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'优秀论文展 | 浅析膜结构工程中膜材选型'
日期：2023-12-07 浏览量：156次

作者：王小利
部门：工程咨询一区


摘要

膜结构是一种新型建筑结构类型，其曲面可以随设计需要任意变化，具有很高的技术含量和艺术感染力，结合整体环境，非常容易塑造成为地标性建筑。其关键材料膜材，近年来技术已发展较为成熟，膜材因种类不同造价差异较大，针对不同功能需求采用不同的膜材，对造价成本控制、建设感观效果以及实际使用功能等至关重要。本文通过浅析常用膜材的优缺点及成本造价，为相关从业人员提供一些膜材选型时的经验及建议。


关键词

PTFE膜、ETFE膜、主要参数、成本分析、选型建议



正文

引言
膜材已被公认为是继砖、石、混凝土、钢材和木材之后的“第六种建筑材料”，是目前建筑市场中最常用的主流材料之一。它质地柔韧，可实现众多复杂造型，彻底突破传统建筑材料在造型、跨度等方面的局限性。但是，不同膜材因其材质、施工工艺、所实现的功能性需求不同等，造价差异较大。
1.目前市场上常见膜材类别
目前市场上膜材主要分为三大类，G类、E类及P类。其结构构成如图1所示。

图1  膜材结构示意图

具体分类有：
1.1 PTFE网格膜：是在极细的玻璃纤维编织的基布上涂上PTFE（聚四氟乙烯，俗称特氟龙）树脂而形成的复合材料，具有稳定的形状，并可承受一定荷载的建筑膜残留。属于G类膜材。其构造形式如图2。

图2  PTFE网格膜材质构成图

1.2 PTFE网格防水覆膜：是在PTFE网格膜基础上加一层PTFE防水膜，达到防水的作用。即：一层PTFE网格膜+玻纤网格+一层PTFE网格防水膜。属于G类膜材。
1.3 ETFE膜：由ETFE（乙烯—四氟乙烯共聚物）生料直接制成。可有效的利用自然光、节约能源；良好的声学性能，被誉为“软玻璃”。属于E类膜材。
1.4 双层ETFE充气膜：在两层ETFE中间充空气。呈现效果很好。属于E类膜材。如图3：水立方双层ETFE充气膜现场图。

图3  水立方双层ETFE充气膜现场图

1.5 PVC膜：由聚氯乙烯（PVC）涂层和聚酯纤维基层复合而成。属于P类膜材。
1.6 PVDF膜：在纯PVC膜材表面涂覆聚偏氟乙烯或聚氟乙烯。性能优于纯PVC膜材，其具有一定的自洁、防腐防霉等特性。属于P类膜材。
2.膜材主要参数分析
2.1 膜材光学性能：透光性是现代膜结构最被广泛认可的特性之一。膜材的透光性可以为建筑提供所需的照度，是建筑节能十分重要的手段。白天，日光透过膜材后形成漫反射光，光线充足，柔和不刺眼；晚上，透光性结合投射灯等将膜结构变成了光的雕塑。透光率让膜材既有舒适的光学性能，也有美轮美奂的美学性能。
2.1.1 G类膜材受界面活性剂和胶结剂的影响，出厂时呈现浅褐色，室外放置1到3个月后，在紫外线或日光的作用下，颜色会越晒越白，晒白后的膜材透光率可以达到20%—30%。光学性能舒适度较好，但基本很难再实现比此更高的透光率了。
2.1.2 E类膜材作为一种无织物基材的透明膜材料，本身是透明的，与玻璃的透光光谱基本相同，紫外透过率和可见光透过率>95%。可以通过在表面上打印遮光膜、改变膜厚度、直接喷绘图案等来调节和控制光和紫外线透射率。透光率可以控制在50%-96%之间，随投光灯颜色呈现出美轮美奂的光学效果。如“水立方”是国内首次采用双层ETFE膜结构的建筑物，也是国际上面积最大、功能要求最复杂的膜结构系统，其呈现效果令人惊叹。

图4  水立方双层ETFE膜材透光效果实景图

2.1.3 P类膜材：PVC膜材透光率在 8%-16% 之间。PVDF膜的透光性能更好，在25%～30%之间，其能够提供良好的自然光照条件，白天可以利用自然光节省照明费用。
2.2 膜材力学性能：
2.2.1 G类膜材：自重轻强度高，以国内某一线品牌H302系列PTFE膜材为例：膜材厚度0.6mm，膜材质量1150g/m2，经向抗拉强度6000N/5cm，纬向抗拉强度5500N/5cm，与宽度5cm厚0.56mm的Q235B钢板的强度相当，但重量只有相同钢板厚度的1/5；较强的耐候性，它是稳定的有机物，几乎不与任何物质发生化学反应，能在各种不利的气候条件下使用；良好的保温性，热反射性能良好，能够反射70%—75%的阳光，起到保温隔热的作用；优异的防火性：它的玻璃纤维基布是一种无机物，不能燃烧，具备优异的防火性能；PTFE网格防水覆膜还具备较好的防水性能。因此G类膜材是一种新型的、高性能的永久性建筑材料，使用寿命可达20年以上。
2.2.2 E类膜材：自重轻强度高，只有同等大小的玻璃质量的1%，韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂，延展性大于400%；耐候性和耐化学腐蚀性强，熔融温度高达200℃，并且不会自燃，防火性能良好。双层ETFE膜材作为一种充气后使用的材料，它可以通过控制充气量的大小，对遮光度和透光性进行调节，有效地利用自然光，节省能源，同时起到保温隔热作用。因此E类膜材同样是一种新型的、高性能的同时节能效果良好的永久性建筑材料，使用寿命可达20年以上。
2.2.3 P类膜材：以P类膜材中性能较好的pvdf膜为例，它自重极轻，每平米自重3KG以下，屋面重量仅为常规钢屋面的三十分之一，PVDF膜具有高强度和良好的抗拉性能和抗撕裂性能，能够承受一定的风压和荷载。也具备一定的耐热性、耐久性、和防火性。被称为半永久材料，使用寿命可达7-15年。

2.3 膜材自洁性能：

2.3.1 G类膜材具体良好的自洁性能：它是不粘锅涂层的主要成分，号称百物不沾。其表面粘附力比较低，非常光滑，且摩擦系数小于或等于0.1，相当于已知摩擦系数最小的固体物质。
2.2.2 E类膜材：ETFE膜材表面非常光滑，具有很强的自洁性能，灰尘不易附着在其表面，污迹会随雨水冲刷除去。清洁周期一般4—5年进行一次，降低了日常维护成本。
2.2.3 P类膜材：以P类膜材中性能较好的pvdf膜为例，PVDF膜材外表涂层不具有粘性，只要下大雨就可以冲刷表面的灰尘，也具有较强的自我清洁能力。
3.膜材成本分析

影响膜材价格的因素很多，基布厚度、膜厚度、膜材质量、透光性、抗拉强度、抗撕裂强度，面积和形状、设计复杂程度、施工难度、后期维护与保养、品牌档次、生产地等。

3.1 G类膜材中最常用的PTFE网格膜，技术已较为成熟，但因其力学性能要求较高，设计较为复杂，生产成本高耐久性能好，每平方米全包价格一般在600元-1000元左右。PTFE网格防水覆膜，因增加了一层PTFE防水膜，生产难度更大，现全世界仅有几家生产，其研发设计费用高技术难度大，每平方米全包价格一般在1400元-2000元左右。
3.2 E类膜材中的单层ETFE膜，技术已较为成熟，良好的力学性能、耐久性及光学效果，每平方米全包价格一般在700元-1000元左右。双层ETFE充气膜，中间需气压泵充空气，要配套自动充气设备，后期维护成本很高，价格较单层ETFE膜贵一倍以上，每平方米全包价格一般在1500元-2000元左右。
3.3 P类膜材生产工艺快捷、便宜，力学性能及耐久性能要求不高，一般用于形状较为简单的车棚等。PVC膜每平方米全包价格一般在100元-150元左右，PVDF膜每平方米全包价格一般在200元-300元左右。
在实际选定某种型材后，需要考虑设计、施工和后期维护、更换等多个成本因素。通过比选报价、合理规划设计、选择耐久性强质量过硬自清洁性能好的膜材等，可有效地降低膜结构的总体成本。
4.膜材选型建议
4.1 G类膜材中最常用的PTFE网格膜，由于其特殊的性能和灵活的外观，被广泛应用于各种大型的重要的建筑。其主要适合的建筑类型有：体育场馆：PTFE膜常用于体育场馆的篷布屋顶，可以覆盖大跨度的空间，为观众提供舒适的观赛环境，并提供遮阳和一定的防雨功能；会展中心：PTFE膜结构可以为会展中心提供独特的外观，增加其视觉吸引力，同时可以为展示区域提供明亮的自然光照；公共建筑：PTFE膜结构可以用于公共建筑，例如车站、机场、文化中心等，为这些建筑提供特殊的外观和舒适的室内环境；体育设施：除了体育场馆外，PTFE膜结构也常用于室外运动场地的篷布屋顶，例如网球场、游泳池、篮球场等；商业建筑：PTFE膜结构可以用于商业建筑，如购物中心、餐厅、咖啡馆等，为这些场所提供独特的外观和舒适的室内环境；建筑景观：PTFE膜结构还可以用于城市建筑景观，如遮阳雨棚、广场篷布结构等，为市民提供休憩和活动场所。G类膜材中的PTFE网格防水覆膜，现国内国际上技术都尚未成熟，其抗拉强度抗撕裂强度有一定局限性，不适合风雪较大的区域，适用性较差，其主要攻克的防水技术效果不好，价格昂贵，后期维护更换困难，已渐渐被停止研发生产。
4.2 E类膜材：G类膜材适用的范围E类膜材也基本适合。但E类膜比G类膜具有更高透光度和更好的抗化学能力，能抵抗多数的酸和碱；E类膜抗自然老化能力强，拥有较好的加工性及机械性；但由于E类膜是直接由塑料成膜，没有基材，所以其抗拉强度、抗撕裂强度不如G类膜；E类膜一次性投资大，对锐利的物体抵抗能力较差，使用过程中维护费用较高。因此在选择时，应根据具体项目要求多方面衡量对比。如对建筑的美学性能要求很高，需要通过美轮美奂的光学形式及柔性的建筑设计体现独特的建筑特点，成为政治、商务中心或地标性建筑，建议选择E类膜材中的双层ETFE充气膜，更容易通过高透光率或表面印刷图案等体现独特的建筑效果，也具有更好的保温节能性能。
4.3 P类膜材灵活性好、自重轻、价格低，适用于耐久性要求低的各种建筑，如文化广场、景观、遮阳棚、自行车棚、仓储等较为简单的建筑。
综上，膜材主要参数对比及选型建议详表1：


结语

每种膜材都有各自不可替代的优点，同时又有一时难以克服的不足。这就需要业主和设计师根据具体项目的特点，从项目功能定位、技术参数、使用年限、成本把控及呈现效果等做出适当的选择。充分利用选定膜材的优点、同时通过其它手段弥补其不足，做到物尽其用。


参考文献

[1]李阳.建筑膜材料和膜结构的力学性能研究与应用[D].上海:同济大学，2017

[2]肖宁.ETFE薄膜材料在城市有轨电车车站设计中的应用[J].《建材与装饰》，2016（44）



END

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