建筑模結構及膜材料發展

建筑模結構及膜材料發展

摘要

一九七零年，日本大阪博覽會的美國館和富士館全部運用了膜結構建筑，引

發了建筑界的矚目。 在之后的幾十年中，建筑膜結構得到了飛速的進展。 大多

數的膜結構由鋼材與和索組成，其他與膜的膜結構也慢慢朝著功能和智能化。

膜材具備輕巧美觀的特點； 透光節能，環保，阻燃性能優勢； 防污自潔性能；

安全，生命周期長等特征。根據相應的優勢，建筑嶄露頭角。膜結構被叫做是

“二十一世紀的建筑”。 他們用于大規模體育場館，入口廊道，商場，賭場，

停車場，展覽廳和植物園等。本文介紹了近年來國內外膜結構材料的發展及其在

建筑領域的應用，并對幾類主要產品以及不同生產商生產的同類產品進行了性能

對比，通過各類產品的優劣性對比，并且從構造和受力特點上分析了膜結構的3

種形式，詳細介紹了PTFE建筑膜材、PVC類建筑膜材和其他幾種特殊的建筑膜材

的性能特點。闡述了新型建筑膜材的發展現狀和新產品以及它們在世界范圍內的

應用實例，并對我國建筑膜材的發展進行展望。希望我國的膜結構建筑技術能更

上一層樓，在膜材料生產技術上能逐漸走上國產化，生產出中國造的“膜材料”

關鍵詞 建筑；膜；材料；發展

1 前言

膜結構的歷史能夠回憶到古代樹木制成的帳篷，然后固定在支撐樹皮或野獸

皮膚上。現代膜結構被廣泛應用于從一九七零年大阪世界博覽會建筑上開始，由

于膜結構的標志性建筑---美國館以及富士博物館引起了全球的注重，從那以后，

膜結構獲得了飛速進展。在那個時候，根據專家的估計，從一九七零年到一九九

六年，全球上大概有一百五十個大規模的膜結構建筑。目前，由于建筑膜結構新

自潔，透光性好，安全使用壽命長，是膜結構中的重要材料。現階段，膜正在慢

慢朝著功能化和智能化進展。

2 建筑膜結構

膜結構也叫做織物結構，是二十世紀中期發展起來的一種新型空間結構。它

由柔軟的織物制成，具有優異的性能，由膜內氣壓支撐的膜表面，或柔性鋼索或

剛性支撐結構。膜表面產生相應的預張力，形成具備相應剛度的結構體系，可以

覆蓋大空間。膜結構的起源能夠回憶到古代人用牛皮，或是布制成的帳篷結構。

但是，長期以來，因為技術因素，這種結構并沒有得到很快的發展。 一九七零

年，日本大阪世博會，由美國工程師David Geiger美國館設計，屋頂應用空氣

支撐膜結構，平面尺寸為83.5米×142米，運用PVC涂層玻璃纖維織物結構。它

被普遍認為是現代意義上的首個大跨度膜結構。其外觀導致了未來大跨度膜結構

建筑的進展。現代膜結構雖然只出現幾十年，但發展快速。可運用于體育場館，

機場大廳，展覽中心，購物中心等大規模的公共建筑，也適用于小規模多樣的休

閑景觀設施，建筑等。

2.1 膜結構的特點

與以往結構比較，膜結構具備下面幾個特征：

（1）重量輕，跨度大，抗震性能好。薄膜結構和重量相比，傳統結構的數

量級差異。能夠輕松跨越一個較大的跨度，但與以往的建筑材料不同，因為跨度

的增加顯著增加了自重，自重輕，膜結構具備優秀的抗震性能。

（2）建筑風格自由而豐富。各種建筑造型的膜結構奇特，新穎獨特，具備

（5）自潔性。膜材的表面涂層，尤其是以聚四氟乙烯（PTFE）為涂層的膜

材，在不粘性能方面尤其優異。大氣中的灰塵和污垢不容易附著在膜的表面，灰

塵也會被雨水沖走，多年使用仍可以維持內部清潔美觀的外觀。

除了上述優點之外，膜結構也具有相應的缺點。如耐久性，保溫性能和隔音

性不如傳統磚石，鋼筋混凝土等材料，還需要不斷研究。

2.2 膜結構的分類

按照相應的支撐模式，膜結構一般分為空氣支撐，張拉式和骨架支撐三類。

2.2.1空氣支撐式膜結構

空氣支撐膜結構是通過膜內外的氣壓來穩定膜表面以承受外部負載。可劃分

成氣承式和氣囊式兩種。氣承式利用壓力控制系統向建筑物室內充氣，室內外保

持相應的壓力差，使膜體產生相應的預張力，以保證系統的剛性。氣囊式是為了

維持足夠的內部壓力而使單個膜件充氣。多個膜結構被組合以組成相應形狀的整

體結構。充氣膜結構是使用現代膜結構早期發展的膜結構，他主要使用PTFE基

膜材料，用于一些體育場館，貿易場館和音樂廳等。然而，到了八十年代中后期，

充氣膜結構慢慢產生了相應的問題，通常是因為控制系統意外漏氣或不穩定而導

致的屋頂下陷。另外，充氣膜結構的成本和維護成本比較貴，人們逐漸間目光轉

向張拉式膜結構。

2.2.2張拉式膜結構

構建筑時間年限較久，因此在膜材料的耐久性能上也有一定要求。這類膜結構因

建造精度高，結構性能好，表現力豐富，因此成本稍高于骨架膜結構。

2.2.3骨架支撐膜結構

骨架支撐膜結構是指以剛性結構為承重骨架、并在骨架上敷設張緊的膜材的

結構形式。剛性骨架是主要受力體系，膜材僅作為圍護結構，故設計、制作比較

簡單，工程造價相對較低。但這類建筑膜結構并未發揮出膜材料本身的結構承載

力，跨度也受支撐骨架的限制。這類膜結構主要是應用于早期膜結構剛出現且膜

材料的各種性能不夠好的時候應用比較多，隨著技術的日益完善，這類膜結構也

逐漸被張拉式膜結構索取代。這種結構對于膜材的要求很低，對膜材的抗拉性能

和蠕變性要求很低，多應用PVC類膜材料。此類建筑對膜材料與之前兩種膜結構

相比對膜材料的要求相對較低，在本文中沒有做詳細介紹。

3建筑膜材料

3.1.膜材種類

現階段，建筑膜行業更是按照建筑膜的防火性能把其劃分成A，B，C三類。

A類膜防火性能較好，是以玻璃纖維，聚四氟乙烯涂層為基礎，多用于大規模膜

建筑項目； B類為其次，以玻璃纖維涂層PVC為基礎，大量應用于國內外； C

類落后。它由聚酯纖維為基礎，并涂有PVC。 它適用于一次性建筑物或低投資的

臨時建筑物。 此外，還有幾個特殊的膜材， 普遍的建筑膜分類可見表1所示。

表1 常用建筑膜材的種類

3.2膜材料基材的生產工藝

從結構組成的立場來看，膜材料是由樹脂或橡膠等基材在織物基材上制成的

疊層柔性復合材料，通常由基布、涂層和面層三個部分構成。其中，基布到來了

膜材料的力學性能，特別是抗張拉性能。聚合物涂層使膜材料具備抗環境因素的

能力，面層帶來了膜材料自潔，以及抗紫外線的能力。膜材料基布一般有兩種：：

聚酯長絲以及玻璃纖維。

3.2.1聚酯長絲（滌綸PET）

滌綸的合成原料是乙二醇和對苯二甲酸。引入苯環的目的在于增強材料的熔

點以及剛度。滌綸的特征是：熔點高，機械強度低于150-175攝氏度，耐溶劑，

耐腐蝕，耐磨，耐油膩，能夠多次洗滌，透水性適宜。 它是最大的合成纖維品

種。 如果用丁二醇替代乙二醇能夠制成熔點較低的較軟的滌綸聚酯。

3.2.2玻璃纖維

玻璃被加熱并熔化并被拉成長絲，也就成為了玻璃纖維。 玻璃纖維具備良

好的抗拉性能，耐熱性，電絕緣性等優點，玻纖的抗拉性能遠超一些天然的纖維

和合成纖維及鋼材，但其彈性模量低，僅僅為鋼材的三分之一左右，歸類于干脆

二零零四年，中國出臺了“膜結構技術規程”，把膜材料劃分成G，P兩類，

依次對應玻璃纖維和聚酯纖維產品。 G類是不燃膜材料，P類是為難燃膜材料。

按照結構承載能力的要求，可劃分成A到E共五個等級，可見表1和表2 。

表 1 玻璃纖維（G類）膜材料的分級

級ABCDE

別

受抗厚克抗厚克抗厚克抗厚克抗厚克

力拉拉度重拉度重拉度重拉度重度重

方強強強強強

向度度度度度

經50≥40≥30≥20≥20≥

向20.915540.713060.610580.48000.350

0-005-000-005-005-0

1.0.0.0.0.

190756045

緯43221

向7050902050

00000

表 2 聚酯纖維（P類）膜材料的分級

級ABCDE

別

受抗厚克抗厚克抗厚克抗厚克抗厚克

力拉度重拉度重拉度重拉度重拉度重

方強強強強強

向度度度度度

經51≥30≥30≥20≥10≥

向00.114580.912500.810520.69050.375

05-005-000-005-000-0

1.1.0.0.0.

2515958065

緯43221

向2020600050

00000

3.3常見的幾種膜材料

膜材

以玻璃纖維織物為基層，在其表面涂敷PTFE的膜材料的質量比較好，其自

身強度比較高而且其蠕變量比較低，這種膜材的接縫處可以達到和基本膜材的相

同強度，可以說是無縫連接。膜材的耐久性能好，不會因為在大氣環境中出現發

黃、發霉甚至出現裂紋的現象，也不會因為長期受紫外線的照射作用而出現性能

退化的現象。PTFE膜材屬于非燃性材料，具有很好的耐火性能，滿足了大型場所

出現火災損失慘重的現象。膜材擁有極強的防水抗滲的性能，彌補了以往砂漿混

凝土材料不能克服的現象，這類膜材自潔能力極強，但是它的造價比較昂貴，膜

材比較剛硬，施工操作時柔順性稍差，因此設計的精確度就尤為重要，其設計參

數如表1所示：

表1：PTFE膜材的性能

類別ⅠⅡⅢⅣ

自重（ɡ/800105012501500

㎡）

抗拉強度3500/3005000/4406900/5907300/650

（N/(5cm）) 0000

經/緯

抗撕裂強300/300300/300400/400500/500

度（N）經/緯

破壞時的3~123~123~123~12

伸張率（%）

透光度15±315±315±315±3

（白色）

膜材

這類膜材是在聚酯纖維上涂敷PVC制成，造價與第一類膜材相比要低很多，

但強度要低于PTFE膜材，但是其蠕動性能要優于PTFE類膜材很多，抗拉性能優

異，延展性好，便于制作，對于施工中裁剪過程遇到的誤差有相當好的適應性，

但是這類膜材也有它的短板，耐久性和自潔性是它存在的不足，且容易老化和變

質，不能很好的適應建筑耐久性的需要。為了改變PVC膜材的這種窘狀，目前常

在涂層外面再加涂一層（外涂層材料通常為聚氟乙烯（PVF）或聚偏氟乙烯

（PVDF）），通過雙涂層操作極大地改善了這類膜材的耐久性能和自潔性能，但

在造價方面與之前相比，成本稍高，但與PTFE類膜材相比還是廉價不少，而且

可以滿足一些年限較久的建筑的需求，PVC類膜材的設計參數見表2：

表2：PVC膜材的性能

類別ⅠⅡⅢⅣⅤ

自重700~900105013001450

（ɡ/㎡）800

抗拉強35004200/45700/57300/69800/8

度/900000200300300

（N/(5cm）

經/緯

抗撕裂300/520/51880/901150/11600/1

強（N）經/30000300800

緯

破壞時15~215~2015~2515~2515~25

的伸張率0

（%）

透光度139.5853.5

（白色）

膜材

ETFE建筑膜材的研發和在膜結構建筑上的應用在國外也不過才20多年的歷

史，目前能生產出ETFE樹脂膜材的公司比較少，目前用于建筑膜結構上的ETFE

膜材是通過生料加工而成的薄膜，厚度通常都在0.05㎜到0.25㎜之間，雖然膜

材的厚度很薄，但是這種薄膜的耐久性和抗拉性能等都遠超過前兩種膜材料，并

且這類膜材擁有前兩類膜材所不具備的性能，擁有很好的透光性，2008年我國主

辦運動會場館所用膜材料即為這種膜材料。實驗數據表明0.2㎜的ETFE膜材的

密度約為350g/㎡，可謂是質量非常輕，但是它的抗拉強度卻達到了40Mpa。由

于這類膜材料的生產技術還不夠成熟和完整，因此此類膜材料的造價很高，在膜

結構建筑物中還沒有被廣泛應用，通過對資料的查閱，ETFE的設計參數如表3：

表3：ETFE膜材性能

類別ⅠⅡⅢ

抗拉強度350~450300~500300~500

（㎏/㎡）

伸長率（%）300~400300~400300~400

耐折（次）2000~100001000~200004000~30000

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