建筑模结构及膜材料发展

建筑模结构及膜材料发展

摘要

一九七零年，日本大阪博览会的美国馆和富士馆全部运用了膜结构建筑，引

发了建筑界的瞩目。 在之后的几十年中，建筑膜结构得到了飞速的进展。 大多

数的膜结构由钢材与和索组成，其他与膜的膜结构也慢慢朝着功能和智能化。

膜材具备轻巧美观的特点； 透光节能，环保，阻燃性能优势； 防污自洁性能；

安全，生命周期长等特征。根据相应的优势，建筑崭露头角。膜结构被叫做是

“二十一世纪的建筑”。 他们用于大规模体育场馆，入口廊道，商场，赌场，

停车场，展览厅和植物园等。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，并且从构造和受力特点上分析了膜结构的3

种形式，详细介绍了PTFE建筑膜材、PVC类建筑膜材和其他几种特殊的建筑膜材

的性能特点。阐述了新型建筑膜材的发展现状和新产品以及它们在世界范围内的

应用实例，并对我国建筑膜材的发展进行展望。希望我国的膜结构建筑技术能更

上一层楼，在膜材料生产技术上能逐渐走上国产化，生产出中国造的“膜材料”

关键词 建筑；膜；材料；发展

1 前言

膜结构的历史能够回忆到古代树木制成的帐篷，然后固定在支撑树皮或野兽

皮肤上。现代膜结构被广泛应用于从一九七零年大阪世界博览会建筑上开始，由

于膜结构的标志性建筑---美国馆以及富士博物馆引起了全球的注重，从那以后，

膜结构获得了飞速进展。在那个时候，根据专家的估计，从一九七零年到一九九

六年，全球上大概有一百五十个大规模的膜结构建筑。目前，由于建筑膜结构新

自洁，透光性好，安全使用寿命长，是膜结构中的重要材料。现阶段，膜正在慢

慢朝着功能化和智能化进展。

2 建筑膜结构

膜结构也叫做织物结构，是二十世纪中期发展起来的一种新型空间结构。它

由柔软的织物制成，具有优异的性能，由膜内气压支撑的膜表面，或柔性钢索或

刚性支撑结构。膜表面产生相应的预张力，形成具备相应刚度的结构体系，可以

覆盖大空间。膜结构的起源能够回忆到古代人用牛皮，或是布制成的帐篷结构。

但是，长期以来，因为技术因素，这种结构并没有得到很快的发展。 一九七零

年，日本大阪世博会，由美国工程师David Geiger美国馆设计，屋顶应用空气

支撑膜结构，平面尺寸为83.5米×142米，运用PVC涂层玻璃纤维织物结构。它

被普遍认为是现代意义上的首个大跨度膜结构。其外观导致了未来大跨度膜结构

建筑的进展。现代膜结构虽然只出现几十年，但发展快速。可运用于体育场馆，

机场大厅，展览中心，购物中心等大规模的公共建筑，也适用于小规模多样的休

闲景观设施，建筑等。

2.1 膜结构的特点

与以往结构比较，膜结构具备下面几个特征：

（1）重量轻，跨度大，抗震性能好。薄膜结构和重量相比，传统结构的数

量级差异。能够轻松跨越一个较大的跨度，但与以往的建筑材料不同，因为跨度

的增加显着增加了自重，自重轻，膜结构具备优秀的抗震性能。

（2）建筑风格自由而丰富。各种建筑造型的膜结构奇特，新颖独特，具备

（5）自洁性。膜材的表面涂层，尤其是以聚四氟乙烯（PTFE）为涂层的膜

材，在不粘性能方面尤其优异。大气中的灰尘和污垢不容易附着在膜的表面，灰

尘也会被雨水冲走，多年使用仍可以维持内部清洁美观的外观。

除了上述优点之外，膜结构也具有相应的缺点。如耐久性，保温性能和隔音

性不如传统砖石，钢筋混凝土等材料，还需要不断研究。

2.2 膜结构的分类

按照相应的支撑模式，膜结构一般分为空气支撑，张拉式和骨架支撑三类。

2.2.1空气支撑式膜结构

空气支撑膜结构是通过膜内外的气压来稳定膜表面以承受外部负载。可划分

成气承式和气囊式两种。气承式利用压力控制系统向建筑物室内充气，室内外保

持相应的压力差，使膜体产生相应的预张力，以保证系统的刚性。气囊式是为了

维持足够的内部压力而使单个膜件充气。多个膜结构被组合以组成相应形状的整

体结构。充气膜结构是使用现代膜结构早期发展的膜结构，他主要使用PTFE基

膜材料，用于一些体育场馆，贸易场馆和音乐厅等。然而，到了八十年代中后期，

充气膜结构慢慢产生了相应的问题，通常是因为控制系统意外漏气或不稳定而导

致的屋顶下陷。另外，充气膜结构的成本和维护成本比较贵，人们逐渐间目光转

向张拉式膜结构。

2.2.2张拉式膜结构

构建筑时间年限较久，因此在膜材料的耐久性能上也有一定要求。这类膜结构因

建造精度高，结构性能好，表现力丰富，因此成本稍高于骨架膜结构。

2.2.3骨架支撑膜结构

骨架支撑膜结构是指以刚性结构为承重骨架、并在骨架上敷设张紧的膜材的

结构形式。刚性骨架是主要受力体系，膜材仅作为围护结构，故设计、制作比较

简单，工程造价相对较低。但这类建筑膜结构并未发挥出膜材料本身的结构承载

力，跨度也受支撑骨架的限制。这类膜结构主要是应用于早期膜结构刚出现且膜

材料的各种性能不够好的时候应用比较多，随着技术的日益完善，这类膜结构也

逐渐被张拉式膜结构索取代。这种结构对于膜材的要求很低，对膜材的抗拉性能

和蠕变性要求很低，多应用PVC类膜材料。此类建筑对膜材料与之前两种膜结构

相比对膜材料的要求相对较低，在本文中没有做详细介绍。

3建筑膜材料

3.1.膜材种类

现阶段，建筑膜行业更是按照建筑膜的防火性能把其划分成A，B，C三类。

A类膜防火性能较好，是以玻璃纤维，聚四氟乙烯涂层为基础，多用于大规模膜

建筑项目； B类为其次，以玻璃纤维涂层PVC为基础，大量应用于国内外； C

类落后。它由聚酯纤维为基础，并涂有PVC。 它适用于一次性建筑物或低投资的

临时建筑物。 此外，还有几个特殊的膜材， 普遍的建筑膜分类可见表1所示。

表1 常用建筑膜材的种类

3.2膜材料基材的生产工艺

从结构组成的立场来看，膜材料是由树脂或橡胶等基材在织物基材上制成的

叠层柔性复合材料，通常由基布、涂层和面层三个部分构成。其中，基布到来了

膜材料的力学性能，特别是抗张拉性能。聚合物涂层使膜材料具备抗环境因素的

能力，面层带来了膜材料自洁，以及抗紫外线的能力。膜材料基布一般有两种：：

聚酯长丝以及玻璃纤维。

3.2.1聚酯长丝（涤纶PET）

涤纶的合成原料是乙二醇和对苯二甲酸。引入苯环的目的在于增强材料的熔

点以及刚度。涤纶的特征是：熔点高，机械强度低于150-175摄氏度，耐溶剂，

耐腐蚀，耐磨，耐油腻，能够多次洗涤，透水性适宜。 它是最大的合成纤维品

种。 如果用丁二醇替代乙二醇能够制成熔点较低的较软的涤纶聚酯。

3.2.2玻璃纤维

玻璃被加热并熔化并被拉成长丝，也就成为了玻璃纤维。 玻璃纤维具备良

好的抗拉性能，耐热性，电绝缘性等优点，玻纤的抗拉性能远超一些天然的纤维

和合成纤维及钢材，但其弹性模量低，仅仅为钢材的三分之一左右，归类于干脆

二零零四年，中国出台了“膜结构技术规程”，把膜材料划分成G，P两类，

依次对应玻璃纤维和聚酯纤维产品。 G类是不燃膜材料，P类是为难燃膜材料。

按照结构承载能力的要求，可划分成A到E共五个等级，可见表1和表2 。

表 1 玻璃纤维（G类）膜材料的分级

级ABCDE

别

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

方强强强强强

向度度度度度

经50≥40≥30≥20≥20≥

向20.915540.713060.610580.48000.350

0-005-000-005-005-0

1.0.0.0.0.

190756045

纬43221

向7050902050

00000

表 2 聚酯纤维（P类）膜材料的分级

级ABCDE

别

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

方强强强强强

向度度度度度

经51≥30≥30≥20≥10≥

向00.114580.912500.810520.69050.375

05-005-000-005-000-0

1.1.0.0.0.

2515958065

纬43221

向2020600050

00000

3.3常见的几种膜材料

膜材

以玻璃纤维织物为基层，在其表面涂敷PTFE的膜材料的质量比较好，其自

身强度比较高而且其蠕变量比较低，这种膜材的接缝处可以达到和基本膜材的相

同强度，可以说是无缝连接。膜材的耐久性能好，不会因为在大气环境中出现发

黄、发霉甚至出现裂纹的现象，也不会因为长期受紫外线的照射作用而出现性能

退化的现象。PTFE膜材属于非燃性材料，具有很好的耐火性能，满足了大型场所

出现火灾损失惨重的现象。膜材拥有极强的防水抗渗的性能，弥补了以往砂浆混

凝土材料不能克服的现象，这类膜材自洁能力极强，但是它的造价比较昂贵，膜

材比较刚硬，施工操作时柔顺性稍差，因此设计的精确度就尤为重要，其设计参

数如表1所示：

表1：PTFE膜材的性能

类别ⅠⅡⅢⅣ

自重（ɡ/800105012501500

㎡）

抗拉强度3500/3005000/4406900/5907300/650

（N/(5cm）) 0000

经/纬

抗撕裂强300/300300/300400/400500/500

度（N）经/纬

破坏时的3~123~123~123~12

伸张率（%）

透光度15±315±315±315±3

（白色）

膜材

这类膜材是在聚酯纤维上涂敷PVC制成，造价与第一类膜材相比要低很多，

但强度要低于PTFE膜材，但是其蠕动性能要优于PTFE类膜材很多，抗拉性能优

异，延展性好，便于制作，对于施工中裁剪过程遇到的误差有相当好的适应性，

但是这类膜材也有它的短板，耐久性和自洁性是它存在的不足，且容易老化和变

质，不能很好的适应建筑耐久性的需要。为了改变PVC膜材的这种窘状，目前常

在涂层外面再加涂一层（外涂层材料通常为聚氟乙烯（PVF）或聚偏氟乙烯

（PVDF）），通过双涂层操作极大地改善了这类膜材的耐久性能和自洁性能，但

在造价方面与之前相比，成本稍高，但与PTFE类膜材相比还是廉价不少，而且

可以满足一些年限较久的建筑的需求，PVC类膜材的设计参数见表2：

表2：PVC膜材的性能

类别ⅠⅡⅢⅣⅤ

自重700~900105013001450

（ɡ/㎡）800

抗拉强35004200/45700/57300/69800/8

度/900000200300300

（N/(5cm）

经/纬

抗撕裂300/520/51880/901150/11600/1

强（N）经/30000300800

纬

破坏时15~215~2015~2515~2515~25

的伸张率0

（%）

透光度139.5853.5

（白色）

膜材

ETFE建筑膜材的研发和在膜结构建筑上的应用在国外也不过才20多年的历

史，目前能生产出ETFE树脂膜材的公司比较少，目前用于建筑膜结构上的ETFE

膜材是通过生料加工而成的薄膜，厚度通常都在0.05㎜到0.25㎜之间，虽然膜

材的厚度很薄，但是这种薄膜的耐久性和抗拉性能等都远超过前两种膜材料，并

且这类膜材拥有前两类膜材所不具备的性能，拥有很好的透光性，2008年我国主

办运动会场馆所用膜材料即为这种膜材料。实验数据表明0.2㎜的ETFE膜材的

密度约为350g/㎡，可谓是质量非常轻，但是它的抗拉强度却达到了40Mpa。由

于这类膜材料的生产技术还不够成熟和完整，因此此类膜材料的造价很高，在膜

结构建筑物中还没有被广泛应用，通过对资料的查阅，ETFE的设计参数如表3：

表3：ETFE膜材性能

类别ⅠⅡⅢ

抗拉强度350~450300~500300~500

（㎏/㎡）

伸长率（%）300~400300~400300~400

耐折（次）2000~100001000~200004000~30000

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