浅谈ETFE膜在建筑中的运用

浅谈ETFE膜在建筑中的运用

论文简单介绍了ETFE膜材料的特性，对ETFE膜材料在建筑中的实际运用效果进行了分析，选取了三个应用了ETFE膜的建筑实例进行调研分析，探讨了ETFE膜材料在不同建筑功能中的呈现效果与面临的问题。

标签：ETFE膜；薄膜材料；建筑设计；建筑材料

1、引言

如今建筑设计早已不局限于满足人的使用需求，建筑师们把目光更多地放在对建筑整体的美学设计的考量上，很多时候会苦于没有合适的技术和建筑材料支持建筑师表达自己的设计理念，而不得不放弃原有的设计方案。ETFE膜作为一种新型建筑材料出现，无疑可以给予建筑师更多的选择。ETFE材料制成的薄膜延展性佳，透光率高达95%，通过表面处理可以在50%-90%之间灵活调整透光性，建筑师可以将这种材料灵活地应用于顶棚、外表皮等，为建筑注入更多的活力。

ETFE材料于1947年首次被合成，并在20世纪70年代由美国杜邦公司实现产业化，从实验室走向了市场。而真正令ETFE大放异彩的，是其在2006年德国世界杯的慕尼黑安联球场以及在2008年北京奥运会的国家体育场（鸟巢）、国家游泳中心（水立方）上的出色应用。安联球场与国家游泳中心将ETFE用于建筑的外表皮，在夜晚投射灯光，建筑变得五彩斑斓；中国国家体育场则用ETFE 材料来填充顶部的钢结构单元格的空隙，满足了采光、遮蔽的基本建筑需求。

近十年来，国家对于这一类新型材料的研发与应用一直持支持态度。在环境保护和科学发展观的指导下，“绿色”、“高效”逐渐成为了产业关键词，政府出台了《新材料产业发展指南》等相关文件来鼓励发展新型材料，这也为ETFE膜的应用创造了一个良好的外部环境。我国的工业起步晚于欧美国家，化学加工工业更是极为薄弱的环节。尽管ETFE膜材料在我国有着广阔的前景，生产技术的缺乏使得其一直是一种较为昂贵的材料，在一定程度上限制了其推广。

2、ETFE材料简介

ETFE为Ethylene TetraFluoro Ethylene的缩写，其中文全称为乙烯-四氟乙烯共聚物，是一种含氟塑料。

ETFE是乙烯（E）和四氟乙烯（TFE）交替排列形成的共聚物。从分子组成上来说，ETFE与PVDF（聚偏氟乙烯）是完全相同的。但是有机化学的有趣之处便在于，结构上微妙的差异，令ETFE即保留了PVDF优秀的耐化学性、耐老化性，又使其机械性能得到了改善，延展性也大大提升。这些优良性能再加上易于加工的特性，使其成为高性能工程塑料的一员，发展迅速。

3、ETFE膜的建筑材料性能

3.1安全性

安全是材料应用到建筑上的基础。没有安全作为保证，性能再优秀的材料也难以被推广使用。ETFE膜在安全方面主要体现在以下几点：

1）质量轻。ETFE制成的膜材料厚度一般在20～300μm，材料本身的密度在1.7g/cm?左右，因此ETFE膜质量一般非常小，即使脱落也几乎不会造成人员受伤。

2）抗拉强度大。对于膜材料的力学性能研究一般采用单轴拉伸试验，测量的参数包括屈服强度、弹性模量。根据同济大学建筑工程系测得的数据，厚度2.5mm的ETFE膜的抗拉强度49.5MPa，相当于撑起一辆普通小轿车的压强。

3）化学性能稳定。ETFE膜在-65°C以上、110℃以下都十分稳定，足够适应大部分情况下的室外温度，不会因为受热、受光照产生有害气体。

4）耐火性强。ETFE膜不易燃烧，能达到耐火材料国家标准B1、DIN4102的级别，可作为阻燃材料。

5）耐腐蚀性强。ETFE膜作为一种含氟塑料，具有优秀的耐腐蚀能力，使用寿命可达20年，甚至更久。

3.2功能性

ETFE膜在功能方面主要有以下几个特性：

1）透光率高。ETFE膜的透光率可达到95%，与普通玻璃的透光率相当。波长在108～104m之间的光均可以几乎无损耗地穿过ETFE膜，这也就保证了将ETFE膜用于采光的建筑室内自然光的强度。通过对膜材料进行表面印刷，还可以将透光率调整至50%，以适应不同条件下的情况。

2）导热性低。ETFE膜的传热系数K=2.0W/㎡·℃，导热系数λ=0.10W/m·℃。通常将导热系数λ<0.23W/m·℃的材料称为绝热材料，因此ETFE膜拥有理想的保温隔热的效果。

3）反射率低。ETFE膜的反射率远低于玻璃材料，可以有效缓解光污染。

基于这些特性，ETFE膜材料被應用于动物园、植物园以及体育场馆的顶棚。不同于其他透明材料，ETFE膜配合建筑照明设计，可以营造出变化极其丰富的光环境，达到很强的视觉效果，常被作为幕墙或多建筑的外表皮，国家游泳中心（水立方）就是一个最典型的例子。

3.3 清洁与维护

1）易清洁。ETFE膜的摩擦系数极小，附着在表面的灰尘与污渍可以很容易被雨水冲刷干净，水分子也会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、传统玻璃轻松的多。易于清洁加上清洁周期长，大大降低了ETFE 膜的清洁成本。

2）易维护。ETFE膜作为一种膜材料，维护起来是非常容易的。首先其性能的优秀令ETFE膜很少出现损坏；若出现了微小的破损，用特制的胶布修补即可；若修补无法达到使用的最低强度，可以联系生产厂家对单块ETFE膜进行更换，而破损的ETFE膜可回收利用，经熔化后重新进入ETFE膜的生产。

3.4 ETFE膜材料与其他建筑常用有机材料的性能对比

选取与ETFE类似的PTFE（聚四氟乙烯）、PVC（聚氯乙烯）等建筑常用有机材料的与建筑应用相关的指标进行比较，得出下表。表格中，机械性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等；阻燃性中VOI%为氧指数，数值越大，表示阻燃性越好；耐候性指经受室外气候考验的耐受能力；透明性指薄膜制品。根据此表，可以发现，ETFE膜集PTFE、PVF的优秀性能于一身，在具有均衡的机械性能、出色的耐候性、耐腐蚀性的基础上，还易于加工成型，以便于适应在不同建筑的需求。

4、ETFE膜在不同建筑中的应用

4.1 慕尼黑安联球场

慕尼黑安联球场（Allianz Arena）是德甲巨人拜仁慕尼黑的主场。设计者瑞士建筑师赫尔佐格与德梅隆将ETFE膜几近完美地运用在了安联球场之中：他们将ETFE膜制成菱形的气枕结构，镶嵌在球场钢材质的外骨架上。2874个半透明气枕首尾相接，紧紧包裹住整个球场表面，在阳光下闪烁着微光。每逢比赛日，气枕内部的反光装置发出红光，美妙的酒红色映在表面，将整个球场化身为晶莹剔透的红宝石，在巴伐利亚的夜色中闪耀。

2005年至2014年期间，安联球场曾是拜仁慕尼黑和慕尼黑1860的共有主场。为了强化球队与球迷的身份认同感，赫尔佐格与德梅隆令发光装置在拜仁比赛时打上代表球队的红光，而慕尼黑1860比赛时则打上标志性的蓝色。超越语言和文字的信息传递，让路过的人远远便可以依靠球场的颜色辨认出比赛的球队。

精巧的结构，壮丽的外观以及变幻的颜色，令安联球场成为了慕尼黑乃至德国的荣耀，而这其中ETFE膜材料起到了无可替代的作用。半透明的ETFE膜气枕既保证了白天球场内的采光，又为黑夜中的球场呈现不同颜色提供了可能，可以说是整座建筑的设计中最精妙的一笔。