膜结构建筑的膜材料

    3.3　膜结构建筑的膜材料

    膜材是建筑膜结构体系的重要组成部分，膜材的自身特性使其成为产生预张力的关键。同时，正是由于膜材的独特外观，才使得膜结构建筑的造型标新立异，与众不同。

    用于膜结构建筑中的膜材是一种具有强度、柔韧性好的薄膜材料，它是由织物基材(玻璃纤维、聚酯长丝)和涂层(PYFE、硅胶、PVC)复合而成的涂层织物，具有轻质、柔韧、厚度小、重量轻、透光性好等特征;对自然光有反射、吸收和透射能力;它不燃、难燃，且具有耐久、防火、气密良好等特性;表面经氟素(涂覆PVF或PVDF)的膜材、自身不发黏，有很好的自洁性能。

    3.3.1　常用建筑膜材

    首先，以制成方法区分，建筑膜材可分为以下两种。

    1)平面不织膜

    由各种塑料在加热液化状态下挤出的膜，它有不同厚度、透明度及颜色，最通用的是聚乙烯膜。亦有以聚乙烯和聚氯乙烯热熔后制成的复合膜，其抗紫外线及自洁性强，且使用年限可从7年延长到15年，此种膜因张力强度不大，跨度也不大，属于半结构性的膜材。

    2)织布合成膜

    以聚酯丝织成的布心，双面涂以PVC树脂，再用热熔法于表面覆盖一层聚氟乙烯膜，制成织布合成膜，使用年限从7年延长到15年。因布心的张力强度较大，可以使用于多种张拉力型结构，跨度可达8～10米。

    此外，依据建筑膜材耐久特性分，建筑膜材可分为以下三种。

    (1)永久性膜结构(膜材使用年限可超过25年)。

    (2)半永久性膜结构(膜材使用年限为10～15年)。

    (3)临时性膜结构(膜材使用年限为3～5年)。

    3.3.1.1　PTFE膜材

    PTFE膜材:由聚四氟乙烯(PTFE)涂层和玻璃纤维基层复合而成。PTFE膜材品质卓越，价格较高。

    PTFE膜材料的特点如下。

    (1)强度高、耐久性好、防火难燃、自洁性好，而且不受紫外光的影响，其使用寿命在20年以上。

    (2)具有高透光性，透光率为13%，并且透过膜材料的光线是自然散光，不会产生阴影，也不会眩光。

    (3)对太阳能的反射率为73%，所以热吸收量少。即使在夏季炎热的日光照射下室内也不会受太大影响。

    3.3.1.2　PVC膜材

    PVC膜材由聚氯乙烯(PVC)涂层和聚酯纤维基层复合而成，应用广泛，价格适中。PVC膜材的强度及防火性与PTFE相比具有一定的差距，使用年限一般在7～15年。

    具有自洁性的PVC膜材通过涂层来提高性能，性能优于纯PVC膜材，价格相应略高。(如图3.22所示)

    (1)在膜材表面涂上PVDF(聚偏氟乙酸树脂)称为PVDF膜材料。

    (2)涂有TiO₂(二氧化钛)的PVC膜材料，也具有极高的自洁性。

    

    

    

    图3.22　具有自洁性的PVC膜材结构

    常用的建筑膜材的性能对比，见表3.1。

    表3.1　常用建筑膜材的性能对比

    

    3.3.2　建筑膜材的性能

    3.3.2.1　力学性能

    中等强度的PVC膜:其厚度仅0.61毫米，但它的抗拉强度相当于钢材的一半。中等强度的PTFE膜:其厚度仅0.8毫米，但它的抗拉强度已达到钢材的水平。

    膜材的弹性模量较低，这有利于膜材形成复杂的曲面造型。

    大体说来，膜材所使用的织布的纤维愈细，织布单位面积的抗拉强度相对提高，纤维缠绕而成的织材相对也愈细。(如图3.23所示)

    

    

    

    图3.23　一般膜材纤维直径与抗拉强度关系

    3.3.2.2　光学性能

    膜材料可滤除大部分紫外线，防止室内物品褪色。其对自然光的透射率可达25%，透射光在膜结构内部产生均匀的漫射光，无阴影，无眩光，具有良好的显色性，夜晚在周围环境光和内部照明的共同作用下，膜结构表面发出自然柔和的光辉，令人陶醉。

    由于膜材半透光的特性，使得日光透过能适度扩散并且不致产生阴影，舒适并且充足的光线对室内植栽的生长亦有助益。另一方面由于紫外线的穿透能受到膜材有效阻隔，建筑物内部结构或建材并不会因此受太大的影响而产生颜色上的差别或变化。(如图3.24所示)

    

    

    

    图3.24　日照穿透率对照表

    3.3.2.3　声学性能

    一般膜结构对低于60赫的低频几乎是透明的，因此隔声能力较差。对于有特殊吸音要求的结构可以采用具有Fabrasorb装置的膜结构，比一般建筑具有更强的吸音效果，能大幅度降低共鸣噪声。

    3.3.2.4　防火性能

    如今广泛使用的膜材料能很好地满足防火的需要，具有卓越的阻燃和耐高温性能，可以达到防火要求。

    3.3.2.5　保温性能

    单层膜材料的保温性能与砖墙相似，优于普通玻璃。

    同其他材料构建的建筑一样，膜建筑内部也可以采用其他方式调节室内温度。例如:内部加挂保温层，使用空调采暖设备等。膜材本身的白色可反射大部分的日照热能，因此能有效阻隔热源的进入。若是使用双层的结构(外膜、内膜)，则能更进一步提升热源阻隔之效果，更为节能。(如图3.25(a)、(b)所示)

    3.3.2.6　自洁性能

    PTFE膜材和经过特殊表面处理的PVC膜材具有很好的自洁性能，对一般尘埃有拒亲和性能，雨水会在其表面聚成水珠，浮尘同时会流下，使膜材表面得到自然清洗。由于膜材上所附的氟化物在物性及化性上皆具有不沾性，停留在膜材上的灰尘及空气污染中的各种悬浮物能借助雨水的冲刷而带走，因此膜材能常保如新。膜材自洁的特性，能节省在建筑维护上的费用并简化维护程序。

    

    

    

    图3.25(a)　热能分布

    

    

    

    图3.25(b)　反射率

    3.3.3　建筑膜材的组成

    建筑膜材在结构组成上，可分为基材和涂层两部分。其中的基材决定了材料的结构强度，而涂层能够有效地提升材料的各项物理性能，二者互为补充，相辅相成。

    3.3.3.1　基材

    膜材基本上为一种织物，织材由纤维构成。织品结构的材料选择、设计、制造、施工及安装的质量都好，就能够确保结构的品质。膜结构的质量主要取决于材料的选择，尤其是拉力结构和充气结构。而通常膜材的基材纤维，可分为下列几种。

    1)尼龙/Nylon

    尼龙的抗拉力较聚酯类稍佳，但其弹力系数较低，在载重作用下可能造成皱褶的几率大为升高，且易受湿度变化影响，导致材料尺寸在裁切前后会产生误差，并且易受紫外线影响而逐渐失去抗拉力。

    2)聚酯类/Polyester

    其抗拉力较尼龙稍差，但因其良好的张力、耐久性、低成本及拉力，能够适应某些需求。聚酯为最常用之基材。未处理的聚酯纤维易受紫外线破坏，但在保护涂层覆盖后相较于同样处理之尼龙更能抵抗紫外线，因此就实用而言，聚酯之抗紫外线能力较尼龙为佳。

    3)玻璃纤维/FiberGlass

    具有高弹性系数及高抗拉强度，但其纤维易因重复之压折而破坏，为克服此缺点，运用较小直径之纤维稍能降低破坏之程度。玻璃纤维不易受紫外线破坏，因此多应用于永久性建筑。

    4)人造纤维A ramids(Kevlar)

    具有高弹性系数及高抗撕裂强度，伸缩性较玻璃纤维为佳，但不及尼龙纤维和聚酯纤维。暴露于紫外线下同样会使基材之特性恶化。

    基材的编织方法，大致有以下几种。

    (1)交错织法:又分为疏交错织法和密交错织法。

    表3.2为疏交错织法和密交错织法的分析比较。

    表3.2　疏交错织法和密交错织法的分析比较

    

    (2)平织法:与交错织法相比，平织法有如下优缺点。

    优点:织布的厚度较薄(约二倍纤维之直径)，非常高的抗撕裂强度，伸张及抗撕裂的特性之间的平衡度非常好，涂层的附着较为平均。

    缺点:横向及纵向的拉伸性不佳，横向及纵向纤维无交错，因而张力无法相互传递。

    3.3.3.2　涂层

    1.PVC

    PVC涂层，柔软具有弹性，覆盖于基材上可随织布曲率变化而变化，能抵抗紫外线并且能有多种色彩可以选择，常用于尼龙和聚酯纤维上。

    2.PTFE(四氟化乙烯)

    PTFE涂层，化学性质稳定，抗湿度变化及有机物质的破坏，防火并且不易随时间而老化，被覆在基材上后可提高织布之抗拉强度及弹性系数，但目前只有白色之涂层可以选择，对于各种基材没有限制。

    3.Silicone(硅)树脂

    通常覆盖于玻璃纤维基材上，弹性能长久维持，可提高织布之抗拉强度及弹性系数，防火并抗紫外线。

    4.涂层处理

    涂层处理，指在基材上覆盖涂层后，又进一步涂刷某些物质来增强材质性能，是涂层的再加工。通常为了额外保护膜材，提高抗紫外线能力或增强自洁性时，要对覆盖过涂层的膜材进行涂层处理，如在PVC上再涂覆PVDF(二氟化乙烯)或TiO₂(二氧化钛)等。

    3.3.4　膜材的黏合方法

    膜材在经过设计并科学地裁剪之后需要进行黏合，主要的黏合方法有3种。

    3.3.4.1　缝纫法

    这是一种最牢固的黏合方法，但是缝纫线容易被损坏。缝纫法通常与热合法同时应用在PVC涂覆聚酯长丝织物上，以期得到更大的强度，如果在户外使用，缝纫黏合还要用PVC覆盖物加以保护。缝纫黏合不适用于PTFE涂覆玻璃纤维织物和其他所有脆性基材上。

    3.3.4.2　热合法

    热合法是通过加热黏合缝，使织物上层的涂层熔融，然后施加压力并使黏合缝冷却的方法。可以通过向膜材吹热空气，让膜材接触加热工具，或者通过高频电磁波辐射，使得膜材获得相应的热度，以利黏合。

    热合法可以适用于PVC涂覆聚酯长丝织物和PTFE涂覆玻璃纤维织物上。而对于PTFE涂覆玻璃纤维织物来说，由于PTFE不能自己热熔，就需要在其内层添加一种不同的材料来完成热熔。

    3.3.4.3　机械法

    虽然缝纫和热合已经大量应用于膜材加工车间，但是机械法有时也会应用。机械法一般有三种形式。

    (1)在两个膜片的边缘处埋绳，并在两个膜片的重叠位置夹上夹板。这种夹板要求不连续，并且可以移动。

    (2)在两个膜片的边缘埋绳，并将两条埋绳嵌入有两个开口的像横放着的哑铃的铝夹板中，铝夹板也是不连续的。这种黏合方法的防水性能比第一种要差。

    (3)最简单的一种方法是将许多膜片排成一排并加以固定。这是最容易且最迅速的安装方法，但不能防水。

    3.3.5　膜材的发展方向

    膜材的未来发展方向是保留建筑膜材的优点和特色，克服其物理性能的局限，进一步提升其可适应性。

    可适应性包括几方面:①膜材的施工方法;②膜材的机械强度、抗撕裂性能和弹性性能;③膜材的耐久性;④膜材的保温隔热性能;⑤膜材的隔音或反射性能;⑥膜材的透明度。

    不难看出，以上几点基本都是针对膜材的物理性能展开的，膜材只有在物理性能上拥有卓越的表现，才能广泛地适应现代建筑五花八门的需求，才能使膜结构建筑在其发展的道路上越走越宽。