什么是ETFE膜

发布时间：2024-09-03

一直以来，建筑师大多视塑料高分子材料为次要的建筑材料，相较于玻璃、金属等材料，塑料聚合物一直被建筑界当作劣质建筑材料看待。可以做高性能的厨房面材，却不能实际应用于建筑整体。

但随着技术进步带来的材料性能的提升，改变了这一魔咒。其中一种被广泛应用的含氟高分子材料就是ETFE膜“，建筑师意识到了膜材料所表达的新的美学效果，并可以替代其他更昂贵的透明和半透明材料。

01.材料概述

INTRODUCTION

The shed ETFE膜结构立面 © Iwan Baan

氟塑膜(ETFE)是一种新兴的建筑材料，由乙烯和四氟乙烯“共聚而成，是一种轻质、耐热的薄膜，俗称“软玻璃”，也是目前为止最强韧的氟塑料。ETFE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。

上世纪九十年代，建筑师尼古拉斯·格林肖创新性地将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，伴随其2008年在奥运工程水立方(国家游泳馆)上的运用，在国内引起了广泛的关注，建筑上的用途也日益增多起来。

02.材料性能与特征

MATERIAL PERFORMANCE

The shed ETFE膜结构立面 © Iwan Baan

·轻质高强

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%。然而ETFE薄膜韧性好，延展性大于400%，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。

·高透光率

ETFE膜可见光透过率高达95%，紫外线透过率高达94%。且衰减很慢，经使用10~15年，仍可保持在90%以上。

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。

The shed ETFE膜结构立面 © Iwan Baan

·适应性好

ETFE膜几乎可以加工成任何尺寸和形状，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。

·耐候性强ETFE膜对酸碱、化学物质和大多数溶剂具有出色的耐腐蚀性，能够在恶劣环境下保持材料完整性，使用寿命可以长达25~30年。

·抗静电，尘染轻

ETFE膜具有优异的自清洁功能，灰坐不易吸附在其表面。

03.材料分类

MATERIAL CLASSIFICATION

充气膜结构立面细部©Iwan Baan性质:永久

建筑外围护结构中的膜结构，根据膜结构的成形方式和受力特点一般可以分为:充气膜结构张拉膜结构、骨架膜结构。

·充气膜结构

充气膜结构是在ETFE膜材料技术基础上产生的，是将两层或多层膜通过热熔焊接复合到一起，形成封闭的气枕，其周边夹持在铝合金或其他材料制成的边框内，边框固定于建筑的主体结构上。在气枕内，通过预留的阀口，充入经过过滤及除湿处理的清洁干燥的空气，就制成充气式膜结构系统。这种充气形式，应用于建筑的外围护结构较为普遍。

ETFE充气膜结构是靠膜材自身的强度和气枕的内压，来共同承担外部荷载的。为了提高ETFE充气膜的保温效果，膜的层数可由二层提高到三、四层。考虑建筑的使用功能，应合理控制膜材的透光率，可采用带颜色或印刷镀点和图案的措施。充气控制系统亦可智能化控制。

张拉膜結构立面细部© Richard Bryant

建筑中使用的膜结构，主要为张拉式索膜结构系统，张拉膜结构以膜材、钢索及支柱构成，利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安定的形式。

张拉膜是依靠膜材自身的张拉力和特殊的几何形状而构成的稳定的承力体系。膜只能承受拉力而不能受压和弯曲，其曲面稳定性是依靠互反向的曲率来维持，因此需制作成凹凸的空间曲面，故习惯上又称空间膜结构。

张拉膜结构通常是沿着膜的边缘布设钢索，在钢索上施加拉力，钢索带动膜张紧、成型，并产生足够的预应力，因而称其是张拉式索膜结构。如果膜的面积过大，膜自身无法承受预期的荷载则可在膜的中间增设加强钢索，以提高其抗风载能力。

张拉式索膜结构可以根据需要制成任意复杂曲面形状，体现自然流畅之美:并有多种颜色的膜材可选，以适应周边的环境、满足建筑效果要求;而且膜结构质量轻，一般不需要太庞大的支撑结构，这是其他建筑材料无法比拟的优势所在.

·骨架膜结构

骨架式膜结构立面细部©行知影像-李逸

骨架式膜结构是钢或其他材料构成的刚性骨架，具有自然稳定性、完整性，膜张拉并置于骨架上构成骨架式膜结构，形态有平面形、单曲面形和以鞍形为代表的双曲线形。

骨架式膜结构的显著特点在于:膜不是维持结构体系存在的必要结构单元，，但膜又不仅仅是单纯地用来覆盖屋面体系，而是充分发挥了其建筑采光功能、高强度受力特性。

虽然预张力对骨架式膜结构形态的影响不及张拉膜，但必须引入足够大的张力，才能保证结构受力特性，避免在风荷载作用下膜面发生较大震动，导致松弛使膜面凹陷。骨架一般暴露于膜内侧，且膜的透光性更加突显骨架的室内视觉效果，因此，骨架的布置、形式、材料、节点等是设计考虑的重点，应力求简洁、美观。

04.施工安装要求

INSTALLATION REQUIREMENTS

·保温防水

ETFE屋面装配系统的次龙骨，采用“天沟+防水保温层"形式。ETFE膜夹具勾挂在钢天沟边沿，钢天沟作为主要受力构件，自攻自钻钉起到固定作用，使该部位的受力更加合理。连接处采用特定复合胶条，使雨水不能渗漏到室内。

同时，自攻自钻钉尖部暴露于室外，即使自攻自钻钉孔处漏水，水滴最终仍会流到室外。天沟内采用优质防水及保温材料使屋面更好地发挥其防水功能。

·节点防水

ETFE张拉膜一般不采用在其周边设置钢索并通过钢索使膜张紧的形式，而是把单层ETFE膜切割制成所需的形状，并在其周边设置边绳，再用专用的铝合金夹具夹持住。通过在周边的夹具上施加拉力，使膜材充分张紧，并靠膜材内部的预应力来抵御外部荷载。

05.建筑应用案例

ARCHITECTURAL CASE

英国康沃尔郡伊甸园 © Hufton+Crow

格里姆肖事务所为英格兰西南部德文郡设计的植物伊甸园项目可以说是他最具代表性的作品之一。这个曾经被废弃的采石场如今拥有精心设计的景观，与造型超前的、用来收藏与展示珍贵植物和标本的温室。这个项目是对巴克敏斯特·福乐测地圆顶概念最成功的现代诠释。

伊甸园的弯顶由轻型材料制成，天窗中间铺设半透明的ETFE薄膜材料。在一定的光照条件下，这些大温室时而看起来像一些巨大的、闪闪发亮的肥皂泡，时而又像是昆虫的复眼，乍一看又以为是一堆巨型的青蛙卵或者巨大的昆虫幼虫。弯顶状建筑内仿造地球上各种不同的生态环境，展示了不同的生物群，容纳了成千上万的奇花异草。

国家游泳中心场馆-水立方©  Zhang Liang

北京国家游泳中心场馆外观如同一个冰晶状的立方体，造型简洁现代。水立方的内外立面膜结构共由3065个气枕组成，其中最小的1-2平方米，最大的达到70平方米，覆盖面积达到10万平方米，展开面积达到26万平方米。

这些气枕为具有高度可持续性的建筑以半透明的ETFE外膜，其重量仅为同尺寸玻璃的百分之一，如同一座隔热的温室，大约20%的太阳能被用来提高泳池和室内的温度。这些半透明、可循环利用的覆膜使水立方白天光线充足，加上内部适当的人造光源，给人以视觉上的享受。

广州无限极广场 © Felix Amiss /Liang Xue

扎哈·哈迪德设计的广州无限极广场集成了一个基于建筑智能管理系统运行,由光伏系统供能的洒水器网络，可以将收集到的雨水的雾化颗粒喷射到每个中庭上方的ETFE膜屋顶，然后通过蒸发来实现散热和降温。

每个半透明的双层ETFE膜屋顶都包含一个60cm的压缩空气。当ETFE膜的外表面温度经过太阳福射升至35℃时，洒水器网络将被激活，每半小时进行3-4分钟的喷洒，可将膜的表面温度隆至14℃，从而有效地使室内温度下降5℃。这也将降低屋顶太阳能热水系统对能源的需求。

随州南站©施峥/前、丁烁/后

在随州南站的设计中，建筑师通过对银杏叶片的抽象与重构，得到了构成空间的基本“叶片单元”。富有韵律的自然曲线，轻盈灵动的建筑形体，使得建筑内外空间浑然一体。叶片状单元体集建筑、结构、采光于一体，光线透过薄膜将内部构造徐徐展现，犹如树叶纹理，隐喻自然，体现结构之美。

这种空间效果的形成，关键在于覆盖在单元体外侧的ETFE膜材的性能。为保证“叶片”最终形成饱满、光滑的曲面形态，项目团队需要对索网系统和膜材的张拉有着极其精准的控制，完成“叶片'备部分组件的设计与安装。

安纳海姆地区交通联运中心 © John Linden

安纳海姆地区交通联运中心灵活的车站设计和总体规划扩大了交通的定义，将其纳入一个更大的愿景，即更多的城市和混合用途的未来，这个车站不仅仅是一个车站。灵感来自于纽约市最初的宾夕法尼亚车站等标志性的交通设施，通过作为城市的一个新的焦点，改变了公众对交通的概念。通过引人注目的设计语言，设计团队为南加州的一个关键地区的文化和经济转型搭建了舞台。

交通中心采用了高科技的ETFE系统，以达到最大的采光和环境控制。设计的每个方面都仔细考虑了其能源和环境性能。该建筑的ETFE主外壳与南北墓墙的可操作百叶窗相结合，与加热和冷却的地板辐射技术相配合，提供了一个舒适、自然采光的室内环境。通过建筑师、工程师和利益相关者之间密切和持续的合作，以及在所有阶段成功使用BIM，该团队能够将项目的能源消耗减少50%。

安纳海姆地区交通联运中心© John Linden