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            膜結構建筑

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            ETFE充氣薄膜結構建筑表皮介紹

            返回列表來源: 燁興 發布日期:2020-08-17 瀏覽:-

            ETFE薄膜:氟塑料是塑料的一個重要類別,通常人們認識氟塑料是從聚四氟乙烯(PTFE)以及聚偏氟乙烯(PVDF)開始的。為了改善PTFE的物理性能和加工性能差的缺陷,世界各地的科學家們作了大量的研究工作,美國杜邦公司和日本旭硝子株式會社先后于20世紀70年代起,研制開發出TEFZEL®和COP®系列的乙烯-四氟乙烯共聚物樹脂產品。乙烯-四氟乙烯共聚物常簡稱為四氟乙烯(ETFE—ethyltetra fluoro ethylene,簡稱F40)。ETFE是目前為止最強韌的氟塑料,在保持了PTFE良好的耐熱、耐化學和電絕緣性能的同時,它的耐輻射、機械性能和加工性能有了很大程度的改善,特別是它和金屬表面的附著力表現十分突出,這使氟塑料和鋼緊襯的氟塑料旋轉內襯工藝真正得以實現,常作為工業耐腐、耐磨產品使用。

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            表觀上看,ETFE薄膜和我們常見的用于包裝的塑料薄膜沒什么區別△


            自上世紀九十年代開始,建筑師尼古拉斯·格林肖(NicholasGrimshaw )創新性地將ETFE膜大規模地應用于英國的伊甸園工程后,這種材料得到了許多建筑師的認同,它的建筑用途也日益增多起來。

            現生產的ETFE薄膜幅寬最大可達2350mm,可通過裁剪、熱熔焊接制成相應的規格及形狀。理論上可以有各種顏色,現實中使用較多的未透明、白色、藍色。

            ETFE充氣薄膜結構:充氣薄膜結構是指在以高分子材料制成的薄膜制品中充入空氣后形成的結構。我們常說的的充氣膜結構一般指氣承式膜結構(Air-supportedMembrane Structure),即是通過送風向建筑物內充氣(常為室外氣壓的1.001~1.003倍),使室內外保持一定的壓力差從而支撐覆蓋膜體并保持其穩定的形狀。

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            常見用于體育場館的氣承式膜結構△


            另一種充氣膜結構(Inflated Membrane Structure)根據其外觀形式也稱為氣肋式、氣囊式膜結構,即向單個膜構件內充氣(常為室外氣壓的2~7倍),使其保持足夠的內外壓差。構件單個或組合在一起作為類似于梁、拱、平板等受力結構構件。這種結構對膜材自身的氣密性要求很高,需不斷地向膜構件內充氣以保持必要的內壓。

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            1970年日本大阪世博會富士館——多個彎曲為拱的管狀氣囊組合在一起形成一體化的展示空間△


            用于建筑中的ETFE充氣薄膜結構即屬于氣囊式(氣肋式)膜結構,只不過大部分時候作為屋面或墻體的圍護材料(表皮),與背后的龍骨形成類似于幕墻的系統,本身并不承擔主體結構荷載。

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            常見的充氣塑料薄膜避震包裝即是典型的充氣膜結構△


            ETFE薄膜墻屋面的優缺點:以ETFE薄膜制成屋面和墻體的優勢在于:

            ①質輕高強——ETFE密度為1.73~1.77g/cm3,單位面積的ETFE薄膜的重量極輕,只有同等面積玻璃質量的1%,這能夠大幅度降低主體結構荷載,特別適合于大跨度結構。ETFE薄膜韌性好、抗拉強度高、不易被撕裂,據測試0.2mm厚度的薄膜其拉伸強度可達到500 N/5cm,拉裂強度可達約1200 N/5cm,接近PTFE的兩倍。ETFE薄膜的延展性大于400%。

            ②耐候性和耐化學腐蝕性強——其使用壽命據估計可以長達25~30年(由于法律方面的原因,一般廠家提供十年的保證期)。

            ③防火安全性好——ETFE熔融溫度高達200℃,并且不會自燃。

            ④可見光透過率高——ETFE薄膜可見光透過率高達95%、紫外線透過率高達94%(雙層0.2mm厚度的透明薄膜),透明的ETFE薄膜作為一種充氣后使用的材料,它可以通過絲網印刷鍍點控制薄膜的透明度,對遮光度和透光性進行調節,有效地利用自然光;它可以通過控制充氣量的多少甚至充入氣體的種類來同時起到保溫隔熱、節省能源的作用。

            ⑤優異的自清潔功能——灰塵不易吸附在其表面,據稱其清潔周期大約為5年。

            ⑥適應性好——ETFE薄膜幾乎可以加工成任何尺寸和形狀。

            ⑦ETFE薄膜可預制成薄膜氣囊,在現場組裝、充氣,無濕作業,施工和維修方便。

            ⑧綜合成本與傳統的玻璃類墻屋面相比有著一定的競爭力。

            當然,任何事物都有其兩面性,ETFE薄膜墻屋面的缺點也是不容回避的:

            ①由于彈性大、無剛度,ETFE薄膜常制成氣囊以成型,這就需要準備空壓機器補氣,耗費額外的固定投資及運營費用。

            ②任何強韌的材料如果太薄就經不起利器的劃傷,雖然薄膜的修補并不復雜,但ETFE薄膜同樣最好避免設置于人體易于接觸的范圍內以減少損壞的幾率。

            ③在現階段由于產品生產及安裝廠商少,整體系統的初始投資高,技術要求也相對較高。

            ETFE充氣薄膜結構應用實例:ETFE薄膜結構一般較為適用于對自然光有較高要求的體育場館、植物園溫室、建筑中庭等。赫爾佐格和德·梅隆設計的德國慕尼黑安聯足球場作為世界聞名的拜仁慕尼黑隊和慕尼黑1860隊的主場,于2005年5月交付使用,整體覆蓋了ETFE氣囊的足球場成為至今為止最令人激動的體育場館之一,它也是ETFE氣囊式構造的典范。

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            德國慕尼黑安聯體育場鳥瞰△

            為了利于球場草皮的生長,南側氣囊屋面采用了幾乎全透明的膜材。

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            如同面包圈的充氣膜整體,形式簡潔?!?

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            不同透明度的氣囊△

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            菱形氣囊單元△

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            氣囊邊緣固定△

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            通過印刷白色圓點圖案的密度控制膜材的透光度△

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            ETFE氣囊外墻內側直接以金屬網隔開以保護墻體及觀眾安全△

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            白天和夜晚的燈光對比△

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            典型外墻構造詳圖△


            我國北京2008奧運工程的國家游泳館(水立方)同樣是大規模ETFE氣囊式構造的典范。為了表現抽象氣泡的形式,氣囊形狀種類更多、更為隨機,加工及制造工藝也更為繁復。雖然建筑整體體塊為方體,材料也較為單一,但形式卻讓人感覺更加浪漫。這個極為復雜的幕墻工程由號稱世界第一幕墻企業的沈陽遠大鋁業工程有限公司負責深化設計、施工。

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            水立方全景△


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            不同形狀和規格的ETFE氣囊墻面△

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            ETFE氣囊邊緣夾固件的金屬扣蓋/內側的充氣口/膜材焊接拼縫△


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            夜晚的燈光效果之一△


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            室內自然光效果△


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            屋面局部節點詳圖△


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            墻面局部節點詳圖△



            Cloud 9建筑師事務所設計西班牙巴塞羅那的TIC媒體中心也是一個有特色的ETFE薄膜結構,它以環保節能為主要特色。為應對太陽輻射,它的南面氣囊采用了三角形的形式,氣囊為三層膜材組合,依靠后兩層薄膜上的遮光印刷形成錯位重疊來調節日照量;在日照輻射最強的西南面,氣囊采用了長條的豌豆莢形,在一天中最熱的時候充入液態氮以阻隔輻射熱。


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            氣囊內部壓力不足時,氣囊呈現萎縮的不佳視覺效果△


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            三角形的氣囊形式,氣囊為三層膜材組合,依靠后兩層薄膜上的遮光印刷形成錯位重疊來調節日照量△

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            在日照輻射最強的西南面,氣囊采用了長條的豌豆莢形,在一天中最熱的時候充入液態氮以阻隔輻射熱?!?


            其它:當然,除了采用氣囊模式外,單層ETFE薄膜同樣可以用作常規張拉膜結構中的膜材。由于ETFE薄膜彈性相對較大,因此支承跨度應限制在一定的范圍內(國外資料稱跨度≤3m)。北京2008奧運主體育場(鳥巢)工程局部墻體及屋面圍護即運用了支承式結構單層ETFE薄膜作為材料,只不過大家的視線更多地集中在鳥巢的造型上罷了。

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