ETFE膜結構應用綜述

摘要：ETFE（ethylene-tetra-fluoro-ethylene）是乙烯一四氟乙烯共聚物既具有類似聚四氟乙烯的優良性能又具有類似聚乙烯的易加工性能。還有耐溶劑和耐輻射的性能。于上世紀七十年代初在美國開始研究1974年、1976年分別在美國日本投產。目前僅德國、美國。日本等國少數幾個公司可生產ETFE膜材，而具有ETFE膜材加工制作、安裝能力的公司更少。ETFE膜材具有良好的工程技術特性，例如撕拉極強、抗張強度高、中等硬度、出色的抗沖擊能力、伸縮壽命長、.裝飾性好，色彩鮮艷、光澤動人‘自潔性好等一系列特點使其成為一種新型的建筑材料，本文通過介紹ETFE膜材料特點、性能以及在建筑中的應用等，使讀者更好的了解這種材料的特點和發展前景。

關鍵詞：ETFE； 易加工；抗張強度高；自潔性好；發展前景

1、ETFE膜材料特點

ETFE的英文為：ethylene-tetra-fluoro-ethylene，中文全稱為：乙烯-四氟乙烯共聚物，俗稱：F-40。是一種堅韌的材料，各種機械性能達到較好的平衡——抗撕拉極強、抗張強度高、中等硬度、出色的抗沖擊能力、伸縮壽命長。因此其具有了成為優秀的建筑材料的主要的技術性質。此外ETFE的使用溫度范圍較實用較廣，恒定溫度通常設定為-65°C 到 +150°C之間，在超低溫時仍堅硬非凡，其脆化溫度低至-100°C。另外，ETFE還通過了幾項嚴格的抗燃測試，如IEEE 383，并獲得UL 94 V-0等級。對大多數化學物質的物理屬性影響小，對普通氣體和水氣的滲透性低。因此，其作為建筑材料，能夠具有更好的安全性和耐久性。ETFE的表面張力低，有良好的自潔性能，由于ETFE膜這種材料的摩擦數很小，塵土不容易粘在上面。即使粘上的塵土，只要下點小雨立刻就能將膜沖洗得干干凈凈.即使工擦洗，擦干凈ETFE膜也要比自家擦玻璃、擦桌子省力得多。透光率高，.裝飾性好，色彩鮮艷、光澤動人，根據位置和表面印刷的情況，ETFE膜的透光率可高達95%。該材料不阻擋紫外線等光的透射，以保證建筑內部自然光線.通過表面印刷，該材料的半透明度可進一步降低到50%。

2、ETFE膜在建筑中的應用形式

在建筑中，一般是大跨度建筑中主要使用的兩種形式，單層張拉式和雙層或多層氣墊式。

2.1單層張拉式

ETFE膜材可以像PVC膜材或PTFE膜材一樣，以單層張拉方式應用于膜結構中。盡管ETFE材料本身的拉伸強度并不低，但由于做成的膜材很薄（厚度小于織物類膜材的1/5 ） ，因而ETFE以單層張拉方式應用于膜結構時，結構的跨度要比采用織物類膜材的結構小。

2.2雙層或多層氣墊式

ETFE膜材常被做成雙層或多層氣墊式而應用于膜結構中，即將ETFE膜材按設計的形狀和層數裁剪、拼接在一起，向層間充氣使之成為氣墊。氣墊的形狀可以是圓形、橢圓形、三角形、矩形、六邊形或其他任意的形狀。通過鋁合金構架或索網將多個氣墊連接在一起，可組成大覆蓋空間。

3、ETFE膜的加工性能

ETFE膜的性質決定了其具有極佳的加工性能，這也是建筑施工適應性所要求的。

3.1焊接

膜材能用專用熱合機熱合。ETFE膜材可通過熱熔焊接在一起。高頻焊接或超聲焊接并不適用于ETFE膜材。焊縫寬度通常為8mm，遠低于織物類膜材的焊縫寬度。合適的加熱溫度、壓力和加熱時間以及恰當的冷卻程序，是焊接質量的重要保障。盡管ETFE膜材具有良好的柔韌性，但折疊會在膜面留下折痕，影響外觀。加工成型后的ETFE膜材，需要放在特制的保護容器內保存和運輸。

3.2縫制

由于有很好的抗撕裂性能，厚度一般0. 15 mm，中間各層不受力，可以小于等于0.05mm。ETFE膜材單片最大可達25m x 3.5m，而玻璃最大只能是4m x 2m。ETFE膜材熱合時留有1. 5～2. 3 mm寬的空隙，并加工成大于30°的V形坡口，合部位附近需要打磨，再用一條無邊帶熱合在一起。

中心簡的抗扭作用可以模擬為一個封閉的空心軸。這個軸由三個翼上的6道縱墻扶壁而大大加強；而走廊縱墻又被分戶橫墻加強。整個建筑就像一根剛度極大的豎向粱，抵抗風和地震產生的剪力和彎矩。由于加強層的協調，端部柱子也參加抗側力工作。

4、ETFE膜的應用實例

4.1德國慕尼黑安聯體育場

慕尼黑安聯球場（Allianz Arena）以它精巧的結構壯麗的外觀，成為慕尼黑以至于德國的榮耀。安聯體育場被選作2006年德國世界杯開幕式賽場。這座可以容納66000人的球場在2005年5月30日和31日正式啟幕，由慕尼黑1860隊和德國最成功的俱樂部拜仁慕尼黑隊聯合出資建造。是德國足球的圣地。

場棚四周圍護墻與座位上空的頂棚均采用ETFE氣枕式膜結構，鋼筋混凝土看臺與膜結構支撐鋼架彼此獨立。雖然通常情況下ETFE氣枕式膜結構無需二級支撐結構，但由于安聯球場規模龐大，因此需要單獨的鋼支架支撐氣枕。支撐鋼架呈雙向彎曲，與結構主體采用鉸接短柱和可扭轉彈簧銜接，從而可以在一定程度上調節結構產生的變形。由氣枕組成的圍護表皮看起來是連續的，其實圍護墻和頂棚分別采用了不同的支撐結構，兩者交接部位隱藏著排水溝。

當然，排水溝通過靠近頂棚的一側設置的充氣檔檐板掩蓋起來。場館其外形曲率變化，圍護表皮上共計2784個看似相同的菱形氣枕實際上可劃分成1392個不同的規格。氣枕的大小規格從2m x 7m到5m x 17m不等，菱形邊長在4一8m之間。整個場館從基礎到頂棚彼此獨立，共分為8個部分。由于場館體量龐大，為了保持氣枕表皮在熱脹冷縮后不產生褶皺，項目在氣枕間的水平構架上安裝了多功能鉸接點以吸收氣枕熱膨脹產生的張力。

安聯球場的氣枕表皮同樣存在一系列技術問題，如氣枕邊沿部分設計不合理造成氣枕間彼此擠壓，對大面積緩坡頂棚處理雪荷載困難等。為了應對暴雪荷載，頂棚氣枕內的壓力由常態下的300Pa可增至800Pa。此外，為了適應荷載變化導致的結構變形，可移動的金屬排水管被分置在1900個氣枕間。金屬排水管氣枕內層膜面上的“O”形環固定。

4.2北京奧運會體育場館水立方

國家游泳中心（水立方）是2008年北京奧運會的標志性建筑物之一，在北京奧運會期間，承擔游泳、跳水、花樣游泳、水球等一系列比賽。奧運會賽后將成為一個多功能的大型水上運動中心，既可舉辦大型國際賽事，又能為公眾提供水上娛樂、運動、休閑、健身等服務。工程占地62 828 ㎡，建筑面積79 532㎡，建筑物檐口高度31m，基底而積177 m x177 m，標準坐席17 000個，其中臨時坐席約11000個（賽后將拆除）。主體結構設計使用年限100年。

國家游泳中心建筑圍護結構采用ETFE充氣枕從而模擬水的形態，表面覆蓋面積達到10萬㎡，是國內首個ETFE膜結構建筑，也是目前世界上最大的ETFE應用建筑工程，同時也成為單個氣枕最大、擁有內外兩層氣枕結構的獨一無二的建筑物。ET'FE氣枕不僅在視覺效果上充分滿足了建筑美學對泡沫狀態下的水分子結構的表達，同時也最大限度地配合了主體鋼結構飽沫結構系統的設計。

5、應用前景

經過多年的實踐，人們發現ETFE膜在建筑中的應用有非常廣闊的前景，在能源問題日益嚴重的今天，ETFE氣枕式膜結構憑借其自重輕、跨度大、自調節等結構特點，為我們營造可持續化發展的新型建筑環境提供了有利手段。ETFE材料憑借其良好的抗火性能、光學性能、隔音性能和吸音性能、隔熱性能、耐久性能、力學性能，很好的滿足了建造綠色建筑的需求和輕型建筑最優化原則。因此，在一些機場、體育場館等大跨度建筑中使用ETFE材料會成為一種趨勢。（作者單位：1.大連理工大學建設工程學部2011級；2.大連理工大學機械工程與材料能源學部2012級）

參考文獻：

[1]高新京，吳明超.膜結構工程技術與應用.機械工業出版社

[2]柏千尺. ETFE膜材在綠色建筑中的應用前景[J]. 四川建材，2013年第6期.

[3]李君，向陽ETFE膜材在建筑中的應用[J]建筑創作，2004（1）

[4]ETFE：Technology and Design，Annette LeCuyer，2010，中國建筑工業出版社.

[5]馮敬. ETFE膜在建筑中的應用 [J]. 湖南理工學院學報（自然科學版），2008年5月，第21卷第2期.