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膜结构材料的应用前景

膜结构材料一般以高强度聚酯工业纤维或玻璃纤维机织物为基材,两面复合或涂覆聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)高分子材料而成,膜结构建筑具有结构轻、跨度大、安装快、成本低、防火难燃和安全性高的优点。
膜结构所用纺织膜材料一般由基布和涂层两部分组成。基布主要采用聚酯纤维或玻璃纤维材料等;涂层材料主要采用聚氯乙烯和聚四氟乙烯等。膜结构材料起源于欧美,在多个方面和领域得到了广泛的应用。最适合用于体育场、剧场、飞机场和车站候车室、展览馆、仓库等建筑。
现代膜结构最初是在德国发展起来的,其基本特点、力学特性、设计方法和作为结构体系的潜力也是在德国得到研究。1967年德国设计,并采用膜结构材料建设的蒙特利尔的万国博览会德国馆,在建筑史上具有广泛的国际影响。膜结构如今已成为现代建筑的有机组成部分,世界各地建造了许多设计精良的膜结构。 自2002年起,我国先后通过引进发达国家的先进技术和装备开始PVC膜结构材料、PTFE膜结构材料和PVDF的研发和生产。但是,由于应用时间短、技术水平低、装备限制大、生产效率低,在产品物理性能(如自洁性能、使用寿命)和力学性能(如拉伸强度、抗撕裂性能)等方面与国外产品有较大的差距,已经成为目前膜材料行业产品提升和拓宽应用过程中急需解决的关键课题。目前,每年所需高性能膜结构材料40多万吨(合4亿m2)中仍有90%依赖进口。
欧美、日本早期的膜结构主要采用PVC涂层的聚酯纤维膜,该膜材料具有强度较高、抗撕裂性能较好,能够满足早期膜结构建筑的需要,但是该材料存在着自洁性能差、不耐紫外线、使用寿命短以及在恶劣气候条件下存在发生事故的可能。后来大跨度膜结构建筑的建设,强度高、自结性能好的PTFE涂层玻璃纤维膜得到了更广泛的应用。上世纪90年代又研发成功PVF和PVDF膜结构,并且在工程中得到应用。 膜结构的著名生产企业主要集中在美国、日本和德国等少数几个发达国家。PVC膜以及PVF膜、PVDF膜主要由法国(Ferrari公司)、德国(Mehler(米乐)公司、Durakin公司)、美国(Seamen公司)和韩国(秀博公司)生产;PTFE膜主要由日本太阳工业株式会社、日本旭硝子株式会社等生产;另外,ETFE膜只有日本旭硝子株式会社等三家企业生产,由于价格昂贵、施工要求高,只用于特定的运动场馆建设。
我国膜结构建筑发展相对较晚,从1995年开始,只建造了一个面积为3300m2的膜结构,1997年前国内只有少量小型和中型的膜结构建筑;1997年上海举办第八届全运会,其主体育场的看台挑篷采用膜结构,挑篷面积达到3.6万m2,可同时容纳8万名观众。这是我国第一次在大型体育场馆采用膜结构建筑的屋顶,为我国采用膜结构建筑掀开了新的一页,对我国膜结构建筑的发展具有重大的影响。上海体育场采用玻纤PTFE膜材料,全部系进口产品。
从1997年至2001年,五年内建造的膜结构达37万吨;2003年建造的膜结构约18万吨;2005年、2006年建造的膜结构分别超过33和40万吨。预测我国的膜结构将继续以每年15~20%速度增长,2010年将达到60万吨。随着我国经济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。
膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式,以性能优良的织物为基材,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。膜材的最大特点是强度高、耐久性好、防火难燃、自洁性好,不受紫外线影响,使用寿命在15~25年,具有高透光率,对热能反射率73%,热吸收量很少。这种独特的结构有着无限的潜力,能适应各种功能,具有强大的生命力,必将成为21世纪建筑结构发展的主流。

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