“水立方”的ETFE充氣膜結構技術概述

侯亦南

（中國建筑上海設計研究院有限公司，上海200062）

1 引言

作為2008 年北京奧運會的標志性場館之一，國家游泳中心“水立方”之所以成名，在很大程度上要歸功于外立面所使用的ETFE 膜材料。在“水立方”整個建筑的鋼結構的內外表面均覆蓋著ETFE 薄膜，無論從室內還是室外看，均被藍色的“泡泡”圍裹著，仿佛在水下世界，凸顯了建筑的主題。

2 ETFE薄膜材料性能

ETFE（Ethylene Tetra Fluoro Ethylene）的中文名稱為乙烯-四氟乙烯共聚物，是一種無色透明的顆粒狀結晶體。ETFE膜由生料擠壓成型，是一種典型的非織物類膜材，最初由美國航天局為太空計劃研制開發，是目前國際上最先進的薄膜材料。ETFE 膜具有很多其他材料無法比擬的性能：（1）ETFE 膜的厚度通常在0.05～0.25mm，質量約為350g/m2，只有同等大小玻璃質量的1%；（2）韌性好，拉伸強度高，不易被撕裂，延展性大于350%；（3）工作溫度范圍為150～200℃，熔點溫度為275℃，抗紫外線和化學物質侵蝕能力強，具有極好的穩定性和氣候適應性，使用年限為30 年；（4）表面非常光滑，自潔性好；（5）ETFE 為阻燃材料，在火焰中，ETFE 膜材熱熔后會收縮，但無滴落物；（6）ETFE 膜材通常為透明性材料，0.20mm 厚的ETFE膜材的透光率高達95%。還可以在ETFE 膜材印制不同的顏色和圖案，調節進入建筑內的光線。

3 ETFE充氣膜結構

ETFE 充氣膜結構從其產生和不斷發展，已有近30 年。作為一種適用于大跨度空間結構并具有諸多優越性能的全新結構，越來越受到建筑師的青睞。在歐美以及中東等地區，已經有很多ETFE 充氣膜結構建筑建成的實例，比如，知名的有英國建筑師Nicholas Grimshaw & Partners 設計的英國伊甸園；瑞士建筑大師赫爾佐格與德梅隆設計的德國安聯球場和英國的Hampshire 網球場與健身俱樂部等。“水立方”建成后，成為世界上規模最大的ETFE 充氣膜結構建筑。

4 ETFE充氣膜結構體系基本構成原理

ETFE 充氣膜結構系統一般主要由以下幾部分組成：（1）ETFE 充氣膜單元——氣枕；（2）氣枕夾具；（3）供氣系統及其控制系統；（4）中間層。

氣枕，就是將2 層或更多層的ETFE 膜材通過熱熔焊接復合到一起，形成封閉的袋子，其周邊用氣枕夾具夾持住，再將夾具固定在建筑主體結構上，從而將氣枕和建筑融為一體。在氣枕內，通過預留的閥口充入經過過濾及除濕處理的清潔干燥的空氣，形成具有良好保溫性能圍護結構。ETFE 膜材一般以卷材形式供應，幅寬最大2.35m，但一般氣枕的規格要遠大于卷材的幅寬。所以，一般形成氣枕的膜片都是將卷材熱熔焊接拼接而成的[1]。

制作氣枕系統的流程為：（1）把多層拼接好的ETFE 膜片，先焊接邊緣，再與ETFE 條帶焊接固定，穿入尼龍繩，形成氣枕；（2）氣枕通過氣枕夾具固定在主體結構上，這是構成充氣膜結構體系的密封和防水系統的重要組成部分；（3）在氣枕朝向室內一側的膜片上，按指定位置開出一個孔洞，將充氣閥焊接在孔洞上，并通過充氣管與充氣泵相連；（4）將氣枕逐一安裝到屋面和墻面上，在氣枕內部充入清潔與干燥的空氣，最終形成ETFE 充氣膜結構維護體系。

5 ETFE充氣膜結構與“水立方”

ETFE 充氣膜對于“水立方”的功能，僅用“美麗的外觀”來描述是遠遠不夠的。在為建筑塑造完美內外觀形態，給人以美的享受的同時，這層外衣也為整個建筑的物理性能和使用功能做出了突出的貢獻。

5.1 建筑的熱工性能

“水立方”的屋蓋和墻體的內外表面均由ETFE 氣枕覆蓋，ETFE 氣枕內充滿的空氣可以起到很好的保溫隔熱作用。經過試驗檢測和計算機計算，在靜態條件下，“水立方”屋面和墻體的綜合傳熱系數分別達到了0.68W/（m2·K）和0.85W/（m2·K），優于一般的圍護結構。不僅是氣枕本身，“水立方”屋蓋和墻體內外表面均設有氣枕，相當于采用了雙層幕墻的設計方法。可以對雙層氣枕之間的空腔內空氣流動進行合理的組織和控制，在夏季將空氣腔內的熱空氣帶出室外，冬季減少空腔內的空氣流動，使圍護結構達到更佳的保溫隔熱效果，從而大幅降低室內冬季采暖和夏季空調的運行費用。

5.2 建筑的采光性能

一般體育館類建筑是全封閉的，很少自然采光。所以，無論白天或晚上，均采用人工照明。但“水立方”則得益于ETFE 膜的高透光性，建筑內部在白天有很好的自然采光效果。經過測試分析，“水立方”在日間時，其室內的自然光照程度完全可以滿足比賽需要，節省了人工照明成本。同時，在建筑不同部位的氣枕膜上，采用了不同覆蓋率的彩釉鍍點涂鍍技術，使建筑內部在獲得充足自然照明的同時，保持室內照度均勻，避免了眩光。

但是高透光率對室內熱工環境的影響可以說是一把雙刃劍。冬季，太陽能輻射進入室內，可以減少冬季采暖負荷，但在夏季，太陽能輻射又會使建筑的制冷負荷增加。經過綜合分析測算，采用透光的屋面和墻體，在夏季帶來的制冷負荷的增加量要少于在冬季帶來的減少量總體上對建筑節能是有利的[2]。

5.3 建筑的聲學性能

對于奧運比賽場館，室內聲音環境的優劣是評價建筑成功與否很重要的標準。ETFE 氣膜隔聲能力低，作為圍護結構，聲音能量大部分可以穿透，而且ETFE 膜材表面對噪聲，尤其是高頻噪聲的反射能力低。所以，ETFE 氣枕結構對降低室內混響時間非常有利。只需要在室內適當位置設置一定量的吸聲材料，即可達到混響時間要求。

賽前有人擔心下雨“水立方”的雨噪聲問題。設計人員對此進行了大量試驗和研究，發現雨噪聲對于室內的影響并不嚴重，最終對“水立方”并未采取任何降噪措施。北京奧運會期間曾有過較大降雨，但室內對雨噪聲的感覺微乎其微，對比賽和觀眾均未造成任何影響。

5.4 建筑成本

在所有外圍護結構所用的材料中，ETFE 膜材是最輕的，其重量不足玻璃的1%，使整體建筑的自重大大減輕，從而在很大程度上節省了建筑主體結構的重量和建筑的總體造價。“水立方”總用鋼量約6900t，平均每平方米建筑面積的用鋼量不足90kg。與之隔路相望的國家體育場“鳥巢”，每平方米用鋼量超過了400kg。雖然從單方造價上看，ETFE 充氣膜結構比普通材料的建筑幕墻要貴，但對主體結構負荷及成本造價的影響程度進行比較，ETFE 充氣膜結構具有很高的綜合性價比。同時，ETFE 膜具有很好的自潔性，依靠自然雨水沖刷，即可去除表面大部分灰塵，膜材料破損后也可很容易修補，因此，“水立方”后期維護和清洗的成本很低。

6 結語

“水立方”的建筑設計、外觀效果和形態與擁有高科技和節能技術的膜結構外衣密不可分。正是由于主題與形式巧妙融合，造就了新穎奇特、美輪美奐的“水立方”，使其成為2008年北京奧運會的標志性建筑之一。