膜结构建筑作为一种新颖的建筑形式于20世纪50年代在国际上开始出现。在1967年蒙特利尔世博会上, 德国展馆的膜结构建筑惊艳地展示在世人眼前, 仅由8根钢管撑起的膜结构屋顶覆盖了面积近8 000 m2的展馆。这是膜结构在大型建筑上的大胆采用, 其崭新的设计理念和魔幻般的造型带来了前所未有的视觉冲击和理念, 毫无争议地赢得了建筑设计大奖。之后, 膜结构的应用迅速发展, 为建筑师们提供了传统建筑模式以外的新选择。

膜材料的重量只是传统建筑材料的1/30, 在实现建筑结构轻量化的同时, 从根本上克服了传统结构在大跨度 (无支撑) 建筑上实现时所遇到的困难, 可创造巨大的无遮挡的可视空间。

建筑膜结构有多种类型, 较为典型的有骨架式膜、充气膜和张拉膜等。

骨架式膜结构是由钢或其他材料构成的刚性骨架, 膜张拉并置于骨架上构成, 这种结构中膜材料主要起覆盖屋面的功能, 不是维持建筑结构稳定的基本结构单元, 典型的建筑有2008年北京奥运会的主体育场——“鸟巢”。

充气膜结构包括气承式和气囊式两种, 前者利用室内外的空气压力差来支承建筑屋面, 由于难以有效抵抗恶劣气候条件, 在20世纪80年代后期逐渐淡出人们的视野;后者则利用不同形状的双层膜充气气囊承受载荷, 过去在大跨度建筑中较少使用, 但由于建筑技术的进步和轻质高透光率ETFE膜 (乙烯-四氟乙烯共聚物) 的应用, 近年来有了明显的发展, 如国家游泳馆“水立方”。

张拉索膜结构由稳定的空间双曲张拉膜面、支承杆系、支承索等构成, 在现代膜结构建筑的发展初期具有举足轻重的作用, 其中织物膜材料是维持张拉膜结构最重要的结构单元, 具有很高的力学性能要求, 是本文所研究的主要对象。

从结构组成角度而言, 膜材料是一种在织物基布上涂敷树脂或橡胶等基体材料而制成的层状柔性复合材料, 一般由3部分组成, 即基布、涂层与面层。其中, 基布提供膜材料的力学性能, 特别是抗张拉性能;聚合物涂层使膜材料具有抵御环境因素 (如挡风、防雨等) 的能力;面层则赋予膜材料自洁、抗紫外等能力。

聚酯长丝织物涂覆聚氯乙稀 (PES/PVC) 是使用最广泛的建筑用膜材料, 产品覆盖了从临时性建筑的蓬盖布到永久性建筑的厚涂层膜, 使用寿命可达20年。面层以聚氟化合物为主, 如PVDF、PVF等, 对于使用年限较短的可采用Acrylic、Uethane等涂层。聚酯纤维拉伸强度高, 弹性好, 断裂伸长率高, 有利于安装时的调整, 但是在阳光照射下纤维容易老化, 使强度和弹性降低。

另一广泛使用的建筑用膜材料是玻纤织物涂覆聚四氟乙烯 (GF/PTFE) , 具有使用寿命长、透光性好等特点, 特别适用于永久性的大型建筑。玻纤拉伸强度高, 模量大, 虽然断裂伸长小, 但是不易老化, 使用寿命长。

此外, 锦纶、芳纶和碳纤维等在某些场合也有少量使用。在涂层方面, 硅树脂 (Si R) 是一种性能优良的高聚物涂层材料。理想的膜材料最好具有PES/PVC膜的低成本易加工, 拉伸与撕裂强度高, 又具有GF/Si R的透明、耐久性, 以及PTFE涂层的自洁性等优点。因此有人建议综合上述3方面的优点, 即采用聚酯纤维基布、硅树脂基础涂层、PTFE或ETFE面涂层的织物膜材料。

国内膜材料的分类常参考日本的标准JISA, 根据防火性能的优劣可分为3类, 即:A类膜 (不燃级) , 指在玻纤基布上涂敷以PTFE为主要成分的涂层 (PTFE重量含量在90%以上) 而制成的膜材料;B类膜 (不燃或难燃级) , 指在玻纤基布上涂敷PVC、硅橡胶 (Si R) 等涂层 (包括涂敷保护性面层) 而制成的膜材料, 以GF/Si R膜材料最为典型, 并要进行防火处理;C类膜 (难燃级) , 指在涤纶、芳纶、锦纶等化纤基布上涂敷PVC等涂层 (包括涂敷保护性面层) 而制成的膜材料, 以PES/PVC膜材料最为典型, 要进行防火处理。

2004年我国颁布了《膜结构技术规程》, 将膜材料分为G类和P类, 分别对应于基布材料为玻纤和聚酯纤维的产品。G类为不燃类膜材料, P类为难燃类膜材料。根据结构承载力的要求, 分为A到E共5个级别, 如表1和表2所示。

作为膜材料的基布, 机织物是常见的结构, 织物组织以平纹和方平组织为主。为了提高基布的抗撕裂强度, 有时也采用变化平纹组织, 即相隔一定距离用双根纱代替单根纱。据称该结构可将膜材料的抗撕裂强度提高1倍。随着膜材料生产技术的进步, 近年来还出现了以双轴向经编织物或无结方格网作基布的膜材料, 进一步丰富了膜材料基布的选材范围。机织物结构稳定, 平面覆盖系数大。但它各向异性明显, 抗平面畸变性较差。

双轴向经编织物中纤维取向度较高, 纱线性能利用率高, 且由于束缚衬线的存在, 使织物的抗剪切性能有所提高。其缺点是经纬纱仅靠衬线捆绑在一起, 故经纬纱的交互作用较弱。无结方格网有着与双轴向经编织物类似的优点, 抗拉强度和弹性模量均较高, 但由于经纬纱间几乎没有相互作用, 载荷无法相互传递, 故方格网的结构稳定性差, 通常要用粘接剂粘合。

随着高分子材料自身性能的不断改善, 现代膜材料已具有诸如抗拉强度高、防水、透光、阻燃、化学和机械性能稳定等诸多优点, 但其生产加工的关键技术仍然只为少数公司所垄断。在国外, 特别是在德国、美国、英国和日本等工业化国家和地区, 建筑用膜材料制造业已达到了很高的技术水准, 并取得了很好的社会和经济效益。在此背景下近两年国产膜材料的生产研发也取得了可喜的进展。

2002年12月, 世界最大的膜结构专业生产商之一——日本太阳工业集团独资子公司在上海开工生产, 标志着该集团在亚洲的市场和产品加工中心正式转移至中国。同一年, 上海申达科宝新材料有限公司从德国引进了全自动涂层材料生产线, 于2003年底安装完毕并试车, 目前已能生产幅宽达4 m的各种PVDF和Acrylic等建筑用膜材料。北京帆布厂佳泰蓬盖材料分厂是国内较早生产PVC涂层布的专业厂家, 该厂全套引进了年产能达400万m2的德国经编生产线和相应的意大利涂层设备, 主要生产双轴向经编PVC膜材料。此外, 上海豪普膜结构工程技术有限公司、浙江宁波天塔聚氟玻璃纤维有限公司等单位也声称已研制出永久性建筑用PTFE膜材料。

膜材料的拉伸性能包括拉伸模量和断裂强度。其中, 拉伸性能取决于基布的相应特性。而常见的基布是机织物或双轴向经编织物, 均拥有经纬向相互垂直的纱线系统, 使得膜材料表现出明显的正交各向异性。在荷载作用下, 基布中纤维丝束本身的应力/应变行为具有非线性, 同时经纬纱会因交织而产生屈曲, 纤维丝束除在外力作用下会出现弹性变形外, 还将发生结构性的位移, 从而使得膜材料的应力/应变关系呈现出较强的非线性。另外, 膜材料在应力作用下还表现出粘弹性力学性能。

然而, 在膜结构的设计中, 如果同时考虑膜材料的非线性、粘弹 (塑) 性和正交各向异性将会带来巨大的计算工作量, 因此在目前的设计工作中, 往往根据实际情况作简化处理。一是依据膜结构所采用的张拉预应力及设计工作应力远远小于膜材料的抗拉强度 (通常预应力不超过5%的抗拉强度, 工作应力不超过20%的抗拉强度) , 在设计应力范围内, 认为膜材料是处于弹性阶段, 不考虑其非线性;二是根据膜材料在安装前通常要经过两次张拉, 消除了绝大部分残余应变和蠕变的影响, 认为膜材料是完全弹性材料。基于上述简化, 膜材料可采用二维正交各向异性完全弹性体的本构关系。实验结果也证明了这点, 即可利用经纬向的拉伸模量计算出膜材料面内其它方向的拉伸模量。

通过对膜材料拉伸断裂后的断口形态分析, 发现试样呈单纯拉断型、剪切型以及拉剪混合型等不同破坏模式。拉断型破坏一般发生在正轴向拉伸条件下, 如经向或纬向拉伸, 所有纤维都在同一位置断裂, 断口与加载方向相互垂直;剪切型破坏一般发生在与经向 (或纬向) 约呈45°的偏轴向拉伸条件下, 纤维依次从涂层材料中抽拔出来, 试样破坏一般发生在纤维与涂层材料的界面, 基布中纤维并未发生断裂, 因此界面粘合强度在很大程度上决定了膜材料的偏轴拉伸强度;其它方向上拉伸时, 膜材料一般呈拉剪混合型破坏模式, 即试样边部纤维从涂层材料中抽拔出来, 中部纤维则被拉断。在发生对纯拉或纯剪切型破坏模式下, Tsai-Hill强度准则能对膜材料强度做出较好的预测, 但如果试样出现拉剪混合型破坏模式, 则Tsai-Hill强度准则预测结果偏高。

膜材料的抗拉伸性能一般以其在单轴应力状态下的极限拉断强度进行表征。它主要取决于基布纤维强度、织造密度以及涂层工艺。测试膜材料抗拉强度有单轴和双轴拉伸两种方法。由于在膜结构建筑中, 膜材料均为多向受力, 因此后者更具有实际意义。然而双轴向拉伸试验仪器设备价格昂贵, 操作也较为复杂, 将其列为膜材料性能的常规性评价指标暂时还存在困难, 导致膜材料测试条件与其在膜结构中的实际承载状态并不一致, 因此在膜结构设计时通常采用较大的安全系数进行补偿。

膜材料的撕裂破坏是在膜结构安装应力或预应力作用下, 由膜材料上的初始小洞、裂缝或其他缺陷等引发, 再迅速扩大并导致膜材料整体破坏的过程。由于它与膜材料的安装和使用安全有密切关系, 因此受到普遍重视, 但是迄今为止尚未有一个能得到广泛认同的测试方法。

常见的撕裂测试方法包括双舌撕裂法、梯形撕裂法以及中心裂缝撕裂法等。对PES/PVC膜材料的测试结果表明, 采用双舌撕裂法时, 膜材料撕裂行为并非简单的撕裂三角区内横向纱线受剪或受拉破坏, 纤维与涂层材料间的界面性能、纵向纱线的拉伸强度及在横向纱线上所产生的束缚作用等对膜材料的撕裂破坏过程都会产生一定的影响。

采用梯形撕裂法时, 膜材料的撕破模式主要表现为纵向纱线系统发生不等长拉伸断裂破坏, 横向纱线系统的作用很小, 因此撕裂三角区的大小 (它与撕裂三角区内能同时承载的纱线根数有密切关系) 、承载纱线自身的断裂强力及断裂伸长率等对测试结果均有重要影响。

中心裂缝撕裂法有脆性断裂和由裂缝端点处应力集中引发裂缝扩展并导致韧性断裂两种撕破模式, 前者在试样破坏前无明显特征, 加载至一定程度时, 突然发生试样的断裂;后者则以试样破坏前的裂缝扩展为主要特征, 裂缝扩展到一定程度后导致试样发生断裂破坏。发生脆性断裂时的膜材料强力下降现象可用裂缝处的应力集中现象进行说明, 即裂缝会使试样裂缝端点处的应力远高于试样其他部位, 从而使膜材料的抗拉强力出现不同程度的降低。对于实际的撕裂试验过程, 由于试样宽度有限, 故应力集中的大小与预制裂缝尺寸密切相关。

研究结果表明, 双舌撕裂法不能真实地反映膜材料的抗撕裂性能, 不太适合用作膜材料抗撕裂性能的测试;中心裂缝撕裂法的测试结果受试样裂缝尺寸的影响较大, 在提出新的测试指标之前, 暂不宜将其测出的断裂强力直接作为膜材料的特征参数;梯形撕裂试验的撕裂模式较为单纯, 试验结果也很稳定, 是一种值得推荐的膜材料抗撕裂性能的测试方法。

由于成本的因素, PES/PVC作为建筑用膜材料在我国有很大的市场。然而在长期使用中, 特别是在紫外线、温度等的环境因素作用下, 膜材料将发生老化, 导致强度、颜色、光亮度、自洁性等性能逐渐退化。老化直接影响膜材料的使用寿命, 一般超越使用年限后, 膜材料仍具有足够的强度安全性, 但外观已经不符合建筑美观的要求。

PES/PVC的老化包括光氧老化、热氧老化、化学降解等。由于PVC膜中或多或少地含有一些其它杂质, 如支链、催化剂、烯丙基、氢过氧化物、羰基和双键等基团, 这些物质和基团形成所谓的“结构缺陷”, 在紫外线 (尤其是波长为290~400 nm的紫外线) 或者高温等因素的作用下, PVC膜中化学键断裂, 生成自由基。在氧气的作用下, 自由基引发氧化反应, 使大分子断裂, PVC发生了光氧或热氧老化, 出现泛黄、表面龟裂、光泽消失、拉伸强度下降等现象。另外, 环境中的各种化学介质也会引起大分子链的结构变化、降解等, 使材料老化。

随着PVC涂层的老化, 光照将穿过薄膜照到织物上, 基布纤维逐渐开始老化。对于聚酯纤维, 在360 nm波长时已开始吸收光, 当波长低于320 nm时, 吸收明显提高, 而在300nm以下时, 聚酯纤维对光的吸收更加明显, 引起光氧化和光降解。发生光氧化时, 主要以断链为主, 产生一氧化碳、二氧化碳和羧酸等产物。光降解过程中, 生成的烷基自由基和羟基自由基反应生成的单羟基衍生物和双羟基衍生物使聚酯纤维泛黄。

为了掌握PES/PVC的老化性能和使用寿命, 老化试验是常见的评价方法, 即:自然老化试验和人工加速老化试验。自然老化试验是将试样曝露于自然日光下或由玻璃板过滤后的日光下, 或曝露于经会聚装置强化后的日光下, 测定试样的物理、机械或其他性能的变化, 准确地反映材料真实的老化过程, 但试验周期较长, 试验结果重复性差。人工加速老化试验是用人工的方法, 以光照、温度、降雨等主要气候因素模拟大气环境条件或某种特定的环境条件, 以期在短期内获得试验结果。这种试验方法周期短, 不受区域性气候的限制, 试验条件的可控性强和再现性强, 但是由于与自然环境差距较大, 人工加速老化的结果还不能很好地预测材料在真实环境下的使用寿命。

虽然国内近年来引进或自主开发了一些膜材料产品, 但品种、产量、性能等与国外先进产品都还存在一定的差距, 特别是试验数据较缺乏, 资料积累也不够, 尚未建立原材料、半制品及成品质量的检测方法、控制方案与评估体系等。因此, 国内膜结构建筑公司多选择从国外进口膜材料, 造成建筑成本过高, 限制了国内膜结构市场的进一步发展。在我国发展膜结构建筑就必须开发膜材料, 而开发膜材料首先要解决其产品设计、生产工艺控制与产品性能评价等核心技术问题, 这有待于纺织工作者、膜材料制造商与膜结构施工单位的共同努力。

以往, 评价一栋建筑时使用寿命是最重要的指标之一, 人们往往觉得建筑的使用寿命应该在百年以上。而随着社会的不断进步和发展, 特别是在当下, 生活节奏日益加快, 这一理念正发生变化, 除了使用寿命, 人们越来越看重建筑的内在性能以及与人、自然的和谐统一。在建筑物的整个使用周期中, 每个阶段都需进行全面细致的可持续性分析, 不仅为了实现建筑材料和构件的最佳利用, 使建筑坚固耐用, 同时也需实现节能减排的目标, 尽量降低碳足迹。而为了顺应这种发展, 具有经济耐用、轻质高效、绿色环保等特点的建筑用纺织品日益受到关注。

纤维增强技术纺织品是增强纤维 (如碳纤维、玻璃纤维、一些天然纤维等) 、基体及各种粘合剂的有效整合和共同作用。为了适用于不同的应用领域, 通过各种独立元件的组合形成了建筑构件及具有不同性能的建筑材料。

德国卡尔斯鲁厄理工大学 (KIT) 研究通过玻璃纤维/PP增强织物增强砌筑房屋的墙面从而延长地震时人们逃生的时间。在该研究中, 四轴向玻璃纤维织物在地震发生时可对房屋墙面进行牵缚使其延缓倒塌, 目前这项发明已得到大规模使用。该系统犹如建筑物的防护服, 简单有效, 在房屋进行翻修时便于安装, 且带有保温层。如果增强材料中的玻璃纤维在地震时发生一些断裂, 其中的弹性PP纤维仍能与其共同作用缓解墙面倒塌。该研究团队正在研究一种用于房屋内墙的粘合支撑型防倒塌织物, 有望被用于砌筑房屋和混凝土建筑中。

德国亚琛工业大学 (RWTH) 正在研究采用一种用纺织混凝土制成的“绷带”对房屋以及一些历史悠久的古建筑进行修复。该研究基于板材加固的理念。将碳纤维增强材料与建筑砂浆进行混合, 然后通过层叠工艺形成加固“绷带”。研究显示, 这种修复“绷带”可吸收应力从而最大限度地减少房屋裂痕的产生。

德国邓肯道夫纺织工艺研究所 (ITV) 开发了一种可实现自我供能的纺织膜结构材料。目前市场上的建筑用膜结构材料在保温隔热的控制方面存在很多缺陷, ITV通过与其合作伙伴共同努力, 使膜材料的这一性能实现了显著提升。据介绍, 研究人员在研究中借鉴了北极熊的毛皮保温原理以及特种膜结构材料独特的仿毛皮特点。研究团队将黑色涂层纺织品与带有热转移层的多孔膜应用于建筑中。当阳光照射在建筑上时, 热转移层开始加热空气, 而热空气通过在整个建筑空间中的流动使整个建筑保温。该发明的最大意图即建立一个灵活的太阳能接收器, 使其成为高效的热-能转换器。

在Techtextil 2013上, 该研究所展示了使用该太阳能接收器的临时建筑。热空气通过屋顶传递给热能储存系统。该系统的独特之处在于可将热能转换成化学能并可实现近100%的储存。目前, ITV的合作伙伴之一TAO公司已对此项技术申请了专利。通过这项创新, 建筑物可在夏天储存丰富的能量以备冬天之需。在ITV的太阳能测试站, 热空气的温度可达140℃。

随着全球经济的发展, 以及人们对“绿色建筑”呼声的日益提高, 非织造布开始在建筑领域崭露头角。虽然经济不确定性的阴霾仍困扰着全球, 但非织造布行业坚持为建筑行业开发既省钱又环保的创新产品和解决方案。

在欧洲地区, 建筑用保温隔热材料的技术特点必须满足一些节能标准要求。Ziegler采用100%再生PET加工而成的非织造保温隔热材料未采用任何化学粘合剂。由于具有较强的刚性, 该材料可安装于狭窄空间内, 比如屋顶橼木间的隔热保温层等。目前, 该材料有多种厚度可选, 热导率在0.034~0.041 W/ (m·K) 之间, 而吸湿性则非常小。

Fiberweb公司开发的全能产品系统——Climat最近又有了新进展, 其最新一代配备了“运行薄膜”技术“Linopore UV+”, 兼具出色的透汽性和防进水功能, 经测试这一专利产品是同类产品中最坚固耐用的。

美国RKW公司开发的Aptra Elements™是一款金属屋顶衬料, 可有效降低建筑的能耗。该产品采用了一种基于Aptra®UV8微孔膜的特殊技术, 产品的表面反射率和发射率分别为0.97%和0.03%, 可使房屋达到冬暖夏凉的效果, 其所使用的先进材料帮助整个产品在金属表面被氧化的情况下保持强度和灵活性。产品具有透汽、防雨和耐久性, 有多种规格可选, 可用于墙面或屋顶的构件。

该公司另一款屋顶铺面材料Roof Top Guard Craftsman™基于RKW之前的屋顶铺面产品Roof Top Guard II™, 但重量降低了40%, 安装快捷。该材料具有出色的防雨性和耐久性, 是一种经济的调温产品。该产品采用反射型灰色PP非织造布, 经过涂层后, 比传统油毡的加工速度提高30%左右。产品具有极佳的防滑性, 且不易受外界湿度等影响发生腐烂, 在与屋顶板加固时可保持平整, 不会折皱或拱起。