淺談ETFE膜在建筑中的運用

【摘要】論文簡單介紹了ETFE膜材料的特性，對ETFE膜材料在建筑中的實際運用效果進(jìn)行了分析，選取了三個應(yīng)用了ETFE膜的建筑實例進(jìn)行調(diào)研分析，探討了ETFE膜材料在不同建筑功能中的呈現(xiàn)效果與面臨的問題。

【關(guān)鍵詞】ETFE膜；薄膜材料；建筑設(shè)計；建筑材料

1、引言

如今建筑設(shè)計早已不局限于滿足人的使用需求，建筑師們把目光更多地放在對建筑整體的美學(xué)設(shè)計的考量上，很多時候會苦于沒有合適的技術(shù)和建筑材料支持建筑師表達(dá)自己的設(shè)計理念，而不得不放棄原有的設(shè)計方案。ETFE膜作為一種新型建筑材料出現(xiàn)，無疑可以給予建筑師更多的選擇。ETFE材料制成的薄膜延展性佳，透光率高達(dá)95%，通過表面處理可以在50%-90%之間靈活調(diào)整透光性，建筑師可以將這種材料靈活地應(yīng)用于頂棚、外表皮等，為建筑注入更多的活力。

ETFE材料于1947年首次被合成，并在20世紀(jì)70年代由美國杜邦公司實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，從實驗室走向了市場。而真正令ETFE大放異彩的，是其在2006年德國世界杯的慕尼黑安聯(lián)球場以及在2008年北京奧運會的國家體育場（鳥巢）、國家游泳中心（水立方）上的出色應(yīng)用。安聯(lián)球場與國家游泳中心將ETFE用于建筑的外表皮，在夜晚投射燈光，建筑變得五彩斑斕；中國國家體育場則用ETFE材料來填充頂部的鋼結(jié)構(gòu)單元格的空隙，滿足了采光、遮蔽的基本建筑需求。

近十年來，國家對于這一類新型材料的研發(fā)與應(yīng)用一直持支持態(tài)度。在環(huán)境保護(hù)和科學(xué)發(fā)展觀的指導(dǎo)下，“綠色”、“高效”逐漸成為了產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵詞，政府出臺了《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》等相關(guān)文件來鼓勵發(fā)展新型材料，這也為ETFE膜的應(yīng)用創(chuàng)造了一個良好的外部環(huán)境。我國的工業(yè)起步晚于歐美國家，化學(xué)加工工業(yè)更是極為薄弱的環(huán)節(jié)。盡管ETFE膜材料在我國有著廣闊的前景，生產(chǎn)技術(shù)的缺乏使得其一直是一種較為昂貴的材料，在一定程度上限制了其推廣。

2、ETFE材料簡介

ETFE為Ethylene TetraFluoro Ethylene的縮寫，其中文全稱為乙烯-四氟乙烯共聚物，是一種含氟塑料。

ETFE是乙烯（E）和四氟乙烯（TFE）交替排列形成的共聚物。從分子組成上來說，ETFE與PVDF（聚偏氟乙烯）是完全相同的。但是有機(jī)化學(xué)的有趣之處便在于，結(jié)構(gòu)上微妙的差異，令ETFE即保留了PVDF優(yōu)秀的耐化學(xué)性、耐老化性，又使其機(jī)械性能得到了改善，延展性也大大提升。這些優(yōu)良性能再加上易于加工的特性，使其成為高性能工程塑料的一員，發(fā)展迅速。

3、ETFE膜的建筑材料性能

3.1安全性

安全是材料應(yīng)用到建筑上的基礎(chǔ)。沒有安全作為保證，性能再優(yōu)秀的材料也難以被推廣使用。ETFE膜在安全方面主要體現(xiàn)在以下幾點：

1）質(zhì)量輕。ETFE制成的膜材料厚度一般在20～300μm，材料本身的密度在1.7g/cm3左右，因此ETFE膜質(zhì)量一般非常小，即使脫落也幾乎不會造成人員受傷。

2）抗拉強(qiáng)度大。對于膜材料的力學(xué)性能研究一般采用單軸拉伸試驗，測量的參數(shù)包括屈服強(qiáng)度、彈性模量。根據(jù)同濟(jì)大學(xué)建筑工程系測得的數(shù)據(jù)，厚度2.5mm的ETFE膜的抗拉強(qiáng)度49.5MPa，相當(dāng)于撐起一輛普通小轎車的壓強(qiáng)。

3）化學(xué)性能穩(wěn)定。ETFE膜在-65°C以上、110℃以下都十分穩(wěn)定，足夠適應(yīng)大部分情況下的室外溫度，不會因為受熱、受光照產(chǎn)生有害氣體。

4）耐火性強(qiáng)。ETFE膜不易燃燒，能達(dá)到耐火材料國家標(biāo)準(zhǔn)B1、DIN4102的級別，可作為阻燃材料。

5）耐腐蝕性強(qiáng)。ETFE膜作為一種含氟塑料，具有優(yōu)秀的耐腐蝕能力，使用壽命可達(dá)20年，甚至更久。

3.2功能性

ETFE膜在功能方面主要有以下幾個特性：

1）透光率高。ETFE膜的透光率可達(dá)到95%，與普通玻璃的透光率相當(dāng)。波長在10^-8～10^-4m之間的光均可以幾乎無損耗地穿過ETFE膜，這也就保證了將ETFE膜用于采光的建筑室內(nèi)自然光的強(qiáng)度。通過對膜材料進(jìn)行表面印刷，還可以將透光率調(diào)整至50%，以適應(yīng)不同條件下的情況。

2）導(dǎo)熱性低。ETFE膜的傳熱系數(shù)K=2.0W/㎡·℃，導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.10W/m·℃。通常將導(dǎo)熱系數(shù)λ<0.23W/m·℃的材料稱為絕熱材料，因此ETFE膜擁有理想的保溫隔熱的效果。

3）反射率低。ETFE膜的反射率遠(yuǎn)低于玻璃材料，可以有效緩解光污染。

基于這些特性，ETFE膜材料被應(yīng)用于動物園、植物園以及體育場館的頂棚。不同于其他透明材料，ETFE膜配合建筑照明設(shè)計，可以營造出變化極其豐富的光環(huán)境，達(dá)到很強(qiáng)的視覺效果，常被作為幕墻或多建筑的外表皮，國家游泳中心（水立方）就是一個最典型的例子。

3.3 清潔與維護(hù)

1）易清潔。ETFE膜的摩擦系數(shù)極小，附著在表面的灰塵與污漬可以很容易被雨水沖刷干凈，水分子也會很快流走而使得膜材料不易受潮，即使用抹布擦拭，也比木材、傳統(tǒng)玻璃輕松的多。易于清潔加上清潔周期長，大大降低了ETFE膜的清潔成本。

2）易維護(hù)。ETFE膜作為一種膜材料，維護(hù)起來是非常容易的。首先其性能的優(yōu)秀令ETFE膜很少出現(xiàn)損壞；若出現(xiàn)了微小的破損，用特制的膠布修補(bǔ)即可；若修補(bǔ)無法達(dá)到使用的最低強(qiáng)度，可以聯(lián)系生產(chǎn)廠家對單塊ETFE膜進(jìn)行更換，而破損的ETFE膜可回收利用，經(jīng)熔化后重新進(jìn)入ETFE膜的生產(chǎn)。

3.4 ETFE膜材料與其他建筑常用有機(jī)材料的性能對比

選取與ETFE類似的PTFE（聚四氟乙烯）、PVC（聚氯乙烯）等建筑常用有機(jī)材料的與建筑應(yīng)用相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行比較，得出下表。表格中，機(jī)械性能包括強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、多次沖擊抗力和疲勞極限等；阻燃性中VOI%為氧指數(shù)，數(shù)值越大，表示阻燃性越好；耐候性指經(jīng)受室外氣候考驗的耐受能力；透明性指薄膜制品。

根據(jù)此表，可以發(fā)現(xiàn)，ETFE膜集PTFE、PVF的優(yōu)秀性能于一身，在具有均衡的機(jī)械性能、出色的耐候性、耐腐蝕性的基礎(chǔ)上，還易于加工成型，以便于適應(yīng)在不同建筑的需求。

4、ETFE膜在不同建筑中的應(yīng)用

4.1 慕尼黑安聯(lián)球場

慕尼黑安聯(lián)球場（Allianz Arena）是德甲巨人拜仁慕尼黑的主場。設(shè)計者瑞士建筑師赫爾佐格與德梅隆將ETFE膜幾近完美地運用在了安聯(lián)球場之中：他們將ETFE膜制成菱形的氣枕結(jié)構(gòu)，鑲嵌在球場鋼材質(zhì)的外骨架上。2874個半透明氣枕首尾相接，緊緊包裹住整個球場表面，在陽光下閃爍著微光。每逢比賽日，氣枕內(nèi)部的反光裝置發(fā)出紅光，美妙的酒紅色映在表面，將整個球場化身為晶瑩剔透的紅寶石，在巴伐利亞的夜色中閃耀。

2005年至2014年期間，安聯(lián)球場曾是拜仁慕尼黑和慕尼黑1860的共有主場。為了強(qiáng)化球隊與球迷的身份認(rèn)同感，赫爾佐格與德梅隆令發(fā)光裝置在拜仁比賽時打上代表球隊的紅光，而慕尼黑1860比賽時則打上標(biāo)志性的藍(lán)色。超越語言和文字的信息傳遞，讓路過的人遠(yuǎn)遠(yuǎn)便可以依靠球場的顏色辨認(rèn)出比賽的球隊。

精巧的結(jié)構(gòu)，壯麗的外觀以及變幻的顏色，令安聯(lián)球場成為了慕尼黑乃至德國的榮耀，而這其中ETFE膜材料起到了無可替代的作用。半透明的ETFE膜氣枕既保證了白天球場內(nèi)的采光，又為黑夜中的球場呈現(xiàn)不同顏色提供了可能，可以說是整座建筑的設(shè)計中最精妙的一筆。

4.2 蘇黎世動物園馬蘇阿拉熱帶雨林館

ETFE膜常被用于創(chuàng)造精彩的視覺效果，同時，其保溫隔熱的性能也被建筑師所看重，蘇黎世動物園的馬蘇阿拉熱帶雨林館就是個很好的例子。

熱帶植物生長在全年高溫多雨的氣候中，一座位于北緯47°的北溫帶動物園想要營造出適合熱帶植物的環(huán)境，依靠全年連續(xù)不斷地供應(yīng)暖氣與水汽增溫增濕顯然會耗費極大的成本。設(shè)計團(tuán)隊考慮到了這一點后，選用了ETFE膜作為雨林館頂棚。

ETFE膜高透光性令自然光可以穿過薄膜同時不阻擋紫外線，加上保溫隔熱的特性使得雨林館內(nèi)形成了溫室效應(yīng)，在陽光的照射下便可以迅速上升至適宜熱帶植物生長的溫度；ETFE薄膜的輕質(zhì)性減少了頂棚建造時所需的支撐柱，為高大的雨林植物提供的更多的生長空間；同時弧型的屋頂有利于雨水帶著灰塵向兩側(cè)迅速排走，使得ETFE薄膜很少需要進(jìn)行人工清潔。

4.3 鄭州大學(xué)（南區(qū)）地鐵站出入口

不僅大型建筑常使用ETFE膜，我們身邊的小型建筑也可以通過ETFE膜而展現(xiàn)出獨特的生命力。

地鐵站常常帶有一個城市的風(fēng)格特點，從一個小的側(cè)面反映出了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、文化氛圍與歷史背景。鄭州大學(xué)（南區(qū)）地鐵站出入口的設(shè)計靈感來自于具有中原文化特色的“蔡侯紙”。為了表現(xiàn)出“折紙”的意象，同時契合鄭州二七紀(jì)念塔的節(jié)奏韻律，設(shè)計者利用ETFE膜易于成型的特點，將地鐵站出入口塑造出了折疊變化的形態(tài)。由于出入口的ETFE膜有著良好的透光性，可以借助自然光或周圍的路燈等光源而減少照明系統(tǒng)的安裝，一定程度上降低了能耗。

結(jié)合了現(xiàn)代技術(shù)與歷史傳統(tǒng)的鄭州大學(xué)（南區(qū)）地鐵站出入口，很好地融入到了周圍華燈璀璨的環(huán)境之中卻又不失底蘊，承載了鄭州城的古都風(fēng)韻。

4.4 小結(jié)

表格簡單總結(jié)了ETFE膜材料在三個的建筑案例中發(fā)揮的不同作用?？偟膩碚f，ETFE膜擁有著其他建筑材料無可比擬的優(yōu)良性能，在多項不同類型的建筑中的完美應(yīng)用，證明了它不僅可以給予建筑具體的功能上的幫助，還可以為建筑師提供表達(dá)自己獨特設(shè)計理念的手段。

5、ETFE膜材料面臨的問題

5.1 生產(chǎn)技術(shù)

由于國內(nèi)化學(xué)加工工業(yè)起步較歐美國家晚，生產(chǎn)ETFE的工藝和設(shè)施是不完備的?？紤]到市場占有率與成本帶來的風(fēng)險，國內(nèi)很少有企業(yè)去實現(xiàn)對ETFE的產(chǎn)業(yè)化。

另一方面，盡管ETFE膜本身是一種綠色的環(huán)保材料，其原料四氟乙烯等物質(zhì)是具有一定毒性的。國內(nèi)技術(shù)手段的不完善使得生產(chǎn)過程無法完全處理好生成的有毒有害物質(zhì)，會對環(huán)境造成一定的污染。

目前國內(nèi)ETFE材料主要依靠向杜邦公司、旭硝子公司、3M公司、蘇威公司和大金公司等外國公司進(jìn)口，這也讓ETFE膜在國內(nèi)一直屬于一種較為昂貴的建筑材料。

5.2 安裝、使用時的限制性因素

ETFE膜對于生產(chǎn)、安裝時的工藝精度要求非常高，鋼結(jié)構(gòu)微小誤差，有時便會導(dǎo)致ETFE膜受力不均而發(fā)生破裂。國家體育中心（鳥巢）在原本的計劃中使用中心對稱的結(jié)構(gòu)，一半的單元格完全相同，而實際施工時發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)安裝的誤差已經(jīng)超出了原本尺寸的ETFE膜的承受范圍，不得不進(jìn)行了兩次重新測量。

盡管ETFE膜自身具有良好的自潔性，但是由于膜與膜之間需要使用鋼材等進(jìn)行連接與支持，連接處很容易有雨水聚集，給ETFE膜帶來受潮、污垢堆積的問題。雖然通過對連接結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)可以減緩甚至避免這一情況的出現(xiàn)，但是這或多或少會限制ETFE膜的使用。

5.3與傳統(tǒng)采光材料的比較

此處選取了ETFE膜相比傳統(tǒng)采光材料的不足之處作為比較的指標(biāo)，這些弊端使得ETFE膜無法廣泛地替代傳統(tǒng)玻璃在建筑中的應(yīng)用，也限制了ETFE膜的推廣應(yīng)用。

結(jié)語：

ETFE膜性能優(yōu)異，在多項建筑任務(wù)中都證明了自身價值。ETFE膜在國外建筑的使用歷史不過短短十幾年，仍然存在許多不足之處。

進(jìn)入新世紀(jì)的我國更加講求高效，因此對于ETFE膜的深入研究是必須的。只有在完全掌握生產(chǎn)技術(shù)的條件下，針對ETFE膜的不足之處不斷進(jìn)行改進(jìn)，才能使其不斷地發(fā)展，更好地在國內(nèi)大大小小的建筑之中發(fā)揮其作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳明兒，賞瑩瑩，李殷堂.ETFE薄膜材料參數(shù)設(shè)計值研究，建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報[J].2014（5）：116.

[2]王海明.ETFE膜結(jié)構(gòu)主要形式及ETFE工程難點，世界建筑[J].2009（10）：108-109.

[3]高長征，李麗.地鐵鄭州大學(xué)（南區(qū)）站出入口設(shè)計探索，河南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）[J].2014（1）：7-8.

[4]林琦，曹立翔，周威.水立方薄膜（ETFE膜）導(dǎo)熱系數(shù)的測定，實驗科學(xué)與技術(shù)[J].2011（10）：64.

[5]李雱.現(xiàn)代科技營造的熱帶雨林奇觀——蘇黎世動物園的馬蘇阿拉熱帶雨林館，中國園林[J].2011（11）：43.

[6]白木.氟塑料的應(yīng)用， 有機(jī)氟工業(yè)[J].2004（2）：53-56.

圖片來源：

[1]高長征，李麗，地鐵鄭州大學(xué)（南區(qū)）站出入口設(shè)計探索， 河南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）[J].2014（1）：7-8

[2]李雱，現(xiàn)代科技營造的熱帶雨林奇觀——蘇黎世動物園的馬蘇阿拉熱帶雨林館，中國園林[J].2011（11）：43

[3]Home - Allianz Arena （EN）

作者簡介：

王爾勵，男，漢族，2000年1月18日出生，籍貫：浙江嘉興，就讀學(xué)校：嘉興市第一中學(xué)。