建筑膜结构织物材料市场极具潜力

   膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式,它以性能优良的织物为材料,或是向膜内充气,由空气压力支撑膜面,或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧,从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。自从1970年代以来,膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中。膜结构已成为结构设计选型中的一个主要方案。成为化纤纺织品应用的一个重要领域。近年来在中国建筑结构中也有长足的进展。

  大阪万国博览会中的美国馆采用了气承式空气膜结构。这个拟椭圆形、轴线尺寸为 140m×83.5m的展览馆是世界上第一个大跨度的膜结构,而且是首次采用了聚氯乙烯(PVC)涂层的玻璃纤维织物。作为一种真正的现代工程结构,大阪万国博览会的展览馆标志着膜结构时代的开始。自此以后,膜结构在世界范围内得到了迅猛的发展。从跨度来说,美国庞提亚克的\"银色穹顶\"气承式空气膜结构的平面有234.9m×183m,开始采用聚四氟乙烯(PTFE)涂层的玻璃纤维织物,类似的大型体育馆在北美就建了九座。从面积来说,沙特阿拉伯吉大机场候机大厅的悬挂膜结构占地42万m2。作为膜结构一种新形式,索穹顶于1988年首先用在汉城奥运会的体操馆与击剑馆,其后又在一些体育建筑中得到推广。千年穹顶以其独特的膜结构,显示了当今建筑技术与材料科学的发展水平。

  发展中的中国膜结构

  中国现代空间结构的发展受到了西方国家先进技术的影响。近几年来,在膜结构应用上显示了活跃的趋势。虽然一开始工程规模不大,但已逐渐扩展到更大的面积和跨度。所采用的技术与材料在某种程度上还要依靠国外,但预计会有更多的工程依靠自己的力量来完成。

  在过去十年中,中国的许多城市都在筹划建设新的体育设施。由于其重量很轻的优点,膜结构往往被采用。体育建筑可以说是膜结构在中国应用的突破口。1997年之前,只建造了少量的小型与中型的膜结构,同年在上海举行的第七届全国运动会,膜结构被用在主体育场的看台挑篷,总面积达36100m2。这是中国第一次将膜材制成的屋顶用在大面积的永久性建筑上,具有深远的影响。当时涂PTFE的玻璃纤维膜材和工程安装还借助于国外鹏腾公司的力量。在上海体育场成功的建成后,虽然它的价格仍高于传统的结构,又出现了一些膜结构屋顶的体育场。

  颐中体育场座落在山东省的滨海城市青岛,这是中国第一个靠自己力量设计与施工的大型膜结构体育场,外包尺寸为266m×180m,可容纳6万观众。悬挑40m的屋盖是一个包括膜、索和钢支承结构的典型张拉体系,整个屋盖由70个锥形索膜单元组成,总面积为30000m2。

  环顾整个中国大地,新的体育中心正在一个接一个的规划,膜结构成为覆盖主体育场的优选,估计已有十多个体育场采用。在大城市中有上海(虹口区足球场)、武汉、郑州和广州,在中小城市有烟台、威海和芜湖。另一个适宜采用膜结构的对象是室内体育馆,在中国还刚开始。在华北的秦皇岛体育馆是第一个采用双层膜的工程,其平面呈椭圆形,长短轴各为112m与98m。最近的一个实例是成都的水上乐园。这个有20000m2的大型建筑用来作为死海漂浮运动。一系列拱形钢桁架跨越115m,上覆以PVC聚酯织物。

  膜结构曾被用于覆盖一些室内或室外的演出设施。大部分是由钢框架支承的张拉膜结构。建成的实例有:长沙世界之窗剧场(3500m2)、深圳欢乐谷中心表演场(5800m2)、广州海洋世界海豚馆(2840m2)和天津泰丰风雨剧场(1000m2)等。世界之窗剧场建成于1998年,是早期采用PVC覆面膜材的工程之一。

  由于图内和国际上交流的扩展,需要许多新型的会议与展览建筑。1999年在深圳召开了中国高新技术成果交易会,有两个面积为2400m2的馆采用了膜屋盖,显示了其轻质与透光的突出优点。在海南省的小镇博鳌,由于有全世界重要人物参加的一系列高层会议在此举行而闻名。主会场即采用了膜结构,施工工期十分紧迫,4000m2的膜屋盖在40天内完工。在广西壮族自治区首府南宁建造了国际会议展览中心。一个以膜材覆盖的钢穹顶位于多功能大厅上空成为整个建筑物的焦点。钢结构内外两边采用双层的PTFE玻璃纤维织物覆盖。

  膜结构还可用来覆盖各种不同的小型建筑,如加油站、收费站、服务中心、大门入口以及遮阳设施等。虽然每个工程的面积只有几百平方米,但工程的数量很多,把全国的工程加起来,膜的数量就很可观了。

  中国膜材十年仍未突破

  膜结构只有在材料问题得到解决之后才得以大量推广应用,因此关键问题是要提供满足功能要求、耐久性好与经济的膜材。用于膜结构有二种主要建筑织物,即涂敷聚四氟乙烯(PTFE)的玻璃纤维织物和涂敷聚乙烯(PVC)的聚酯织物。PTFE玻璃纤维织物具有强度高、半透明、耐火不燃以及自洁性好等优点。虽然材料的保证年限是25年,但按照实际使用的经验,其期望的使用寿命将会更长。玻璃纤维膜材的唯一缺点是价格较贵。PVC聚酯织物与玻璃纤维织物相比,其强度等性能稍差,使用年限也较短,但价格却很便宜,大约在1/5左右。加了改进其性能可在涂层外再加一层面层,聚偏氟乙烯(PVF)或聚偏二氟乙烯(PVDF)。这种面层能保护织物抵抗紫外线的侵蚀,并改进其自洁性。

  目前国内有好多厂家都能生产有PVC涂层聚酯织物,但其性能尚未能完全达到建筑织物的要求,作为建筑用的永久性材料尚需进一步提高。据悉最近有些公司正在试制有PVDF面层的聚酯织物和PTFE玻璃纤维织物,外观与性能都大有改进。

  膜结构公司大量涌现

  当前中国已出现了专门从事于膜结构制作与安装的企业,主要的有北京纽曼帝莱蒙膜建筑技术有限公司、北京市光翌空间膜技术工程有限公司等,它们都具有设计与生产的能力并已经在国内建造了一些PVC涂层织物的膜结构工程。最近的实例有青岛颐中体育场和郑州航海体育场的看台挑篷,面积都有上万平方米。此外,北京金腾盛膜结构技术公司、天津市康达膜材建筑工程有限公司、上海汉杰依膜结构技术公司、深圳欣望角空间膜技术开发公司也正在积极开展膜结构业务。过去一年中,引人注目的是在膜结构制造业中涌现了不少大大小小的厂家,估计至少有五十家,大部分位于中国的沿海城市。

  值得注意的是,国外的膜材和膜结构制造商也纷纷在中国设立办事处、代理商甚至合资企业。在膜材方面有法国的法拉利(Ferrari)、德国的米乐(Mehler)、比利时的希运(Sioen)、韩国的秀博(SuperTex)、日本的Chemfab (Saint Gobain代理)、德国的杜肯(Duraskin)以及日本的中兴(Chukoh)等。在膜结构方面有美国的鹏腾(Birdair)公司、德国的济丰(C+M)膜结构公司、欧洲的Skyspan公司等。日本的太阳工业(Taiyo Kogyo)公司已在北京设立了办事处,并在上海设立了制造工厂。这充分说明中国这个广阔的潜在市场也吸引了国外企业的兴趣。

  缺乏标准和规范

  要在中国进一步推广膜结构的应用,最主要的措施之一就是要制定标准和规范。由于大多数建筑师和工程师对这种新结构还不熟悉,标准规范可以作为设计与施工的指南。另外,这些技术文件将对制作与安装提出要求,并对允许误差作出规定。这将有助于保证膜结构的工程质量。这在中国有许多新的制造厂家进入这个行业之际显得尤其重要。

  几年前,一些研究机构和高等学校已从事膜结构的研究与开发,并建立了技术储备。大规模的膜结构建设也为制作与安装提供了有益的经验。此外,美国、日本、法国等先进国家所制定的规范标准也是可贵的参考。所有这些有利条件为在中国编制一本技术规程做好了准备。在空间结构协会主持下,\"膜结构技术规程\"编制组于2001年9月成立,编制组成员包括了研究院、设计院、大学和制造厂的代表。此后,编制组进行了大量的编写工作。规程的草案在全国范围内征求意见并通过了专家组的审查。规程的主要内容包括:总则与基本规定、材料、结构分析、构造、制作、安装、工程验收以及维护和保养。这个规程将报送中国工程建设标准化协会批准,可用于所有膜结构的设计与施工。

  发展过程艰难但前景乐观

  从多年来国内外的实践经验来看,膜结构具有强大的生命力,必将是21世纪建筑结构发展的主流。预计最能发挥膜结构优势的应用领域有:

  需要自然采光的公共建筑,如体育馆、训练房、游泳馆、展览厅等,膜材的透光性能很好地解决采光问题,又可节约能源,并给人以一种处于大自然环境中的感觉。

  轻巧而美观的膜结构用于敞开或半敞开建筑物的遮蔽屋盖尤为适宜。近年来在足球、田径等比赛的体育场中,越来越多的看台挑篷都采用膜结构。国外很多露天剧院的舞台、博览会的展览馆也都以膜材作为顶盖。在我国广大地区的农贸市场也可大力推广膜结构。

  各种类型的生产厂房与仓库,其尺寸都比较规则,因而可采用膜结构并加以定型化、商品化。这种建筑有运输、拆装方便的优点,对于紧急救灾或灾后重建也十分有用。

  在改造原有建筑物时,膜结构的自重轻是很大的优点,可以用来代替传统的屋盖。它也可用来连接毗邻的房屋,例如在商场、广场、校园中,这将有效地扩大其建筑空间。

  中国膜结构的发展规模是十分鼓舞人心的,从1995年开始,当年只造了一个面积为3300m2的膜结构。从1996至2001年,六年内建造的膜结构估计达370,000m2。由于一些大型体育场的建成,膜结构的建设以平均每年20%的速度增长。2003年建造的膜结构约为180,000m2。当膜结构第一次用于上海体育场时,恐怕有很少人会看到这在推动膜结构发展的潜力。此后,膜材被用在大小不等的体育场篷盖上,并占据了膜结构相当大的份额。最近广州新白云机场候机楼采用了膜材作为屋盖的一部分,就有巨大的58,000m2面积。候机大楼很可能成为膜结构的另一个潜在应用对象,因此有理由预测中国的膜结构将继续以每年15-20%速度增长。

  展望将来,随着中国经济的增长和文化生活的不断丰富,将建造更多的具有新颖功能、形式多样的建筑。大部分工程项目将实行国际招标,这必将吸引不少国外的设计、咨询与施工单位来参与,无疑这会给中国带来新的概念和先进的技术。同时还可以进一步带动国产膜材的技术提升,也将为国内外膜材企业的交流与合作提供机会。