膜結構中的建筑“膜法”

膜結構建筑就是以高強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，進而構建一種穩(wěn)定的空間結構。美國南伊利諾依大學教授巴克敏斯特·富勒是對膜結構建筑理論貢獻最大的科學家之一。他在20世紀50年代開始先后提出了“少費多用”和“Dymaxion House”生態(tài)設計方案。核心就是在建設過程中，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，膜結構建筑開始慢慢走進人們的生活。

膜結構建筑發(fā)展史

為了踐行富勒等人的理念，很多建筑學家進行了卓有成效的實踐。自1946年開始，美國工程師沃爾特·伯德建成了百余個充氣結構，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充氣膜結構中，并通過美國的《生活》雜志做了詳細介紹，從而使充氣膜結構被世人知曉。

1967年，蒙特利爾世博會上的德國館成為膜結構建筑的一座里程碑。設計師奧托曾經(jīng)是參加過二戰(zhàn)的空軍飛行員，他在一次戰(zhàn)斗中成為俘虜，并被關押在一所戰(zhàn)俘營中。他在那里為囚犯們建設臨時性住所時，產(chǎn)生了這種設計靈感。在受邀設計德國館時，他將這種設計理念付諸實踐。該館占地8000平方米，采用8根鋼鐵的桅桿和50厘米直徑鋼纜結成索網(wǎng)，膜面采用半透明的白色滌綸。

滌綸又稱特麗綸，美國人稱它為“達克綸”，在中國俗稱“的確良”，是合成纖維中的一個重要品種，學名為聚對苯二甲酸乙二醇酯（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。奧托的滌綸膜結構簡潔美觀，便于組裝，與傳統(tǒng)結構比起來造價相對低廉，為室外蓬式建筑提供了成功范例。

該建筑在當時轟動全球，為后來層出不窮的膜結構應用提供了范本。1970年，大阪世界博覽會上，由建筑師戴維斯等人設計的美國館成為膜結構建筑的又一代表作品。美國館縱向跨度142米、橫向跨度83.5米，是世界上第一個大跨度、低輪廓的氣承式膜結構。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V·勒尼奧用日光照射氯乙烯時生成一種白色固體，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用。

大阪世界博覽會上出現(xiàn)的膜結構建筑，被認為是建筑史上的一次歷史性轉折，是膜結構建筑時代開始的標志。自此，膜結構逐漸應用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務設施等大跨度建筑中，成為結構設計選型中的一個主要方案。膜結構建筑升級換代的重要特點，就是與石化領域的新材料研發(fā)密切相關?？梢哉f，每出現(xiàn)一代新材料，就會造就新一代膜結構建筑，新型膜材及其應用技術是膜結構發(fā)展的基石。

特氟龍與千年穹頂

20世紀60年代，玻璃纖維織造技術發(fā)展迅速，得到了廣泛應用，但仍然離不開聚乙烯基類作為表面涂層為其遮風擋雨。20世紀70年代初，美國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)代織物膜材迅速問世。該膜材具有高強度、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用。PTFE膜材出現(xiàn)，也開啟了膜結構被正式應用于永久性建筑的新時代。

聚四氟乙烯的發(fā)現(xiàn)是一個歪打正著的過程。1938年夏天，美國杜邦公司杰克森實驗室的羅伊·普倫基特將四氟乙烯存放在干冰冷卻的鋼瓶里，為進一步做氯氟烴的研究做好準備。幾天后，他和助手一起打開了鋼瓶，按實驗流程，他通過流量計將氣化的四氟乙烯送入反應器。沒過多久，他發(fā)現(xiàn)四氟乙烯停止了流動，而流量計卻顯示鋼瓶里仍有四氟乙烯沒有釋放出來。普倫基特搖晃了幾下鋼瓶，發(fā)現(xiàn)里面有一些固體物質(zhì)發(fā)出響動。他很奇怪，就用一把鋼鋸把鋼瓶鋸開，結果發(fā)現(xiàn)里面有相當多白色的粉末。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，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，和應用于不粘鍋相比，應用在高大美觀的建筑物上更加光彩奪目。經(jīng)過科學家們的努力，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。

英國泰晤士河畔的千年穹頂就是采用這種膜材的杰作。18萬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媒體的話題。但最終該建筑還是在2000年到來之際展示出了膜結構建筑的美好形象。

軟玻璃與水立方

特氟龍曾號稱“塑料之王”，威風八面，但在膜結構中只是應用于膜結構的罩頂。進入21世紀后，應用更為廣泛、技術要求也更高的一種膜材料ETFE（乙烯—四氟乙烯共聚物）開始獨占鰲頭。ETFE生料是一種無色透明的顆粒狀結晶體。以它為原料擠壓成型的薄膜是一種典型的透明非織物類膜材，廣泛應用于膜結構建筑的罩頂和墻面，有“軟玻璃”的美譽。

ETFE膜材具有高抗污、易清洗、不易燃、透光性好、使用壽命長等特點。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樹脂可通過模具塑成任何形狀。這些優(yōu)點使其成為永久性多層可移動屋頂結構的理想材料。

ETFE是由美國和德國的兩家公司于1970年聯(lián)手研發(fā)成功的。最初，只是想用它來做絕緣電纜之用，后來有人發(fā)現(xiàn)在化工、汽車、航空及核工業(yè)領域都有它的用武之地，有著廣泛的商業(yè)價值。20世紀70年代，建筑領域開始關注ETFE這種新型材料。首先由德國一家公司用這種膜材代替玻璃建成了一種溫室，用來種植各種植物。實驗結論證明，植物長勢良好，營養(yǎng)價值與戶外作物沒有差別。后續(xù)一些國家的實驗證明，這種材料在戶外歷經(jīng)10年的風雨，熱學性能與機械性能幾乎沒有發(fā)生改變。這些實驗數(shù)據(jù)為ETFE膜材在建筑領域的進一步應用鋪平了道路。

2001年竣工的英國康沃爾郡的“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%，可單獨使用，使用壽命可達25年以上。

中國的膜結構應用實例也很多，僅僅在北京就可以看到水立方、鳥巢、世博園和國家大劇院等，每一個都堪稱建筑史上的杰作。不過，在國內(nèi)外獲得獎項最多、最為著名的當屬水立方。水立方能夠獲得如此之高的榮譽，要歸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充氣膜結構建筑。這個長寬各177米、高31米的建筑結構，由3615個ETFE膜材制成的氣枕組成，覆蓋面積達到10余萬平方米。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個“水泡泡”，給水立方穿上了一件藍波蕩漾的外衣，凸顯了國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，人們在上面“玩蹦床”都沒問題，“正常的放上一輛汽車都不會壓壞”。

ETFE膜材與現(xiàn)代建筑設計理念的完美結合，造就了新穎奇特、美輪美奐、充滿靈氣與神韻的陸上水世界，使水立方成為舉世矚目的中國標志性建筑之一。

作者：崔玉波（中國石油學會石油知識雜志社）