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ETFE充气薄膜结构建筑表皮介绍

返回列表来源: 澳门新浦京 发布日期:2020-08-17 浏览:-

ETFE薄膜:氟塑料是塑料的一个重要类别,通常人们认识氟塑料是从聚四氟乙烯(PTFE)以及聚偏氟乙烯(PVDF)开始的。为了改善PTFE的物理性能和加工性能差的缺陷,世界各地的科学家们作了大量的研究工作,美国杜邦公司和日本旭硝子株式会社先后于20世纪70年代起,研制开发出TEFZEL®和COP®系列的乙烯-四氟乙烯共聚物树脂产品。乙烯-四氟乙烯共聚物常简称为四氟乙烯(ETFE—ethyltetra fluoro ethylene,简称F40)。ETFE是目前为止最强韧的氟塑料,在保持了PTFE良好的耐热、耐化学和电绝缘性能的同时,它的耐辐射、机械性能和加工性能有了很大程度的改善,特别是它和金属表面的附着力表现十分突出,这使氟塑料和钢紧衬的氟塑料旋转内衬工艺真正得以实现,常作为工业耐腐、耐磨产品使用。

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表观上看,ETFE薄膜和我们常见的用于包装的塑料薄膜没什么区别△


自上世纪九十年代开始,建筑师尼古拉斯·格林肖(NicholasGrimshaw )创新性地将ETFE膜大规模地应用于英国的伊甸园工程后,这种材料得到了许多建筑师的认同,它的建筑用途也日益增多起来。

现生产的ETFE薄膜幅宽最大可达2350mm,可通过裁剪、热熔焊接制成相应的规格及形状。理论上可以有各种颜色,现实中使用较多的未透明、白色、蓝色。

ETFE充气薄膜结构:充气薄膜结构是指在以高分子材料制成的薄膜制品中充入空气后形成的结构。我们常说的的充气膜结构一般指气承式膜结构(Air-supportedMembrane Structure),即是通过送风向建筑物内充气(常为室外气压的1.001~1.003倍),使室内外保持一定的压力差从而支撑覆盖膜体并保持其稳定的形状。

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常见用于体育场馆的气承式膜结构△


另一种充气膜结构(Inflated Membrane Structure)根据其外观形式也称为气肋式、气囊式膜结构,即向单个膜构件内充气(常为室外气压的2~7倍),使其保持足够的内外压差。构件单个或组合在一起作为类似于梁、拱、平板等受力结构构件。这种结构对膜材自身的气密性要求很高,需不断地向膜构件内充气以保持必要的内压。

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1970年日本大阪世博会富士馆——多个弯曲为拱的管状气囊组合在一起形成一体化的展示空间△


用于建筑中的ETFE充气薄膜结构即属于气囊式(气肋式)膜结构,只不过大部分时候作为屋面或墙体的围护材料(表皮),与背后的龙骨形成类似于幕墙的系统,本身并不承担主体结构荷载。

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常见的充气塑料薄膜避震包装即是典型的充气膜结构△


ETFE薄膜墙屋面的优缺点:以ETFE薄膜制成屋面和墙体的优势在于:

①质轻高强——ETFE密度为1.73~1.77g/cm3,单位面积的ETFE薄膜的重量极轻,只有同等面积玻璃质量的1%,这能够大幅度降低主体结构荷载,特别适合于大跨度结构。ETFE薄膜韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂,据测试0.2mm厚度的薄膜其拉伸强度可达到500 N/5cm,拉裂强度可达约1200 N/5cm,接近PTFE的两倍。ETFE薄膜的延展性大于400%。

②耐候性和耐化学腐蚀性强——其使用寿命据估计可以长达25~30年(由于法律方面的原因,一般厂家提供十年的保证期)。

③防火安全性好——ETFE熔融温度高达200℃,并且不会自燃。

④可见光透过率高——ETFE薄膜可见光透过率高达95%、紫外线透过率高达94%(双层0.2mm厚度的透明薄膜),透明的ETFE薄膜作为一种充气后使用的材料,它可以通过丝网印刷镀点控制薄膜的透明度,对遮光度和透光性进行调节,有效地利用自然光;它可以通过控制充气量的多少甚至充入气体的种类来同时起到保温隔热、节省能源的作用。

⑤优异的自清洁功能——灰尘不易吸附在其表面,据称其清洁周期大约为5年。

⑥适应性好——ETFE薄膜几乎可以加工成任何尺寸和形状。

⑦ETFE薄膜可预制成薄膜气囊,在现场组装、充气,无湿作业,施工和维修方便。

⑧综合成本与传统的玻璃类墙屋面相比有着一定的竞争力。

当然,任何事物都有其两面性,ETFE薄膜墙屋面的缺点也是不容回避的:

①由于弹性大、无刚度,ETFE薄膜常制成气囊以成型,这就需要准备空压机器补气,耗费额外的固定投资及运营费用。

②任何强韧的材料如果太薄就经不起利器的划伤,虽然薄膜的修补并不复杂,但ETFE薄膜同样最好避免设置于人体易于接触的范围内以减少损坏的几率。

③在现阶段由于产品生产及安装厂商少,整体系统的初始投资高,技术要求也相对较高。

ETFE充气薄膜结构应用实例:ETFE薄膜结构一般较为适用于对自然光有较高要求的体育场馆、植物园温室、建筑中庭等。赫尔佐格和德·梅隆设计的德国慕尼黑安联足球场作为世界闻名的拜仁慕尼黑队和慕尼黑1860队的主场,于2005年5月交付使用,整体覆盖了ETFE气囊的足球场成为至今为止最令人激动的体育场馆之一,它也是ETFE气囊式构造的典范。

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德国慕尼黑安联体育场鸟瞰△

为了利于球场草皮的生长,南侧气囊屋面采用了几乎全透明的膜材。

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如同面包圈的充气膜整体,形式简洁。△

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不同透明度的气囊△

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菱形气囊单元△

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气囊边缘固定△

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通过印刷白色圆点图案的密度控制膜材的透光度△

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ETFE气囊外墙内侧直接以金属网隔开以保护墙体及观众安全△

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白天和夜晚的灯光对比△

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典型外墙构造详图△


我国北京2008奥运工程的国家游泳馆(水立方)同样是大规模ETFE气囊式构造的典范。为了表现抽象气泡的形式,气囊形状种类更多、更为随机,加工及制造工艺也更为繁复。虽然建筑整体体块为方体,材料也较为单一,但形式却让人感觉更加浪漫。这个极为复杂的幕墙工程由号称世界第一幕墙企业的沈阳远大铝业工程有限公司负责深化设计、施工。

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水立方全景△


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不同形状和规格的ETFE气囊墙面△

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ETFE气囊边缘夹固件的金属扣盖/内侧的充气口/膜材焊接拼缝△


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夜晚的灯光效果之一△


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室内自然光效果△


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屋面局部节点详图△


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墙面局部节点详图△



Cloud 9建筑师事务所设计西班牙巴塞罗那的TIC媒体中心也是一个有特色的ETFE薄膜结构,它以环保节能为主要特色。为应对太阳辐射,它的南面气囊采用了三角形的形式,气囊为三层膜材组合,依靠后两层薄膜上的遮光印刷形成错位重叠来调节日照量;在日照辐射最强的西南面,气囊采用了长条的豌豆荚形,在一天中最热的时候充入液态氮以阻隔辐射热。


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气囊内部压力不足时,气囊呈现萎缩的不佳视觉效果△


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三角形的气囊形式,气囊为三层膜材组合,依靠后两层薄膜上的遮光印刷形成错位重叠来调节日照量△

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在日照辐射最强的西南面,气囊采用了长条的豌豆荚形,在一天中最热的时候充入液态氮以阻隔辐射热。△


其它:当然,除了采用气囊模式外,单层ETFE薄膜同样可以用作常规张拉膜结构中的膜材。由于ETFE薄膜弹性相对较大,因此支承跨度应限制在一定的范围内(国外资料称跨度≤3m)。北京2008奥运主体育场(鸟巢)工程局部墙体及屋面围护即运用了支承式结构单层ETFE薄膜作为材料,只不过大家的视线更多地集中在鸟巢的造型上罢了。

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