可持续性新技术

日期:2020-09-07

     微信图片_20200907160340.jpg 

    ETFE膜材在建筑设计及技术领域所产生的深远影响,是任何一种新型材料难以匹敌的。在过去的一个世纪里,天才的设计师在建筑材料和建造技术领域曾进行过大量的探索。虽然那些材料技术极富创新性,但由于并不实用,往往只是昙花一现。例如20世纪50年代发展起来并在60年代风靡一时的混凝土壳体结构,在建筑经济学和设计美学对于混凝土材料技术的要求不断提高的前提下,最终被结构领域淘汰;繁荣于20世纪80年代的张拉膜结构,自90年代开始同样走向衰落;最具代表性的是在建筑领域中广泛采用的玻璃,1955年前后,浮法玻璃开始进入工程领域,它使单平板片玻璃的尺寸大大增加,而且,更加坚硬与透明,尽管如此,由于存在自重大、易碎和密封性能差等问题,致使多层玻璃顶棚的建造不仅造价高昂,而且具有一定危险性。ETFE的出现为那些苦苦寻求轻质、强韧、耐久以及密闭性良好材料的设计师们提供了新的选择。他们有理由相信,这种新型材料在建筑领域必将大放异彩。

     我首次接触ETFE膜材是1980年,当时布罗·哈珀德(Buro Happold)正致力于研究在北极建造一座覆盖在罩体下的城市,命名为“北纬58°”(58 Degrees).基地位于北阿尔伯塔省距 Fort MacMurray160km的亚伯达河旁。作为辛克鲁德公司(Syncrude)采集焦油砂的厂区,该地环境异常恶劣,冬季寒冷刺骨,夏天则充斥着成群咬人的黑蝇。城市罩体的研究工作由加拿大建筑师阿恩·富勒顿(Arne Fullerton)主持,吸引了来自加拿大和欧洲众多相关学者的关注,其中就包括弗雷·奥托(Frei Otto)、特德·哈珀德(Ted Happold)领导的巴斯大学建筑工程系研究小组、伦敦城市大学的麦克·巴恩斯(MikeBarnes)等人。此外,巴斯大学的园艺学家彼得·索迪(Peter Thoday)和人类学家Ed Van Dyke分别就植物生长条件以及光线刺激对于人类行为的影响两方面提出了各自的建议。

     起初,研究小组试图采用充气式膜结构。虽然仍存在许多制约因素,但对于聚四氟乙烯(PTFE)玻璃纤维仍寄予了极大的期望,可当研究小组参观完几个采用充气式顶棚的体育场馆后,他们最终认为玻璃纤维膜并不理想,因为该材料透光率仅为10%,而且膜面污染后会令光色偏黄。考察使我们更加坚定地认识到,覆盖在北极城市上空的膜材应当保证冬季有充足的可见光透射进来,并满足植物生长所需。除此之外,罩体还应至少是双层的,以避免寒冷气候条件下膜面内侧结霜。显而易见,作为可选材料无论是玻璃还是硬质透明塑料都不能满足要求,都存在不可回避的缺陷。一位来自瑞士杜邦公司(DuPont)的代表曾建议采用一种名为泰德拉(Tedlar)的聚氟乙烯薄膜。但因其耐火性差,最终未被采纳。特氟龙(Teflon)-FEP和被杜邦公司称作特氟泽尔(Tefzel)的乙烯-四氟乙烯聚合物(ETFE)材料最终成为当时可供选择的两种材料。FEP曾应用于阿纳姆动物园,但时间不长便因撕扯而遭到破坏。此后经杜邦公司代表介绍,研究小组才意识到ETFE优越的弹性及韧性似乎更能满足工程使用需求。于是针对该材料的张拉性能实验在城市大学迅速展开。试验发现,ETFE的荷载-形变曲线非常神奇,材料的弹性范围很小,但在材料失效前其形变却可达到先前的四倍。除非遭到利器的破坏,通常情况下材料能承受极高的压力而不屈服。研究小组最终决定采用乙烯-四氟乙烯聚合物(ETFE)来覆盖150000㎡的场地。罩体采用索网结构支撑,其上附着1.8m 宽的气枕形成的膜面,气枕沿宽度方向的边缘通过三元乙丙橡胶(EPDM)圈与不锈钢截面连接。该方案得到了阿尔伯达省公共工程与住房部部长汤姆·钱伯斯的大力支持。然而时隔不久,由于石油价格的下跌以及焦油砂采集被禁止,该研究项目进入停滞状态,当10年后重新启动焦油砂采集时,机器人技术的普及导致前往该地区工作的人员数量大为减少,因此北纬58°项目最终没有实施。

    1987年,布罗·哈珀德受邀作为伦敦切尔西和威斯敏斯特医院中庭及内部廊道加盖顶棚项目的顾问--那是我第二次有幸参与采用ETFE膜材的实际项目。最初,建筑师打算采用玻璃纤维顶棚,但我们建议采用铝合金框架结构支撑乙烯-四氟乙烯聚合物(ETFE)气枕顶棚的方案,以提高室内的透光量及保温性能。该中庭通过空气对流引入自然通风,从而成为半室外化的公共活动空间。医院部分房间向中庭开窗,以解决通风和采光。此前,乙烯-四氟乙烯聚合物(ETFE)薄膜已经应用于多个游泳池顶棚的建造中。福伊特克公司(Vector Foiltec)特意为该项目开发了可以支撑三层膜气枕的铝合金框架。该顶棚结构中,包含了排水管道以及为气枕充气的管道,顶棚铝合金拱架跨度达18m.在城市建筑中,由于对新材料的认知不足,ETFE气枕式膜结构建筑时常被拿来与那些采用钢或玻璃结合的传统钢结构进行比较。一份针对建筑全生命周期工程投资的调查表明,ETFE气枕式膜结构相对低廉的维护成本较传统结构存有巨大优势。我们曾经参与设计的ETFE气枕式膜结构顶棚,至今仍正常发挥着作用。更为重要的是,该项目为我们铺平了在城市建筑中采用ETFE膜材的道路。作为项目设计师,本·莫里斯甚至转而投向铝合金支撑框架的构造研究,并最终加入并参与了福伊特克公司的发展。第三个我想介绍的工程项目是由一家新兴公司委托的汉普郡网球俱乐部,他们希望设计方案能为俱乐部带来崭新的面貌。设计小组提议采用轻质、透明的ETFE膜材覆盖整个网球中心,从而营造一种类似于户外环境的效果,同时又可避免真正室外环境中存在的眩光、风雨等侵扰。通过与本·莫里斯的讨论,我们最终决定采用张拉索支撑ETFE气枕的方式形成罩顶。然而,当方案和资金投入均经过客户的认可,准备进行详细策划时,合同谈判却令该项目的启动日期一再延迟,最终仅剩下很短时间对建筑方案进行详细推敲,项目最终于1995年竣工。事实证明,该工程仍然是非常成功的。

     俱乐部气枕膜结构罩棚采用50%透光率的白色膜材。阳光直射在双层膜面上,太阳影像被减弱成一个小红斑。眩光的消除将俱乐部打造成为理想的网球场。夏天,所有的室内场地均被订购一空,而那些免费的室外场却无人问津。网球俱乐部的成功让我意识到,ETFE气枕系统与索网结构的结合对于大跨空间的实现将起到至关重要的作用。令人遗憾的是,在技术和工期都允许的情况下,英国的千年穹顶却没有采用ETFE气枕式膜结构。

    从上述早期案例中不难看出,ETFE气枕式膜结构在强度与耐久性上的表现没有辜负人们的期望。即使存在风荷载的作用,局部的破坏也不会产生连锁反应,专用胶带可进行及时修复。不过在气枕上行走却是被严令禁止的。汉普郡网球俱乐部的顶棚就因穿着笨重工靴的维修工人的踩踏而留下了明显凹痕。

    对于设计师来说,能够找到一种适合的材料满足覆盖更大面积的场地的需求,是一件值得欣慰的事,我们甚至梦想借此可以实现笼罩整个城市。然而,ETFE气枕式膜结构是否会被新技术所代替,新旧技术更替的故事是否会再一次上演?至少目前这种担心是多余的。因为全世界各地正在涌现出越来越多的ETFE气枕式膜结构项目,对于ETFE膜材产量的需求也在逐年增加。成本优势及环境效益无疑是最大的驱动力。当然,技术更迭的风险始终还是存在的,系统故障导致的高昂修补费用也不可避免。然而使该技术表现不尽如人意的,恰恰是那些项目管理者。同气承式膜结构相比,他们那些所谓的节约造价的要求,往往是由于降低了技术成本,为最终失败埋下了种子。虽然ETFE气枕式膜结构技术看似简单,但只有通过认真的工程监管及完备的细节处理才能最大限度避免问题的产生。因而工程师和承建商都应慎重选择。福伊特克公司作为这一方面的先驱者,致力于ETFE膜材特性的研究,通过他们不断的创新,这项技术已经日臻成熟。



上一篇:11个坚韧不‘曲’的张力结构... 下一篇:没有了