“水立方”的ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)技術(shù)概述

侯亦南

（中國建筑上海設(shè)計研究院有限公司，上海200062）

1 引言

作為2008 年北京奧運(yùn)會的標(biāo)志性場館之一，國家游泳中心“水立方”之所以成名，在很大程度上要?dú)w功于外立面所使用的ETFE 膜材料。在“水立方”整個建筑的鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)外表面均覆蓋著ETFE 薄膜，無論從室內(nèi)還是室外看，均被藍(lán)色的“泡泡”圍裹著，仿佛在水下世界，凸顯了建筑的主題。

2 ETFE薄膜材料性能

ETFE（Ethylene Tetra Fluoro Ethylene）的中文名稱為乙烯-四氟乙烯共聚物，是一種無色透明的顆粒狀結(jié)晶體。ETFE膜由生料擠壓成型，是一種典型的非織物類膜材，最初由美國航天局為太空計劃研制開發(fā)，是目前國際上最先進(jìn)的薄膜材料。ETFE 膜具有很多其他材料無法比擬的性能：（1）ETFE 膜的厚度通常在0.05～0.25mm，質(zhì)量約為350g/m2，只有同等大小玻璃質(zhì)量的1%；（2）韌性好，拉伸強(qiáng)度高，不易被撕裂，延展性大于350%；（3）工作溫度范圍為150～200℃，熔點(diǎn)溫度為275℃，抗紫外線和化學(xué)物質(zhì)侵蝕能力強(qiáng)，具有極好的穩(wěn)定性和氣候適應(yīng)性，使用年限為30 年；（4）表面非常光滑，自潔性好；（5）ETFE 為阻燃材料，在火焰中，ETFE 膜材熱熔后會收縮，但無滴落物；（6）ETFE 膜材通常為透明性材料，0.20mm 厚的ETFE膜材的透光率高達(dá)95%。還可以在ETFE 膜材印制不同的顏色和圖案，調(diào)節(jié)進(jìn)入建筑內(nèi)的光線。

3 ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)

ETFE 充氣膜結(jié)構(gòu)從其產(chǎn)生和不斷發(fā)展，已有近30 年。作為一種適用于大跨度空間結(jié)構(gòu)并具有諸多優(yōu)越性能的全新結(jié)構(gòu)，越來越受到建筑師的青睞。在歐美以及中東等地區(qū)，已經(jīng)有很多ETFE 充氣膜結(jié)構(gòu)建筑建成的實(shí)例，比如，知名的有英國建筑師Nicholas Grimshaw & Partners 設(shè)計的英國伊甸園；瑞士建筑大師赫爾佐格與德梅隆設(shè)計的德國安聯(lián)球場和英國的Hampshire 網(wǎng)球場與健身俱樂部等?！八⒎健苯ǔ珊?，成為世界上規(guī)模最大的ETFE 充氣膜結(jié)構(gòu)建筑。

4 ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)體系基本構(gòu)成原理

ETFE 充氣膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)一般主要由以下幾部分組成：（1）ETFE 充氣膜單元——?dú)庹?；?）氣枕夾具；（3）供氣系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)；（4）中間層。

氣枕，就是將2 層或更多層的ETFE 膜材通過熱熔焊接復(fù)合到一起，形成封閉的袋子，其周邊用氣枕夾具夾持住，再將夾具固定在建筑主體結(jié)構(gòu)上，從而將氣枕和建筑融為一體。在氣枕內(nèi)，通過預(yù)留的閥口充入經(jīng)過過濾及除濕處理的清潔干燥的空氣，形成具有良好保溫性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)。ETFE 膜材一般以卷材形式供應(yīng)，幅寬最大2.35m，但一般氣枕的規(guī)格要遠(yuǎn)大于卷材的幅寬。所以，一般形成氣枕的膜片都是將卷材熱熔焊接拼接而成的[1]。

制作氣枕系統(tǒng)的流程為：（1）把多層拼接好的ETFE 膜片，先焊接邊緣，再與ETFE 條帶焊接固定，穿入尼龍繩，形成氣枕；（2）氣枕通過氣枕夾具固定在主體結(jié)構(gòu)上，這是構(gòu)成充氣膜結(jié)構(gòu)體系的密封和防水系統(tǒng)的重要組成部分；（3）在氣枕朝向室內(nèi)一側(cè)的膜片上，按指定位置開出一個孔洞，將充氣閥焊接在孔洞上，并通過充氣管與充氣泵相連；（4）將氣枕逐一安裝到屋面和墻面上，在氣枕內(nèi)部充入清潔與干燥的空氣，最終形成ETFE 充氣膜結(jié)構(gòu)維護(hù)體系。

5 ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)與“水立方”

ETFE 充氣膜對于“水立方”的功能，僅用“美麗的外觀”來描述是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在為建筑塑造完美內(nèi)外觀形態(tài)，給人以美的享受的同時，這層外衣也為整個建筑的物理性能和使用功能做出了突出的貢獻(xiàn)。

5.1 建筑的熱工性能

“水立方”的屋蓋和墻體的內(nèi)外表面均由ETFE 氣枕覆蓋，ETFE 氣枕內(nèi)充滿的空氣可以起到很好的保溫隔熱作用。經(jīng)過試驗(yàn)檢測和計算機(jī)計算，在靜態(tài)條件下，“水立方”屋面和墻體的綜合傳熱系數(shù)分別達(dá)到了0.68W/（m2·K）和0.85W/（m2·K），優(yōu)于一般的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。不僅是氣枕本身，“水立方”屋蓋和墻體內(nèi)外表面均設(shè)有氣枕，相當(dāng)于采用了雙層幕墻的設(shè)計方法。可以對雙層氣枕之間的空腔內(nèi)空氣流動進(jìn)行合理的組織和控制，在夏季將空氣腔內(nèi)的熱空氣帶出室外，冬季減少空腔內(nèi)的空氣流動，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到更佳的保溫隔熱效果，從而大幅降低室內(nèi)冬季采暖和夏季空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。

5.2 建筑的采光性能

一般體育館類建筑是全封閉的，很少自然采光。所以，無論白天或晚上，均采用人工照明。但“水立方”則得益于ETFE 膜的高透光性，建筑內(nèi)部在白天有很好的自然采光效果。經(jīng)過測試分析，“水立方”在日間時，其室內(nèi)的自然光照程度完全可以滿足比賽需要，節(jié)省了人工照明成本。同時，在建筑不同部位的氣枕膜上，采用了不同覆蓋率的彩釉鍍點(diǎn)涂鍍技術(shù)，使建筑內(nèi)部在獲得充足自然照明的同時，保持室內(nèi)照度均勻，避免了眩光。

但是高透光率對室內(nèi)熱工環(huán)境的影響可以說是一把雙刃劍。冬季，太陽能輻射進(jìn)入室內(nèi)，可以減少冬季采暖負(fù)荷，但在夏季，太陽能輻射又會使建筑的制冷負(fù)荷增加。經(jīng)過綜合分析測算，采用透光的屋面和墻體，在夏季帶來的制冷負(fù)荷的增加量要少于在冬季帶來的減少量總體上對建筑節(jié)能是有利的[2]。

5.3 建筑的聲學(xué)性能

對于奧運(yùn)比賽場館，室內(nèi)聲音環(huán)境的優(yōu)劣是評價建筑成功與否很重要的標(biāo)準(zhǔn)。ETFE 氣膜隔聲能力低，作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，聲音能量大部分可以穿透，而且ETFE 膜材表面對噪聲，尤其是高頻噪聲的反射能力低。所以，ETFE 氣枕結(jié)構(gòu)對降低室內(nèi)混響時間非常有利。只需要在室內(nèi)適當(dāng)位置設(shè)置一定量的吸聲材料，即可達(dá)到混響時間要求。

賽前有人擔(dān)心下雨“水立方”的雨噪聲問題。設(shè)計人員對此進(jìn)行了大量試驗(yàn)和研究，發(fā)現(xiàn)雨噪聲對于室內(nèi)的影響并不嚴(yán)重，最終對“水立方”并未采取任何降噪措施。北京奧運(yùn)會期間曾有過較大降雨，但室內(nèi)對雨噪聲的感覺微乎其微，對比賽和觀眾均未造成任何影響。

5.4 建筑成本

在所有外圍護(hù)結(jié)構(gòu)所用的材料中，ETFE 膜材是最輕的，其重量不足玻璃的1%，使整體建筑的自重大大減輕，從而在很大程度上節(jié)省了建筑主體結(jié)構(gòu)的重量和建筑的總體造價?！八⒎健笨傆娩摿考s6900t，平均每平方米建筑面積的用鋼量不足90kg。與之隔路相望的國家體育場“鳥巢”，每平方米用鋼量超過了400kg。雖然從單方造價上看，ETFE 充氣膜結(jié)構(gòu)比普通材料的建筑幕墻要貴，但對主體結(jié)構(gòu)負(fù)荷及成本造價的影響程度進(jìn)行比較，ETFE 充氣膜結(jié)構(gòu)具有很高的綜合性價比。同時，ETFE 膜具有很好的自潔性，依靠自然雨水沖刷，即可去除表面大部分灰塵，膜材料破損后也可很容易修補(bǔ)，因此，“水立方”后期維護(hù)和清洗的成本很低。

6 結(jié)語

“水立方”的建筑設(shè)計、外觀效果和形態(tài)與擁有高科技和節(jié)能技術(shù)的膜結(jié)構(gòu)外衣密不可分。正是由于主題與形式巧妙融合，造就了新穎奇特、美輪美奐的“水立方”，使其成為2008年北京奧運(yùn)會的標(biāo)志性建筑之一。