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。

4.2 苏黎世动物园马苏阿拉热带雨林馆ETFE膜常被用于创造精彩的视觉效果，同时，其保温隔热的性能也被建筑师所看重，苏黎世动物园的马苏阿拉热带雨林馆就是个很好的例子。

热带植物生长在全年高温多雨的气候中，一座位于北纬47°的北温带动物园想要营造出适合热带植物的环境，依靠全年连续不断地供应暖气与水汽增温增湿显然会耗费极大的成本。

设计团队考虑到了这一点后，选用了ETFE膜作为雨林馆顶棚。

ETFE膜高透光性令自然光可以穿过薄膜同时不阻挡紫外线，加上保温隔热的特性使得雨林馆内形成了温室效应，在阳光的照射下便可以迅速上升至适宜热带植物生长的温度；ETFE薄膜的轻质性减少了顶棚建造时所需的支撑柱，为高大的雨林植物提供的更多的生长空间；同时弧型的屋顶有利于雨水带着灰尘向两侧迅速排走，使得ETFE薄膜很少需要进行人工清洁。

4.3 郑州大学（南区）地铁站出入口不仅大型建筑常使用ETFE膜，我们身边的小型建筑也可以通过ETFE膜而展现出独特的生命力。

地铁站常常带有一个城市的风格特点，从一个小的侧面反映出了当地的经济发展状况、文化氛围与历史背景。

郑州大学（南区）地铁站出入口的设计灵感来自于具有中原文化特色的“蔡侯纸”。

为了表现出“折纸”的意象，同时契合郑州二七纪念塔的节奏韵律，设计者利用ETFE膜易于成型的特点，将地铁站出入口塑造出了折叠变化的形态。

由于出入口的ETFE膜有着良好的透光性，可以借助自然光或周围的路灯等光源而减少照明系统的安装，一定程度上降低了能耗。

结合了现代技术与历史传统的郑州大学（南区）地铁站出入口，很好地融入到了周围华灯璀璨的环境之中却又不失底蕴，承载了郑州城的古都风韵。

4.4 小结表格简单总结了ETFE膜材料在三个的建筑案例中发挥的不同作用。

总的来说，ETFE膜拥有着其他建筑材料无可比拟的优良性能，在多项不同类型的建筑中的完美应用，证明了它不仅可以给予建筑具体的功能上的帮助，还可以为建筑师提供表达自己独特设计理念的手段。

5、ETFE膜材料面临的问题5.1 生产技术由于国内化学加工工业起步较欧美国家晚，生产ETFE的工艺和设施是不完备的。

考虑到市场占有率与成本带来的风险，国内很少有企业去实现对ETFE的产业化。

另一方面，尽管ETFE膜本身是一种绿色的环保材料，其原料四氟乙烯等物质是具有一定毒性的。

国内技术手段的不完善使得生产过程无法完全处理好生成的有毒有害物质，会对环境造成一定的污染。

目前国内ETFE材料主要依靠向杜邦公司、旭硝子公司、3M公司、苏威公司和大金公司等外国公司进口，这也让ETFE膜在国内一直属于一种较为昂贵的建筑材料。

5.2 安裝、使用时的限制性因素ETFE膜对于生产、安装时的工艺精度要求非常高，钢结构微小误差，有时便会导致ETFE膜受力不均而发生破裂。

国家体育中心（鸟巢）在原本的计划中使用中心对称的结构，一半的单元格完全相同，而实际施工时发现钢结构安装的误差已经超出了原本尺寸的ETFE膜的承受范围，不得不进行了两次重新测量。

尽管ETFE膜自身具有良好的自洁性，但是由于膜与膜之间需要使用钢材等进行连接与支持，连接处很容易有雨水聚集，给ETFE膜带来受潮、污垢堆积的问题。

虽然通过对连接结构上的改进可以减缓甚至避免这一情况的出现，但是这或多或少会限制ETFE膜的使用。

5.3与传统采光材料的比较此处选取了ETFE膜相比传统采光材料的不足之处作为比较的指标，这些弊端使得ETFE膜无法广泛地替代传统玻璃在建筑中的应用，也限制了ETFE膜的推广应用。

结语：ETFE膜性能优异，在多项建筑任务中都证明了自身价值。

ETFE膜在国外建筑的使用历史不过短短十几年，仍然存在许多不足之处。