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“水立方”的ETFE充气膜结构技术概述

发布时间:2019年12月12日 点击数:197

1 引言

作为2008年北京奥运会的标志性场馆之一,国家游泳中心“水立方”之所以成名,在很大程度上要归功于外立面所使用的ETFE膜材料。在“水立方”整个建筑的钢结构的内外表面均覆盖着ETFE薄膜,无论从室内还是室外看,均被蓝色的“泡泡”围裹着,仿佛在水下世界,凸显了建筑的主题。

2 ETFE薄膜材料性能

ETFE(Ethylene Tetra Fluoro Ethylene)的中文名称为乙烯-四氟乙烯共聚物,是一种无色透明的颗粒状结晶体。ETFE膜由生料挤压成型,是一种典型的非织物类膜材,最初由美国航天局为太空计划研制开发,是目前国际上最先进的薄膜材料。ETFE膜具有很多其他材料无法比拟的性能:(1)ETFE膜的厚度通常在0.05~0.25mm,质量约为350g/m2,只有同等大小玻璃质量的1%;(2)韧性好,拉伸强度高,不易被撕裂,延展性大于350%;(3)工作温度范围为150~200℃,熔点温度为275℃,抗紫外线和化学物质侵蚀能力强,具有极好的稳定性和气候适应性,使用年限为30年;(4)表面非常光滑,自洁性好;(5)ETFE为阻燃材料,在火焰中,ETFE膜材热熔后会收缩,但无滴落物;(6)ETFE膜材通常为透明性材料,0.20mm厚的ETFE膜材的透光率高达95%。还可以在ETFE膜材印制不同的颜色和图案,调节进入建筑内的光线。

3 ETFE充气膜结构

ETFE充气膜结构从其产生和不断发展,已有近30年。作为一种适用于大跨度空间结构并具有诸多优越性能的全新结构,越来越受到建筑师的青睐。在欧美以及中东等地区,已经有很多ETFE充气膜结构建筑建成的实例,比如,知名的有英国建筑师Nicholas Grimshaw&Partners设计的英国伊甸园;瑞士建筑大师赫尔佐格与德梅隆设计的德国安联球场和英国的Hampshire网球场与健身俱乐部等。“水立方”建成后,成为世界上规模最大的ETFE充气膜结构建筑。

4 ETFE充气膜结构体系基本构成原理

ETFE充气膜结构系统一般主要由以下几部分组成:(1)ETFE充气膜单元———气枕;(2)气枕夹具;(3)供气系统及其控制系统;(4)中间层。

气枕,就是将2层或更多层的ETFE膜材通过热熔焊接复合到一起,形成封闭的袋子,其周边用气枕夹具夹持住,再将夹具固定在建筑主体结构上,从而将气枕和建筑融为一体。在气枕内,通过预留的阀口充入经过过滤及除湿处理的清洁干燥的空气,形成具有良好保温性能围护结构。ETFE膜材一般以卷材形式供应,幅宽最大2.35m,但一般气枕的规格要远大于卷材的幅宽。所以,一般形成气枕的膜片都是将卷材热熔焊接拼接而成的[1]

制作气枕系统的流程为:(1)把多层拼接好的ETFE膜片,先焊接边缘,再与ETFE条带焊接固定,穿入尼龙绳,形成气枕;(2)气枕通过气枕夹具固定在主体结构上,这是构成充气膜结构体系的密封和防水系统的重要组成部分;(3)在气枕朝向室内一侧的膜片上,按指定位置开出一个孔洞,将充气阀焊接在孔洞上,并通过充气管与充气泵相连;(4)将气枕逐一安装到屋面和墙面上,在气枕内部充入清洁与干燥的空气,最终形成ETFE充气膜结构维护体系。

5 ETFE充气膜结构与“水立方”

ETFE充气膜对于“水立方”的功能,仅用“美丽的外观”来描述是远远不够的。在为建筑塑造完美内外观形态,给人以美的享受的同时,这层外衣也为整个建筑的物理性能和使用功能做出了突出的贡献。

5.1 建筑的热工性能

“水立方”的屋盖和墙体的内外表面均由ETFE气枕覆盖,ETFE气枕内充满的空气可以起到很好的保温隔热作用。经过试验检测和计算机计算,在静态条件下,“水立方”屋面和墙体的综合传热系数分别达到了0.68W/(m2·K)和0.85W/(m2·K),优于一般的围护结构。不仅是气枕本身,“水立方”屋盖和墙体内外表面均设有气枕,相当于采用了双层幕墙的设计方法。可以对双层气枕之间的空腔内空气流动进行合理的组织和控制,在夏季将空气腔内的热空气带出室外,冬季减少空腔内的空气流动,使围护结构达到更佳的保温隔热效果,从而大幅降低室内冬季采暖和夏季空调的运行费用。

5.2 建筑的采光性能

一般体育馆类建筑是全封闭的,很少自然采光。所以,无论白天或晚上,均采用人工照明。但“水立方”则得益于ETFE膜的高透光性,建筑内部在白天有很好的自然采光效果。经过测试分析,“水立方”在日间时,其室内的自然光照程度完全可以满足比赛需要,节省了人工照明成本。同时,在建筑不同部位的气枕膜上,采用了不同覆盖率的彩釉镀点涂镀技术,使建筑内部在获得充足自然照明的同时,保持室内照度均匀,避免了眩光。

但是高透光率对室内热工环境的影响可以说是一把双刃剑。冬季,太阳能辐射进入室内,可以减少冬季采暖负荷,但在夏季,太阳能辐射又会使建筑的制冷负荷增加。经过综合分析测算,采用透光的屋面和墙体,在夏季带来的制冷负荷的增加量要少于在冬季带来的减少量总体上对建筑节能是有利的[2]

5.3 建筑的声学性能

对于奥运比赛场馆,室内声音环境的优劣是评价建筑成功与否很重要的标准。ETFE气膜隔声能力低,作为围护结构,声音能量大部分可以穿透,而且ETFE膜材表面对噪声,尤其是高频噪声的反射能力低。所以,ETFE气枕结构对降低室内混响时间非常有利。只需要在室内适当位置设置一定量的吸声材料,即可达到混响时间要求。

赛前有人担心下雨“水立方”的雨噪声问题。设计人员对此进行了大量试验和研究,发现雨噪声对于室内的影响并不严重,最终对“水立方”并未采取任何降噪措施。北京奥运会期间曾有过较大降雨,但室内对雨噪声的感觉微乎其微,对比赛和观众均未造成任何影响。

5.4 建筑成本

在所有外围护结构所用的材料中,ETFE膜材是最轻的,其重量不足玻璃的1%,使整体建筑的自重大大减轻,从而在很大程度上节省了建筑主体结构的重量和建筑的总体造价。“水立方”总用钢量约6900t,平均每平方米建筑面积的用钢量不足90kg。与之隔路相望的国家体育场“鸟巢”,每平方米用钢量超过了400kg。虽然从单方造价上看,ETFE充气膜结构比普通材料的建筑幕墙要贵,但对主体结构负荷及成本造价的影响程度进行比较,ETFE充气膜结构具有很高的综合性价比。同时,ETFE膜具有很好的自洁性,依靠自然雨水冲刷,即可去除表面大部分灰尘,膜材料破损后也可很容易修补,因此,“水立方”后期维护和清洗的成本很低。

6 结语

“水立方”的建筑设计、外观效果和形态与拥有高科技和节能技术的膜结构外衣密不可分。正是由于主题与形式巧妙融合,造就了新颖奇特、美轮美奂的“水立方”,使其成为2008年北京奥运会的标志性建筑之一。

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