淺談ETFE膜在建筑中的運用

【摘要】論文簡單介紹了ETFE膜材料的特性，對ETFE膜材料在建筑中的實際運用效果進行了分析，選取了三個應用了ETFE膜的建筑實例進行調(diào)研分析，探討了ETFE膜材料在不同建筑功能中的呈現(xiàn)效果與面臨的問題。

【關鍵詞】ETFE膜；薄膜材料；建筑設計；建筑材料

1、引言

如今建筑設計早已不局限于滿足人的使用需求，建筑師們把目光更多地放在對建筑整體的美學設計的考量上，很多時候會苦于沒有合適的技術和建筑材料支持建筑師表達自己的設計理念，而不得不放棄原有的設計方案。ETFE膜作為一種新型建筑材料出現(xiàn)，無疑可以給予建筑師更多的選擇。ETFE材料制成的薄膜延展性佳，透光率高達95%，通過表面處理可以在50%-90%之間靈活調(diào)整透光性，建筑師可以將這種材料靈活地應用于頂棚、外表皮等，為建筑注入更多的活力。

ETFE材料于1947年首次被合成，并在20世紀70年代由美國杜邦公司實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，從實驗室走向了市場。而真正令ETFE大放異彩的，是其在2006年德國世界杯的慕尼黑安聯(lián)球場以及在2008年北京奧運會的國家體育場（鳥巢）、國家游泳中心（水立方）上的出色應用。安聯(lián)球場與國家游泳中心將ETFE用于建筑的外表皮，在夜晚投射燈光，建筑變得五彩斑斕；中國國家體育場則用ETFE材料來填充頂部的鋼結(jié)構單元格的空隙，滿足了采光、遮蔽的基本建筑需求。

近十年來，國家對于這一類新型材料的研發(fā)與應用一直持支持態(tài)度。在環(huán)境保護和科學發(fā)展觀的指導下，“綠色”、“高效”逐漸成為了產(chǎn)業(yè)關鍵詞，政府出臺了《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》等相關文件來鼓勵發(fā)展新型材料，這也為ETFE膜的應用創(chuàng)造了一個良好的外部環(huán)境。我國的工業(yè)起步晚于歐美國家，化學加工工業(yè)更是極為薄弱的環(huán)節(jié)。盡管ETFE膜材料在我國有著廣闊的前景，生產(chǎn)技術的缺乏使得其一直是一種較為昂貴的材料，在一定程度上限制了其推廣。

2、ETFE材料簡介

ETFE為Ethylene TetraFluoro Ethylene的縮寫，其中文全稱為乙烯-四氟乙烯共聚物，是一種含氟塑料。

ETFE是乙烯（E）和四氟乙烯（TFE）交替排列形成的共聚物。從分子組成上來說，ETFE與PVDF（聚偏氟乙烯）是完全相同的。但是有機化學的有趣之處便在于，結(jié)構上微妙的差異，令ETFE即保留了PVDF優(yōu)秀的耐化學性、耐老化性，又使其機械性能得到了改善，延展性也大大提升。這些優(yōu)良性能再加上易于加工的特性，使其成為高性能工程塑料的一員，發(fā)展迅速。

3、ETFE膜的建筑材料性能

3.1安全性

安全是材料應用到建筑上的基礎。沒有安全作為保證，性能再優(yōu)秀的材料也難以被推廣使用。ETFE膜在安全方面主要體現(xiàn)在以下幾點：

1）質(zhì)量輕。ETFE制成的膜材料厚度一般在20～300μm，材料本身的密度在1.7g/cm3左右，因此ETFE膜質(zhì)量一般非常小，即使脫落也幾乎不會造成人員受傷。

2）抗拉強度大。對于膜材料的力學性能研究一般采用單軸拉伸試驗，測量的參數(shù)包括屈服強度、彈性模量。根據(jù)同濟大學建筑工程系測得的數(shù)據(jù)，厚度2.5mm的ETFE膜的抗拉強度49.5MPa，相當于撐起一輛普通小轎車的壓強。

3）化學性能穩(wěn)定。ETFE膜在-65°C以上、110℃以下都十分穩(wěn)定，足夠適應大部分情況下的室外溫度，不會因為受熱、受光照產(chǎn)生有害氣體。

4）耐火性強。ETFE膜不易燃燒，能達到耐火材料國家標準B1、DIN4102的級別，可作為阻燃材料。

5）耐腐蝕性強。ETFE膜作為一種含氟塑料，具有優(yōu)秀的耐腐蝕能力，使用壽命可達20年，甚至更久。

3.2功能性

ETFE膜在功能方面主要有以下幾個特性：

1）透光率高。ETFE膜的透光率可達到95%，與普通玻璃的透光率相當。波長在10^-8～10^-4m之間的光均可以幾乎無損耗地穿過ETFE膜，這也就保證了將ETFE膜用于采光的建筑室內(nèi)自然光的強度。通過對膜材料進行表面印刷，還可以將透光率調(diào)整至50%，以適應不同條件下的情況。

2）導熱性低。ETFE膜的傳熱系數(shù)K=2.0W/㎡·℃，導熱系數(shù)λ=0.10W/m·℃。通常將導熱系數(shù)λ<0.23W/m·℃的材料稱為絕熱材料，因此ETFE膜擁有理想的保溫隔熱的效果。

3）反射率低。ETFE膜的反射率遠低于玻璃材料，可以有效緩解光污染。

基于這些特性，ETFE膜材料被應用于動物園、植物園以及體育場館的頂棚。不同于其他透明材料，ETFE膜配合建筑照明設計，可以營造出變化極其豐富的光環(huán)境，達到很強的視覺效果，常被作為幕墻或多建筑的外表皮，國家游泳中心（水立方）就是一個最典型的例子。

3.3 清潔與維護

1）易清潔。ETFE膜的摩擦系數(shù)極小，附著在表面的灰塵與污漬可以很容易被雨水沖刷干凈，水分子也會很快流走而使得膜材料不易受潮，即使用抹布擦拭，也比木材、傳統(tǒng)玻璃輕松的多。易于清潔加上清潔周期長，大大降低了ETFE膜的清潔成本。

2）易維護。ETFE膜作為一種膜材料，維護起來是非常容易的。首先其性能的優(yōu)秀令ETFE膜很少出現(xiàn)損壞；若出現(xiàn)了微小的破損，用特制的膠布修補即可；若修補無法達到使用的最低強度，可以聯(lián)系生產(chǎn)廠家對單塊ETFE膜進行更換，而破損的ETFE膜可回收利用，經(jīng)熔化后重新進入ETFE膜的生產(chǎn)。

3.4 ETFE膜材料與其他建筑常用有機材料的性能對比

選取與ETFE類似的PTFE（聚四氟乙烯）、PVC（聚氯乙烯）等建筑常用有機材料的與建筑應用相關的指標進行比較，得出下表。表格中，機械性能包括強度、塑性、硬度、沖擊韌性、多次沖擊抗力和疲勞極限等；阻燃性中VOI%為氧指數(shù)，數(shù)值越大，表示阻燃性越好；耐候性指經(jīng)受室外氣候考驗的耐受能力；透明性指薄膜制品。

根據(jù)此表，可以發(fā)現(xiàn)，ETFE膜集PTFE、PVF的優(yōu)秀性能于一身，在具有均衡的機械性能、出色的耐候性、耐腐蝕性的基礎上，還易于加工成型，以便于適應在不同建筑的需求。

4、ETFE膜在不同建筑中的應用

4.1 慕尼黑安聯(lián)球場

慕尼黑安聯(lián)球場（Allianz Arena）是德甲巨人拜仁慕尼黑的主場。設計者瑞士建筑師赫爾佐格與德梅隆將ETFE膜幾近完美地運用在了安聯(lián)球場之中：他們將ETFE膜制成菱形的氣枕結(jié)構，鑲嵌在球場鋼材質(zhì)的外骨架上。2874個半透明氣枕首尾相接，緊緊包裹住整個球場表面，在陽光下閃爍著微光。每逢比賽日，氣枕內(nèi)部的反光裝置發(fā)出紅光，美妙的酒紅色映在表面，將整個球場化身為晶瑩剔透的紅寶石，在巴伐利亞的夜色中閃耀。

2005年至2014年期間，安聯(lián)球場曾是拜仁慕尼黑和慕尼黑1860的共有主場。為了強化球隊與球迷的身份認同感，赫爾佐格與德梅隆令發(fā)光裝置在拜仁比賽時打上代表球隊的紅光，而慕尼黑1860比賽時則打上標志性的藍色。超越語言和文字的信息傳遞，讓路過的人遠遠便可以依靠球場的顏色辨認出比賽的球隊。

精巧的結(jié)構，壯麗的外觀以及變幻的顏色，令安聯(lián)球場成為了慕尼黑乃至德國的榮耀，而這其中ETFE膜材料起到了無可替代的作用。半透明的ETFE膜氣枕既保證了白天球場內(nèi)的采光，又為黑夜中的球場呈現(xiàn)不同顏色提供了可能，可以說是整座建筑的設計中最精妙的一筆。

4.2 蘇黎世動物園馬蘇阿拉熱帶雨林館

ETFE膜常被用于創(chuàng)造精彩的視覺效果，同時，其保溫隔熱的性能也被建筑師所看重，蘇黎世動物園的馬蘇阿拉熱帶雨林館就是個很好的例子。

熱帶植物生長在全年高溫多雨的氣候中，一座位于北緯47°的北溫帶動物園想要營造出適合熱帶植物的環(huán)境，依靠全年連續(xù)不斷地供應暖氣與水汽增溫增濕顯然會耗費極大的成本。設計團隊考慮到了這一點后，選用了ETFE膜作為雨林館頂棚。

ETFE膜高透光性令自然光可以穿過薄膜同時不阻擋紫外線，加上保溫隔熱的特性使得雨林館內(nèi)形成了溫室效應，在陽光的照射下便可以迅速上升至適宜熱帶植物生長的溫度；ETFE薄膜的輕質(zhì)性減少了頂棚建造時所需的支撐柱，為高大的雨林植物提供的更多的生長空間；同時弧型的屋頂有利于雨水帶著灰塵向兩側(cè)迅速排走，使得ETFE薄膜很少需要進行人工清潔。

4.3 鄭州大學（南區(qū)）地鐵站出入口

不僅大型建筑常使用ETFE膜，我們身邊的小型建筑也可以通過ETFE膜而展現(xiàn)出獨特的生命力。

地鐵站常常帶有一個城市的風格特點，從一個小的側(cè)面反映出了當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展狀況、文化氛圍與歷史背景。鄭州大學（南區(qū)）地鐵站出入口的設計靈感來自于具有中原文化特色的“蔡侯紙”。為了表現(xiàn)出“折紙”的意象，同時契合鄭州二七紀念塔的節(jié)奏韻律，設計者利用ETFE膜易于成型的特點，將地鐵站出入口塑造出了折疊變化的形態(tài)。由于出入口的ETFE膜有著良好的透光性，可以借助自然光或周圍的路燈等光源而減少照明系統(tǒng)的安裝，一定程度上降低了能耗。

結(jié)合了現(xiàn)代技術與歷史傳統(tǒng)的鄭州大學（南區(qū)）地鐵站出入口，很好地融入到了周圍華燈璀璨的環(huán)境之中卻又不失底蘊，承載了鄭州城的古都風韻。

4.4 小結(jié)

表格簡單總結(jié)了ETFE膜材料在三個的建筑案例中發(fā)揮的不同作用?？偟膩碚f，ETFE膜擁有著其他建筑材料無可比擬的優(yōu)良性能，在多項不同類型的建筑中的完美應用，證明了它不僅可以給予建筑具體的功能上的幫助，還可以為建筑師提供表達自己獨特設計理念的手段。

5、ETFE膜材料面臨的問題

5.1 生產(chǎn)技術

由于國內(nèi)化學加工工業(yè)起步較歐美國家晚，生產(chǎn)ETFE的工藝和設施是不完備的。考慮到市場占有率與成本帶來的風險，國內(nèi)很少有企業(yè)去實現(xiàn)對ETFE的產(chǎn)業(yè)化。

另一方面，盡管ETFE膜本身是一種綠色的環(huán)保材料，其原料四氟乙烯等物質(zhì)是具有一定毒性的。國內(nèi)技術手段的不完善使得生產(chǎn)過程無法完全處理好生成的有毒有害物質(zhì)，會對環(huán)境造成一定的污染。

目前國內(nèi)ETFE材料主要依靠向杜邦公司、旭硝子公司、3M公司、蘇威公司和大金公司等外國公司進口，這也讓ETFE膜在國內(nèi)一直屬于一種較為昂貴的建筑材料。

5.2 安裝、使用時的限制性因素

ETFE膜對于生產(chǎn)、安裝時的工藝精度要求非常高，鋼結(jié)構微小誤差，有時便會導致ETFE膜受力不均而發(fā)生破裂。國家體育中心（鳥巢）在原本的計劃中使用中心對稱的結(jié)構，一半的單元格完全相同，而實際施工時發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構安裝的誤差已經(jīng)超出了原本尺寸的ETFE膜的承受范圍，不得不進行了兩次重新測量。

盡管ETFE膜自身具有良好的自潔性，但是由于膜與膜之間需要使用鋼材等進行連接與支持，連接處很容易有雨水聚集，給ETFE膜帶來受潮、污垢堆積的問題。雖然通過對連接結(jié)構上的改進可以減緩甚至避免這一情況的出現(xiàn)，但是這或多或少會限制ETFE膜的使用。

5.3與傳統(tǒng)采光材料的比較

此處選取了ETFE膜相比傳統(tǒng)采光材料的不足之處作為比較的指標，這些弊端使得ETFE膜無法廣泛地替代傳統(tǒng)玻璃在建筑中的應用，也限制了ETFE膜的推廣應用。

結(jié)語：

ETFE膜性能優(yōu)異，在多項建筑任務中都證明了自身價值。ETFE膜在國外建筑的使用歷史不過短短十幾年，仍然存在許多不足之處。

進入新世紀的我國更加講求高效，因此對于ETFE膜的深入研究是必須的。只有在完全掌握生產(chǎn)技術的條件下，針對ETFE膜的不足之處不斷進行改進，才能使其不斷地發(fā)展，更好地在國內(nèi)大大小小的建筑之中發(fā)揮其作用。

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[3]高長征，李麗.地鐵鄭州大學（南區(qū)）站出入口設計探索，河南大學學報（自然科學版）[J].2014（1）：7-8.

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[6]白木.氟塑料的應用， 有機氟工業(yè)[J].2004（2）：53-56.

圖片來源：

[1]高長征，李麗，地鐵鄭州大學（南區(qū)）站出入口設計探索， 河南大學學報（自然科學版）[J].2014（1）：7-8

[2]李雱，現(xiàn)代科技營造的熱帶雨林奇觀——蘇黎世動物園的馬蘇阿拉熱帶雨林館，中國園林[J].2011（11）：43

[3]Home - Allianz Arena （EN）

作者簡介：

王爾勵，男，漢族，2000年1月18日出生，籍貫：浙江嘉興，就讀學校：嘉興市第一中學。