化學(xué)工業(yè)的發(fā)展使高分子膜材料受到廣泛關(guān)注。20世紀(jì)60年代，美國、日本、德國等國家開始開發(fā)用于建筑領(lǐng)域的膜結(jié)構(gòu)材料。與傳統(tǒng)建筑材料不同，膜結(jié)構(gòu)材料成本低、拆卸方便，且具有良好的透光率，可在白天節(jié)約大量照明能源。另外，膜材料的形態(tài)可設(shè)計性使其在建筑師手中具有極強的藝術(shù)表現(xiàn)潛力?？偟膩碚f，建筑膜結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)點使其逐漸受到人們的關(guān)注，且市場日益增大。加強自主研發(fā)、提升產(chǎn)品競爭力、開發(fā)具有獨特功能和良好耐久性的建筑膜材料已成為推進(jìn)我國建筑行業(yè)發(fā)展的重要方向之一。
　　
　　1 膜結(jié)構(gòu)的分類
　　
　　膜結(jié)構(gòu)由膜材料和支撐組件構(gòu)成。根據(jù)構(gòu)造和受力特點的不同，常見的膜結(jié)構(gòu)可分為骨架式、張拉式、充氣式等3類。
　　
　　骨架式膜結(jié)構(gòu)主要作為表皮材料使用，剛性骨架為其提供支撐，是結(jié)構(gòu)的主要承力部分。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工簡單，但無法體現(xiàn)出膜材料本身的特性，通常用于覆蓋建筑表面。
　　
　　張拉式膜結(jié)構(gòu)使用支撐桿或索對膜材料施加預(yù)應(yīng)力使其形成穩(wěn)定的曲面來維持建筑的結(jié)構(gòu)形態(tài)。這種形式的膜結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮膜材料的性能，且具有很高的可塑性，最能夠體現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)材料的藝術(shù)創(chuàng)造力。
　　
　　充氣式膜結(jié)構(gòu)包括氣承式和氣囊式兩種。氣承式膜結(jié)構(gòu)利用其內(nèi)部與外部空氣壓力差為膜材提供預(yù)應(yīng)力，故受外界條件影響較大，并且難以承受惡劣的氣候條件。而氣囊式采用雙層膜結(jié)構(gòu)，因內(nèi)部填充氣體使其具有一定的剛度，因此氣囊式膜結(jié)構(gòu)比氣承式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性好。
　　
　　2 建筑膜材的種類及性能
　　
　　膜結(jié)構(gòu)建筑中最能夠體現(xiàn)其外在特點的就是膜材料本身，常用的材料主要分為織物膜材料和箔片兩大類。織物膜材料是一種復(fù)合材料，主要由基層、涂層和面層組成。其中基層由纖維織造而成，為膜材料提供力學(xué)性能。涂層和面層為基層提供保護(hù)，賦予膜材一定的功能性和耐久性。根據(jù)基層纖維和涂層的種類可將膜材料分為以下三大類：聚四氟乙烯（PTFE）涂層玻璃纖維織物、聚氯乙烯（PVC）涂層玻璃纖維織物和PVC涂層聚酯纖維織物。箔片則為非織造類建筑材料，由聚合物直接制備而成，近年來發(fā)展迅速。在各類常見的膜材料基礎(chǔ)上通過結(jié)構(gòu)的改變和材料的改性又可開發(fā)出具有不同功能的新型膜結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于各種建筑場合。
　　
　　2.1 PTFE建筑膜材料
　　
　　PTFE膜材料是在超細(xì)玻璃纖維織物上涂覆PTFE樹脂加工成的一種復(fù)合材料。其加工采用浸漬法，使用PTFE樹脂對玻璃纖維織物進(jìn)行多次浸漬直到膜材料達(dá)到一定的厚度和克重，因此玻璃纖維原料的性能和浸漬過程的參數(shù)選擇是關(guān)鍵。普通的玻璃纖維由于其脆性和較小的伸長率難以織造成基布。一般來說，玻璃纖維的直徑越小，其強度越高。因此，超細(xì)玻璃纖維既能夠滿足織造要求，又可為膜材料提供適當(dāng)?shù)膹姸取＝n過程中的分散液濃度、烘焙溫度和時間等決定了布面與PTFE樹脂的結(jié)合程度。PTFE具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、電絕緣性、耐腐蝕性、抗老化性和阻燃性，而玻璃纖維具有高強度和不燃性，故PTFE膜材料除擁有較輕的質(zhì)量、良好的力學(xué)性能外，還具有良好的功能性和耐久性。
　　
　　PTFE玻纖膜材料的斷裂強力由基布決定，玻璃纖維的高強度和低伸長率，使膜材料具有良好的抗拉強度和抗撕裂強度，即使在長期載荷下也不會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力松弛和蠕變。PTFE的阻燃性和玻璃纖維的不燃性使膜材料的阻燃性優(yōu)良，同時PTFE膜材料耐低溫，可在-180～260℃條件下長期使用。PTFE/玻纖膜材不易與其他物質(zhì)粘黏，即使表面有少量灰塵和污漬，經(jīng)過雨水沖洗也可達(dá)到自清潔的效果。PTFE膜材對太陽光有良好的透射率，陽光在其內(nèi)部的漫反射可使其在白天制造出優(yōu)秀的視覺效果。憑借這些優(yōu)異的性能，PTFE膜材料成為永久性膜材的常見選擇。
　　
　　沙特阿拉伯的標(biāo)志性建筑——阿卜杜拉國王石油研究中心（KAPSARC），整體就大量采用了PTFE/玻纖膜結(jié)構(gòu)材料。六邊形棱柱蜂窩結(jié)構(gòu)呈連續(xù)的有機晶體狀布局，既為建筑內(nèi)部提供了適當(dāng)?shù)墓饩€，又賦予其充滿藝術(shù)氣息的外觀。對于PTFE/玻纖膜材料來說，在設(shè)計過程中最重要的是考量其強度和透光性。為了避免對織物進(jìn)行補強或引入表面電纜，所用織物需達(dá)到高于標(biāo)準(zhǔn)要求的斷裂強度。KAPSARC采用雙層膜結(jié)構(gòu)以確保膜材料的強度，但影響了其透光性。這是因為膜材內(nèi)的纖維數(shù)量不僅與斷裂強度有關(guān)，還影響太陽能的傳輸。改善的方法是增強紗線內(nèi)纖維的扭曲和抱合，使紗線線密度降低，紗線之間的孔隙在織造時變大。因此，即使使用了相同數(shù)量的玻璃纖維，由于有效減少了材料的固體部分，間隙變大，更多的光可以通過。
　　
　　2.2 PVC類建筑膜材料
　　
　　PVC膜材料采用的基層材料通常為聚酯纖維織物或玻璃纖維織物。PVC膜材料在原料及加工成本上均比PTFE膜材低，且具有柔性好、易于施工的優(yōu)點。但在強度、耐久性等方面，后者比前者具有明顯優(yōu)勢。PVC膜材的制造工藝包括貼合法、壓延法、涂層法等3種。貼合法是將兩層PVC膜置于基層織物上下兩側(cè)，利用熱輥使PVC膜在一定溫度和壓力下與基層織物貼合；壓延法是將PVC粉與增塑劑等原料混合后，使用熱輥與基層織物黏合；涂層法使用刮刀將液態(tài)PVC涂抹在基層織物兩面后，烘干固化成為整體。PVC膜材料的缺點之一是表面容易沾污，因為PVC中增塑劑等小分子向表面遷移，膜表面性能變差的同時，透光性下降。由于膜材的涂層PVC和聚酯纖維都是高分子聚合物，在使用過程中長期暴露在大氣環(huán)境下，受到風(fēng)、雨、熱、紫外線等的作用后發(fā)生“老化”現(xiàn)象，引起材料斷裂強力和斷裂伸長的降低、顏色加深等，最終使材料喪失原有的功能。因此，PVC類膜材料的使用年限較短，一般無法直接作為永久性建筑材料使用。
　　
　　巴塞羅那的名為“Cloud 9”的建筑使用了一種以PVC/聚酯纖維膜材料制造的可收縮、可變形結(jié)構(gòu)。在夏天，PVC薄膜可過濾85%的紫外線起到防曬作用，而且充氣式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充氮氣混合物可阻擋太陽光線。在冬季，膜結(jié)構(gòu)由于氣溫的降低而產(chǎn)生體積收縮，能夠更好地吸收太陽光，最大限度地將光和熱傳輸?shù)浇ㄖ镏小?br /> 　　
　　為了提高PVC膜材料的耐候性，通常在其表面涂覆一層聚偏二氟乙烯（PVDF），對其進(jìn)行保護(hù)。PVDF是一種高分子量半結(jié)晶氟聚合物，具有優(yōu)異的抗紫外線和耐老化性能，常溫下可溶解在有機溶劑中，故需要使用增塑劑和偶聯(lián)劑增強涂層與織物間的結(jié)合。該膜材料的使用年限比普通PVC膜材高，且擁有良好的自清潔能力和日光反射能力。美國橋梁國家實驗室（ORNL）的研究發(fā)現(xiàn)，涂覆PVDF涂層的屋頂測試樣板經(jīng)過幾十年的暴曬仍能保持高于90%的日光反射率；含70%PVDF樹脂的涂料在經(jīng)10年老化測試后，光澤度仍保持在原來的85%以上，經(jīng)22年曝曬后，光澤保留率大于55%。
　　
　　聚氟乙烯（PVF）也是常用的處理PVC表面的材料，PVF膜材料具有優(yōu)良的耐老化性和機械強度，且表面疏水、不粘性強，擁有良好的自清潔性。雖然PVF屬于熱塑性樹脂，但其熔融溫度接近于分解溫度，成形加工困難。與此同時，較低的表面能也使其與織物表面復(fù)合較困難，所以PVF膜材的加工難度較大，在建筑膜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用受到一定限制。
　　
　　2.3 ETFE建筑膜材料
　　
　　ETFE膜材料由乙烯和四氟乙烯共聚物制成，較之上述涂層織物的復(fù)合膜材，其最大特點是具有極佳的延展性和透光率。ETFE膜材料具有超薄的厚度和極小的重量，再加上優(yōu)異的延展性和斷裂強度，使其具有很強的可塑性。除此之外，ETFE膜材料的自清潔性優(yōu)異，表面較低的摩擦系數(shù)使風(fēng)沙灰塵難以附著，在雨水的沖刷下就能恢復(fù)清潔。ETFE膜材料在使用后，可直接回收利用，綠色環(huán)保。ETFE膜的結(jié)構(gòu)一般為張拉式或氣枕式。單層張拉式ETFE膜結(jié)構(gòu)擁有十分優(yōu)良的透光率，但單層結(jié)構(gòu)的隔音、隔熱性能較差，且在封閉建筑中使用時要注意內(nèi)外氣壓的平衡，因此在建筑中的應(yīng)用受到限制。氣枕式ETFE膜結(jié)構(gòu)源于氣囊式膜結(jié)構(gòu)，在封閉的膜材內(nèi)填充氣體，使膜面形成預(yù)張力，為氣枕提供強度。氣枕式膜材擁有更好的隔音隔熱效果，但其跨度小于張拉式結(jié)構(gòu)。同時，陽光照射引起的膜表面溫度變化以及環(huán)境中其他因素施加的載荷，使膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣壓的大小和分布產(chǎn)生變化，易使薄膜破損。因此，使用過程中，需配有相應(yīng)的溫度監(jiān)控和充放氣設(shè)備，導(dǎo)致ETFE膜結(jié)構(gòu)材料的維護(hù)成本較高。
　　
　　我國的“鳥巢”和“水立方”都采用了ETFE膜結(jié)構(gòu)。2015年竣工并開通運營的天津于家堡鐵路樞紐也使用了3層ETFE氣枕式膜結(jié)構(gòu)。為控制ETFE膜過高的透光率，在其表面印刷了不同比例的銀色圓點。同時，該工程采用4臺供氣機調(diào)節(jié)氣枕內(nèi)部氣壓，每臺供氣系統(tǒng)配有3個壓力傳感器。膜材邊界還設(shè)置有電熱絲，火災(zāi)發(fā)生時，電熱絲熔斷ETFE膜，達(dá)到排煙的目的。
　　
　　3 國內(nèi)膜結(jié)構(gòu)材料的研究和發(fā)展現(xiàn)狀
　　
　　我國的建筑用膜結(jié)構(gòu)材料發(fā)展較晚，至20世紀(jì)90年代才開始逐漸興起。近年來，我國超細(xì)玻璃纖維加工和制造技術(shù)的突破使PTFE膜材快速發(fā)展。然而，與國外相關(guān)企業(yè)相比，國內(nèi)生產(chǎn)的玻璃纖維織物的性能和基布涂層技術(shù)仍有較大差距，且產(chǎn)量較低，無法滿足快速增長的市場需求。我國生產(chǎn)的PVC膜材在強度上與國外產(chǎn)品持平，但需進(jìn)一步提高其耐久性、自清潔能力等指標(biāo)。目前，國內(nèi)對于ETFE膜材的研究還處于初級階段，相關(guān)產(chǎn)品主要依靠進(jìn)口。美國、日本、德國等較早開發(fā)建筑用膜結(jié)構(gòu)材料的國家早在20世紀(jì)80年代就對膜材料的力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究。膜材料的常見破壞形式包括拉伸、撕裂、剝離以及老化。國內(nèi)相關(guān)性能的研究最早是由高校和科研機構(gòu)內(nèi)的學(xué)者進(jìn)行的，近年來，隨著膜結(jié)構(gòu)材料的迅速發(fā)展，越來越多的企業(yè)開始加入到膜材的研究和設(shè)計中，但相關(guān)材料的質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)性能的評價體系仍處于空缺狀態(tài)。另外，發(fā)達(dá)國家如美國、日本等都已擁有各自的測試評價標(biāo)準(zhǔn)，如日本的JIS標(biāo)準(zhǔn)、美國的ASTM標(biāo)準(zhǔn)等，而我國的評價標(biāo)準(zhǔn)尚不成體系，因此需要在研究膜材性能的同時，建立一個統(tǒng)一的、成體系的評價標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　4 結(jié)語
　　
　　我國基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展和大量應(yīng)用使得建筑材料的需求增多，且愈加多樣化。作為一種區(qū)別于傳統(tǒng)鋼筋水泥建材的輕薄結(jié)構(gòu)材料，膜結(jié)構(gòu)材料具有多變的形態(tài)和外觀、較低的成本和獨特的功能。在各種現(xiàn)代建筑的設(shè)計建造中，膜結(jié)構(gòu)材料的使用正變得越來越廣泛。目前，國內(nèi)建筑用膜材料的開發(fā)與國外相比還有較大差距，在材料的加工和使用性能上還有很大的提升空間。因此，在擴大市場需求的同時加強自主研發(fā)、提高創(chuàng)新性是當(dāng)務(wù)之急。缺乏質(zhì)量檢測體系也限制了我國膜材料的發(fā)展，因此同時也需集中解決生產(chǎn)加工過程中性能評價問題。