膜結(jié)構(gòu)中的建筑“膜法”

膜結(jié)構(gòu)建筑就是以高強(qiáng)度柔性薄膜材料為膜面，在支撐桿和拉索的作用下，形成的穩(wěn)定曲面，進(jìn)而構(gòu)建一種穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。美國(guó)南伊利諾依大學(xué)教授巴克敏斯特·富勒是對(duì)膜結(jié)構(gòu)建筑理論貢獻(xiàn)最大的科學(xué)家之一。他在20世紀(jì)50年代開(kāi)始先后提出了“少費(fèi)多用”和“Dymaxion House”生態(tài)設(shè)計(jì)方案。核心就是在建設(shè)過(guò)程中，要充分發(fā)揮材料自身特性，用最少且輕的材料建造盡可能大的空間。以他的理論為起點(diǎn)，膜結(jié)構(gòu)建筑開(kāi)始慢慢走進(jìn)人們的生活。

膜結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展史

為了踐行富勒等人的理念，很多建筑學(xué)家進(jìn)行了卓有成效的實(shí)踐。自1946年開(kāi)始，美國(guó)工程師沃爾特·伯德建成了百余個(gè)充氣結(jié)構(gòu)，均采用尼龍、滌綸包裹著乙烯、氯丁橡膠制成的膜材。1957年，他又將自家的游泳池罩在一個(gè)充氣膜結(jié)構(gòu)中，并通過(guò)美國(guó)的《生活》雜志做了詳細(xì)介紹，從而使充氣膜結(jié)構(gòu)被世人知曉。

1967年，蒙特利爾世博會(huì)上的德國(guó)館成為膜結(jié)構(gòu)建筑的一座里程碑。設(shè)計(jì)師奧托曾經(jīng)是參加過(guò)二戰(zhàn)的空軍飛行員，他在一次戰(zhàn)斗中成為俘虜，并被關(guān)押在一所戰(zhàn)俘營(yíng)中。他在那里為囚犯?jìng)兘ㄔO(shè)臨時(shí)性住所時(shí)，產(chǎn)生了這種設(shè)計(jì)靈感。在受邀設(shè)計(jì)德國(guó)館時(shí)，他將這種設(shè)計(jì)理念付諸實(shí)踐。該館占地8000平方米，采用8根鋼鐵的桅桿和50厘米直徑鋼纜結(jié)成索網(wǎng)，膜面采用半透明的白色滌綸。

滌綸又稱(chēng)特麗綸，美國(guó)人稱(chēng)它為“達(dá)克綸”，在中國(guó)俗稱(chēng)“的確良”，是合成纖維中的一個(gè)重要品種，學(xué)名為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）。這種材料制成的面料具有極優(yōu)良的定型性能，大量用于制造衣著面料和工業(yè)制品。奧托的滌綸膜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔美觀，便于組裝，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)比起來(lái)造價(jià)相對(duì)低廉，為室外蓬式建筑提供了成功范例。

該建筑在當(dāng)時(shí)轟動(dòng)全球，為后來(lái)層出不窮的膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供了范本。1970年，大阪世界博覽會(huì)上，由建筑師戴維斯等人設(shè)計(jì)的美國(guó)館成為膜結(jié)構(gòu)建筑的又一代表作品。美國(guó)館縱向跨度142米、橫向跨度83.5米，是世界上第一個(gè)大跨度、低輪廓的氣承式膜結(jié)構(gòu)。在膜材方面，不再使用聚酯纖維，而是采用聚氯乙烯（PVC）涂層的玻璃纖維織物。聚氯乙烯是氯乙烯在一定條件下聚合而成的聚合物。1835年，美國(guó)V·勒尼奧用日光照射氯乙烯時(shí)生成一種白色固體，即聚氯乙烯。聚氯乙烯在建筑材料、工業(yè)制品、日用品等方面均有廣泛應(yīng)用。

大阪世界博覽會(huì)上出現(xiàn)的膜結(jié)構(gòu)建筑，被認(rèn)為是建筑史上的一次歷史性轉(zhuǎn)折，是膜結(jié)構(gòu)建筑時(shí)代開(kāi)始的標(biāo)志。自此，膜結(jié)構(gòu)逐漸應(yīng)用于體育建筑、商場(chǎng)、展覽中心、交通服務(wù)設(shè)施等大跨度建筑中，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型中的一個(gè)主要方案。膜結(jié)構(gòu)建筑升級(jí)換代的重要特點(diǎn)，就是與石化領(lǐng)域的新材料研發(fā)密切相關(guān)?？梢哉f(shuō)，每出現(xiàn)一代新材料，就會(huì)造就新一代膜結(jié)構(gòu)建筑，新型膜材及其應(yīng)用技術(shù)是膜結(jié)構(gòu)發(fā)展的基石。

特氟龍與千年穹頂

20世紀(jì)60年代，玻璃纖維織造技術(shù)發(fā)展迅速，得到了廣泛應(yīng)用，但仍然離不開(kāi)聚乙烯基類(lèi)作為表面涂層為其遮風(fēng)擋雨。20世紀(jì)70年代初，美國(guó)杜邦公司成功研制聚四氟乙烯（PTFE）表面涂層材料。此后，以玻璃纖維為基布、以PTFE為涂層的現(xiàn)代織物膜材迅速問(wèn)世。該膜材具有高強(qiáng)度、良好自潔性等優(yōu)異性能，迅速在建筑工程上得到了廣泛應(yīng)用。PTFE膜材出現(xiàn)，也開(kāi)啟了膜結(jié)構(gòu)被正式應(yīng)用于永久性建筑的新時(shí)代。

聚四氟乙烯的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)歪打正著的過(guò)程。1938年夏天，美國(guó)杜邦公司杰克森實(shí)驗(yàn)室的羅伊·普倫基特將四氟乙烯存放在干冰冷卻的鋼瓶里，為進(jìn)一步做氯氟烴的研究做好準(zhǔn)備。幾天后，他和助手一起打開(kāi)了鋼瓶，按實(shí)驗(yàn)流程，他通過(guò)流量計(jì)將氣化的四氟乙烯送入反應(yīng)器。沒(méi)過(guò)多久，他發(fā)現(xiàn)四氟乙烯停止了流動(dòng)，而流量計(jì)卻顯示鋼瓶里仍有四氟乙烯沒(méi)有釋放出來(lái)。普倫基特?fù)u晃了幾下鋼瓶，發(fā)現(xiàn)里面有一些固體物質(zhì)發(fā)出響動(dòng)。他很奇怪，就用一把鋼鋸把鋼瓶鋸開(kāi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)里面有相當(dāng)多白色的粉末。他恍然大悟，這幾天四氟乙烯在鋼瓶里偷偷地發(fā)生了聚合反應(yīng)，白色粉末就是聚合而成的聚四氟乙烯。

聚四氟乙烯的商品名稱(chēng)就是不粘鍋上的涂料、大名鼎鼎的特氟龍（Teflon）。特氟龍是四氟乙烯經(jīng)聚合而成的高分子化合物，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、耐高低溫性、電絕緣性、表面不粘性等。不過(guò)，和應(yīng)用于不粘鍋相比，應(yīng)用在高大美觀的建筑物上更加光彩奪目。經(jīng)過(guò)科學(xué)家們的努力，一種以玻纖織物為基材、以聚四氟乙烯為涂層的膜材最終問(wèn)世。該膜材防火、不燃、不受紫外線影響，透光性較好，具有很高的自潔性和耐用性。

英國(guó)泰晤士河畔的千年穹頂就是采用這種膜材的杰作。18萬(wàn)平方米的千年穹頂覆蓋膜材，最先采用的是以聚酯為基材的織物，效果并不理想，后來(lái)才改用涂聚四氟乙烯的玻璃纖維織物。千年穹頂膜材的改變一度成為英國(guó)媒體的話題。但最終該建筑還是在2000年到來(lái)之際展示出了膜結(jié)構(gòu)建筑的美好形象。

軟玻璃與水立方

特氟龍?jiān)?hào)稱(chēng)“塑料之王”，威風(fēng)八面，但在膜結(jié)構(gòu)中只是應(yīng)用于膜結(jié)構(gòu)的罩頂。進(jìn)入21世紀(jì)后，應(yīng)用更為廣泛、技術(shù)要求也更高的一種膜材料ETFE（乙烯—四氟乙烯共聚物）開(kāi)始獨(dú)占鰲頭。ETFE生料是一種無(wú)色透明的顆粒狀結(jié)晶體。以它為原料擠壓成型的薄膜是一種典型的透明非織物類(lèi)膜材，廣泛應(yīng)用于膜結(jié)構(gòu)建筑的罩頂和墻面，有“軟玻璃”的美譽(yù)。

ETFE膜材具有高抗污、易清洗、不易燃、透光性好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。最為重要的是ETFE膜可以循環(huán)利用，淘汰的舊料可以翻新為新的膜材料，或者分離雜質(zhì)后生產(chǎn)其他ETFE產(chǎn)品。最為重要的是，ETFE樹(shù)脂可通過(guò)模具塑成任何形狀。這些優(yōu)點(diǎn)使其成為永久性多層可移動(dòng)屋頂結(jié)構(gòu)的理想材料。

ETFE是由美國(guó)和德國(guó)的兩家公司于1970年聯(lián)手研發(fā)成功的。最初，只是想用它來(lái)做絕緣電纜之用，后來(lái)有人發(fā)現(xiàn)在化工、汽車(chē)、航空及核工業(yè)領(lǐng)域都有它的用武之地，有著廣泛的商業(yè)價(jià)值。20世紀(jì)70年代，建筑領(lǐng)域開(kāi)始關(guān)注ETFE這種新型材料。首先由德國(guó)一家公司用這種膜材代替玻璃建成了一種溫室，用來(lái)種植各種植物。實(shí)驗(yàn)結(jié)論證明，植物長(zhǎng)勢(shì)良好，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與戶(hù)外作物沒(méi)有差別。后續(xù)一些國(guó)家的實(shí)驗(yàn)證明，這種材料在戶(hù)外歷經(jīng)10年的風(fēng)雨，熱學(xué)性能與機(jī)械性能幾乎沒(méi)有發(fā)生改變。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為ETFE膜材在建筑領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用鋪平了道路。

2001年竣工的英國(guó)康沃爾郡的“伊甸園”溫室工程采用的覆蓋材料便是ETFE膜。采用這種膜材建成的“伊甸園”，白天不用照明，可以大幅度降低能源消耗。且質(zhì)量很輕，僅為同面積玻璃質(zhì)量的1%，可單獨(dú)使用，使用壽命可達(dá)25年以上。

中國(guó)的膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例也很多，僅僅在北京就可以看到水立方、鳥(niǎo)巢、世博園和國(guó)家大劇院等，每一個(gè)都堪稱(chēng)建筑史上的杰作。不過(guò)，在國(guó)內(nèi)外獲得獎(jiǎng)項(xiàng)最多、最為著名的當(dāng)屬水立方。水立方能夠獲得如此之高的榮譽(yù)，要?dú)w功于外立面所使用的ETFE膜材。

水立方是世界上規(guī)模最大的ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)建筑。這個(gè)長(zhǎng)寬各177米、高31米的建筑結(jié)構(gòu)，由3615個(gè)ETFE膜材制成的氣枕組成，覆蓋面積達(dá)到10余萬(wàn)平方米。氣枕大小不一，為多種規(guī)格的不規(guī)則多邊形，最大跨度為10.75米，最大氣枕面積約70平方米，最小氣枕面積不足0.5平方米。一塊塊氣枕好像一個(gè)個(gè)“水泡泡”，給水立方穿上了一件藍(lán)波蕩漾的外衣，凸顯了國(guó)家游泳館的建筑主題。這種“泡泡裝”有自潔功能，使膜的表面基本上不沾灰塵。即使沾上灰塵，自然降水也足以使之清潔如新。此外，膜材料具有較好的抗壓性，人們?cè)谏厦妗巴姹拇病倍紱](méi)問(wèn)題，“正常的放上一輛汽車(chē)都不會(huì)壓壞”。

ETFE膜材與現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)理念的完美結(jié)合，造就了新穎奇特、美輪美奐、充滿(mǎn)靈氣與神韻的陸上水世界，使水立方成為舉世矚目的中國(guó)標(biāo)志性建筑之一。

作者：崔玉波（中國(guó)石油學(xué)會(huì)石油知識(shí)雜志社）