为 3 μm，称为玻璃纤维B丝；而有的企业采用 6 μm的DE丝。
日本中兴化工指出：采用细的玻纤丝，其单位面积的抗拉强度高，耐屈曲牢度好，在受反复应力时不易疲劳，因此用这种纤维加工的膜结构材料更经久耐用。
德国杜肯Verseidag近年来开发了新材料，有高透光PTFE膜材，透光率可达 50%，同时具有 4 500 N/5 cm的抗拉强度，可用于需要采光又需要抗荷载的地方，另外还有吸音膜材、彩色PTFE膜材、Low � e节能膜材等，在南非世界杯上，约翰内斯堡体育场就采用了杜肯的棕色PTFE膜材。
宁波天塔公司经过近 10 年的努力，自主研发了永久性PTFE建筑膜材，获得国家“863”项目资金的支持，产品已逐步在工程项目上得到应用。
（2）以聚酯纤维织物为基材进行PVC涂层①产品特点这种产品如直接作为膜材，在性能上会存在很多问题，主要在尺寸稳定性、膜材老化、自洁性能等方面不够理想。
根据研究，涤纶涂PVC材料用于充气结构 8 年后，由于性能老化，断裂强度减少 10% 以上，而撕裂强度损失 20% ～ 30%。
因此这种涂层织物的性能取决于涂层材料阻隔紫外线的性能，为此，涂层时还必须注意把整个织物的交织点都要覆盖住。
由于聚酯纤维织物经过PVC涂层后，PVC膜容易老化，随着其中增塑剂迁移和紫外线辐射的影响，膜材性能变差，膜面易被沾污而变色，这是该产品一个致命的问题。
法国Ferrari（法拉利）技术织物公司针对这个问题在PVC涂层的表层再覆以PVDF层，开发出的新产品称之为FLUOTOP T，可以将热能反射掉 70%，膜面变色较少，色泽鲜艳，自洁性能提高，炭黑肮脏试验对膜几乎没有影响。
据称其自洁性可与玻纤织物涂PTFE 产品相媲美。
聚酯纤维织物经过PVC涂层后，也可采用加上聚氟乙烯（PVF）面层解决膜材易老化的问题，这种膜材在美国已流行多年。
它是将聚酯纤维织物经过PVC涂层后，采用专用粘合剂，将PVF面层粘于表面，其商品名为Tedlar，对提高自洁性能也有显著效果，但手感略硬。
聚酯纤维织物涂以含有二氧化钛（TiO2）的聚氯乙烯膜材，这种方法在韩国应用较早，韩国一些厂商曾来华作过宣传和推销，据称也可大大改善聚氯乙烯的自洁问题，目前在国际上已得到广泛应用。
其原理是利用含有TiO2的面层在紫外线照射下可将有机污染物氧化分解，同时使膜面生成亲水基，使膜面具有优异的自洁去污能力，膜面始终保持美观整洁，这是最近几年开发出来的新技术，具有很大的优越性，因此使用面越来越广。
②主要生产商生产这类产品的企业包括法国的法拉利技术织物公司、意大利NAIZIL（耐驰）公司、美国Seaman公司、德国的Verseidag公司、沙特阿拉伯Obeikan公司、德国米乐公司Mehler Texnologies等，我国有浙江锦达、北京佳泰、浙江星益达和上海申达科宝公司等。
其中，德国米乐公司在原有的基础上又开发出了新产品：纳米PVDF涂层（Valmex），相较于传统的PVDF涂层，这种膜材具有更优越的自洁效果、抗腐蚀能力和抗菌效果；微孔吸音膜材（Silesco）不仅能够控制噪音，改善空间的音响效果，同时还保持了膜材的各种物理性能，包括各种强度下的拉伸力、颜色、各种灯光效果的涂层等，为室内设计师在改善内部空间的声效和美观方面提供了更多想象空间和实现可能；高度自洁膜材（Vivax）采用THV涂层和聚酯织物，具有极易处理和优越的耐用性能。
（注：THV涂层是一种聚合物，混合有四氟乙烯、六氟丙烯、双氟亚乙烯，与其他氟塑涂层一样，具有卓越的抗污、自洁和易维护的特点。
）国内的膜材厂家也逐渐成熟，大都引进了国外的先进织造和涂覆设备，产品也已应用到一些工程上，如北京人大附中体育场、中国空军实验室、土耳其安卡拉污水处理厂等设施与建筑的膜结构就应用了上海申达科宝新材料有限公司生产的膜材。
（3）其他除了以上两种主要的膜材外，还有一种是由W.L.Gore公司推出的膨化聚四氟乙烯材料织成的织物（ePTFE织物），其商品名为TENARA。
这种产品是先制造ePTFE膜材，然后割裂成众多的扁丝，并加以捻度纺成纱，再织成布，然后再在布的双面贴上氟聚合物薄膜而成为高质量的膜材（全部由氟聚合物组成）。
这种膜材曾在国外一些展览会上展出，据介绍，它们已被应用于沙特阿拉伯麦迪那先知大教堂上。
在教堂广场上有众多由这种膜材做成的伞，形成伞群，每个伞的面积为296 m2。
这种膜材透光性能特别好，用于膜结构建筑白天可以不用照明，有利于节能。
（4）几种膜材的性能比较表 2 是上述几种膜材透光率的比较。
从表 2 可以看出，Gore TENARA 膜材透光率最高，可达 30% 以上，晴天白天可以不用照明，从而可以节约能源，而且色泽洁白，十分美观。
但据了解，这种膜材全部采用氟聚合物为原料，制造工艺也较复杂，成本较高。
因此目前主要考虑玻纤织物涂PTFE和聚酯织物涂PVC树脂这两种膜材。
总结以上分析，要使膜结构建筑经久耐用，除了对膜结构的支撑体系要有严格要求外，对膜材料也要有严格要求。
传统的膜结构材料中，聚酯纤维织物＋PVC涂层类膜材在机械物理性能上要比玻纤织物＋PTFE涂层差一个档次，但在膜材的自洁性方面则明显有缺陷，耐火性能也与之存在差距。