气膜结构由于只承受张力,可使材料受力性能得到充分发挥,加之其独特的性能特点和优势,当前已越来越广泛地应用于大跨度建筑中。它以优良的织物为材料,由膜内空气压力支承膜面,或利用柔性钢索、刚性支撑结构通过弯曲内面力传送,将膜面绷紧,从而形成具有一定刚度、张力,能够覆盖大跨度空间的结构体系。建筑膜材是气膜结构工程中所使用的主要材料,也是最重要的组成部分之一。它是由高强度的织物基材和聚合物涂层构成的复合材料,有些膜材还包括面层。基材决定膜材的结构力学特性,一般选用玻璃纤维或聚酯纤维;涂层对基材起保护作用,并形成膜材料的自洁、密封性能;面层保护基材,并改善表面性能。

目前建筑膜材行业较为认可根据建筑膜材防火性能将其划分为A、B、C共3类。A类膜材防火性能最好,它以玻璃纤维为基材,涂敷PTFE而成,多应用于大型膜建筑工程;B类次之,它以玻璃纤维为基材,涂敷PVC而成,国内外应用较多;C类最次,它以聚酯纤维为基材,涂敷PVC而成,可应用于一次性投资不高的建筑或临时性建筑[1] ;另外还有几种特殊膜材。常用建筑膜材的分类见表1。

为突出膜结构丰富多彩的建筑造型及表现力,对建筑膜材特性的考察也极为重要。膜材特性主要是透光性、保温节能性(现有公司生产的膜材一般按保温系列、透光系列作分类)。其它特性还包括防火性、吸声性、自洁性、耐腐蚀性、抗菌性、轻质柔韧性等。就防火性而言,如今广泛使用的建筑膜材具有卓越的阻燃和耐高温性能,能很好地满足中国、美国、日本、德国等多国对于防火性能的标准要求[2]。

本分级试验按照GB 8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》进行,为平板状建筑材料燃烧级别。测试采用标准:GB/T 20284—2006《建筑材料或制品的单体燃烧试验》、GB/T8626—2007《建筑材料可燃性试验方法》。温度21~25℃,相对湿度(50~55)%。

(1)制品特征和最终应用。其基材为经编聚酯纤维基布,表面涂层为聚氯乙烯(PVC),型号:8028#,白色,面层添加了增塑剂、乙烯基含氟聚合物、灭菌丹和阻燃剂等,膜材厚度为0.8 mm。样品数量为11.97 m2,面密度约949 g/m2。

(2)试样安装与固定。试样背面不设基材,在试样与背板间设置宽80 mm空气间隙;试样背板为厚12 mm、密度900kg/m3的硅酸钙板;试样受火面为制品表面。

按照GB 8624—2012第5.1的相关条款判定以下试验制品燃烧性能等级。

(1)燃烧分级。该建筑膜材燃烧性能符合B级的规定要求,附加分级符合s2,d0,t0级的规定要求,即燃烧性能等级为B1(B-s2,d0,t0)。

(2)直接应用领域。本分级在该制品背面无其它基材条件下有效。

与2.1.1相同。

聚酯纤维基聚乙烯(PE)建筑膜材以聚酯纤维为基材,表面涂层为聚氯乙烯(PVC),面层上涂覆聚乙烯(PE)。

按照GB 8624—2012第5.1的相关条款判定以下试验制品燃烧性能等级。

(1)燃烧分级。该建筑膜材燃烧性能符合B级的规定要求,附加分级符合s3,d0,t0级的规定要求,即燃烧性能等级为B1(B-s3,d0,t0)。

(2)直接应用领域。本分级在基材防火等级达A1或A2;采用机械方式固定;无空隙;无接缝条件下有效。

建筑膜材本身属于难燃材料,只有遇到明火时才缓慢燃烧,燃烧过程中也不会产生任何高温燃烧滴落物和有毒气体,但在受热后表面收缩拉紧变薄,达到其临界温度后开始融化,可能会出现破洞[3] 。可是实际火场温度高、热量足,当火场温度超过其临界温度时,建筑膜材也许就会发生燃烧。加之气膜建筑跨度广、体量大,火势可能会迅速蔓延,并产生大量烟气,不利于人员疏散,还会对建筑结构的整体稳定性造成破坏。TPO、PVC、EPDM三种膜材的燃烧性能试验见图1。

通过对建筑膜材大尺度点燃性试验,可以观察到不同高度下建筑膜材燃烧的动力学现象,获得膜材性能参数变化以及燃烧临界温度[3] 。进行了某聚酯纤维基聚氯乙烯(PVC)建筑膜材的大尺度点燃性试验,以考察样品在实际火灾中传播火焰的性能和样品受热后熔融滴落现象的趋势,试验结果见图2。

点火后观测,样品约在260℃时会融化,395.5~407.6℃时达到临界温度开始燃烧,在600 s内未出现明显熔融滴落现象,但燃烧时有少量黑烟产生。随着接近其融化温度,材料会软化、形成孔洞并造成材料破坏,这样会为火灾提供通风条件。但由于该膜材很薄、很轻,更多分散的碎片会被热烟带走,而不是掉落在地面上。在直接火焰的作用下,膜材将燃尽;但若离开了火源,膜材自身立即停止燃烧,即自熄。熄灭火焰后,观测到燃烧产物以一定的黏稠态存在,不完全是热固性材料的燃烧状态。

气膜结构所具备的良好性能特点给它带来了明显的优势,包括:超大空间性,施工难度低,建设周期短,可移动搬迁,造价成本低,节能环保性,空间洁净性,全智能控制,防火防灾能力强,建筑组合形式灵活等,如表4所示。

气承膜建筑用于大空间比普通建筑更有利:

(1)由于气膜建筑气密性好,构建的大空间上部可以蓄烟,故热烟气下降缓慢,且有着上托气膜的作用,这使得可用疏散时间更长,同时保障消防员安全。根据美国规范ASCE17-96计算,在停电失压情况下,顶部塌落到2.1m高时的时间均大于10 h。

(2)由于膜内是正压,B1级建筑膜材如果烧熔,则烧熔部位会形成排烟天窗。如果火灾将气膜烧破一个2 m2面积的洞口,顶部塌落到2.1 m高时的时间均大于1 h;如果火灾时将所有应急门打开,顶部塌落到2.1 m高时的时间均大于30min。

(3)设置分隔水幕和档烟垂壁,满足防火、防烟分隔要求;安装气体灭火系统,保证室内重要设备安全;布置机械单元风口,减缓烟气下降;使用特殊防火材料,确保结构中7 m以下的膜材更安全。

(1)工业厂房:一是其自重轻的特点保证了厂房选址灵活性,受地质条件影响小,土地利用率大大提高。二是气膜建筑全封闭的建筑构形、单一的进出风系统,能保证厂房空间所需的洁净度要求,可应用于食品加工业、医药卫生业、高端电子加工制造业、材料和生物工程、航空航天等领域的洁净厂房、空调厂房。

(2)展览展示:除了常见的展览馆、博物馆、宴会厅外,气膜结构质轻的特点使其可以在各种结构上构形,作为流动展示中心宣传。

(3)还可用于物流行业、体育场馆、军事领域、农业方面、环保产业、应急救灾、极端条件下的人造空间等。

赤峰二道井子遗址保护馆地上1层,建筑高度25.50 m,建筑面积9772.13 m2,建筑功能为遗址区、展厅等,该馆内部有挖掘出的古代文化遗址,围绕遗址保护区四周有7 m宽的走道,参观游客都在走道上活动(见图3)。为最大程度对遗址进行保护,该遗址保护馆采用气膜结构,建筑耐火等级为二级,无室内消防给水系统、自动喷淋灭火系统、防排烟系统、火灾自动报警及消防联动控制系统。

气膜结构的稳定性和大空间建筑的使用功能使得建筑设计防火问题变得特殊而又困难。防火设计难点在于:一是建筑耐火等级,遗址保护馆属于重要公共建筑,根据规范要求其耐火等级不应低于二级。但由于其采用气膜结构形式,缺乏明确的规范对其防火措施和策略进行规定,气膜建筑的耐火极限能否达到二级耐火等级的要求需要加以论证。二是防火分区面积,根据GB 50016—2014规定,该遗址保护馆防火分区的最大允许建筑面积为2500 m2。该保护馆的遗址保护馆建筑面积为9772.13 m2,只设1个防火分区不符合规范要求,但其建筑形式、通风条件和火灾荷载等都不同于普通民用建筑,其合理性值得论证。

此保护馆选用的建筑膜材8028#,外观为白色板状制品,厚度0.8 mm。其内部为经编聚酯纤维基布,表面涂层为聚氯乙烯(PVC),添加了增塑剂、乙烯基含氟聚合物、灭菌丹和阻燃剂等。耐火性能满足美国加州防火规范、UL214、NFPA801和ASTM D6413等防火规范规定的2 s钟离火自熄的规定;满足ASTM E84防火规范规定的火焰蔓延指数小于25,烟雾扩散等级小于450;符合ASCE 17—96防火规范规定的ⅡB类材料。经国家防火建筑材料质量监督检验中心检验,其产烟毒性为ZA1级,燃烧性能达到GB 8624—2006的B级,相当于达到GB 8624—2012的B1级。对选用的建筑膜材进行燃烧特性试验,并分析结构火灾危险性、防火安全性,验证气膜结构储烟的有效性,运用性能化方法对消防设计的可行性进行分析并提出相应的解决方案。结果显示,该保护馆在加强消防设施的有效保护下,可达到规范要求的同等安全水平,即该项目现有消防设计可行。