1 高分子膜材料簡介
1.1 高分子膜材料的定義
高分子材料也被稱為聚合物材料，是以高分子化合物為基體，再配有其他添加劑（助劑）所構成的材料[1].按照化學成分，目前使用最多的要屬復合高分子材料，它們大都由幾種不同組成、不同性質、不同形狀的物質復合粘結而成的多相材料。例如：高分子膜材料就是以有機高分子聚合物為原料，采用膜分離技術制成的具有選擇性透過功能的半透性薄膜[2].常見的有 PVC 膜、PTFE 膜、PVDF 膜、PVF 膜等，近年又誕生 ETFE 膜、法拉利膜等，憑借著輕質高彈、高強耐用、衛生潔凈等諸多優點活躍于石油業、建筑業、醫藥業、農業等各個領域。
1.2 高分子膜材料的種類
所謂的高分子膜材料，大多是強度高、柔韌性好的一種涂層織物薄膜?？傮w上講分有兩部分：基材織物與外涂層。內部基層織物決定材料的抗拉強度、抗撕裂強度，表征材料的力學性能；外涂層決定材料的耐火性、耐候性、防水性、自潔性等，表征材料的物理性能。如按上述材料的耐火性將膜材分類，目前建筑業廣泛認可的分類標準是日本JIS-93 所規定的 A、B、C 三類[3]:A 類最佳，代表不燃，是指在玻璃纖維織布上涂敷聚四氟乙烯樹脂（PTFE 含量占90%以上）而形成的復合材料；B 類次之，代表燃燒但不致燒穿，是指在玻璃纖維織布上涂敷聚氟乙烯（PVC）、氯磺化聚乙烯橡膠（CSM）、氯丁橡膠（CR）等成分而形成的復合材料；C 類最差，代表燃燒但不致蔓延，是指在聚酯纖維（PET）織布、滌綸織布上涂敷聚氯乙烯（PVC）、氯磺化聚乙烯橡膠（CSM）、氯丁橡膠（CR）等成分而形成的復合材料。
若按涂層材料分，有聚四氟乙烯膜材（PTFE）、PVC 膜材以及加面層的 PVC 膜材（例如聚氟乙烯膜材 PVF 或聚偏氟乙烯膜材 PVDF）三大類。此外，還有一種膜材叫做 ETFE膜，沒有玻璃纖維織布作為基材，透光性更強。
1.3 高分子膜材料的性能分析
1.3.1 自重小 高分子膜材料現已被公認為是繼磚、石、混凝土、鋼材和木材之后的“第六種建材”,其重量僅占傳統材料的 1/30,特別適合建造大體量建筑，營造大跨度空間。
1.3.2 造型優美、表現力豐富 膜材的突出特點之一就是方便塑造多樣的形狀，曲面存在無限的可能性。當膜材料選擇鋼索作為骨架支撐方式時，其曲面可以隨著建筑師的想象力而任意改變。視覺沖擊力極強的膜片接縫處采用鋼制節點，充滿張力，特別是斜拉索膜結構能夠給人以強大的藝術感染力和神秘感。
1.3.3 施工簡便、節省工期 拼接膜材時結構接縫處多采用熱焊，非結構接縫處多采用縫合，施工過程簡單，速度快，安裝拆卸方便。
1.3.4 光學性能優良 優良的光學性能主要體現在防紫外線和高透光率兩個方面。高分子膜材料可濾除大部分紫外線，防止內部物品褪色。自然光透射率可達 25%,之后轉為均勻的漫射光，無陰影無眩光，這樣在白天可以為室內省去不少電能。夜幕降臨，室內與室外的人工照明透過膜材料的特殊感光性質使得建筑外觀被籠罩著柔和的光輝，美不勝收。
1.3.5 保溫、防火、安全性高 單層膜材的保溫性能可與磚墻相抗衡，優于玻璃。再者，它可以很好的滿足防火要求，具有卓越的阻燃與耐高溫性能，使用安全。
1.3.6 自潔性好 由于膜材表面光滑、彈性好，故大氣中的粉塵顆粒等極難附著其上，在雨水沖刷下短時間內便可恢復原有面貌，進而省去一部分后期維護工作，節約運營成本。
1.4 高分子膜材料在建筑設計過程中的影響因子
1.4.1 找形分析 高分子膜是一種柔韌性好、自重輕，不具有抗壓、抗彎剛度，抗剪強度薄弱的材料，因此存在特殊的靈活性，這點為找形工作帶來困難，需要利用鋼索的固定和施加預應力的方法得到穩定形態。在施加預應力的過程中，先通過初始預應力找到初始形狀，以此為基本形態，隨著預應力的變化逐步調整膜材的曲面形態以達到受力平衡。因此，膜材料的找形工作是一項細致反復的工程，建筑師與結構師密切配合最終才能夠在一定邊界條件內找到理想的幾何外形與安全的應力分布共同被滿足的結合點。目前，找形分析主要依靠計算機迭代算法、動力松弛法、力密度法以及有限元法等實現[4].
1.4.2 荷載分析 影響膜材受力的荷載因子主要為雪荷載與風荷載。膜材輕柔，自振頻率很低，在風力作用下產生風振，致使膜布被撕裂。原因就是風荷載施加之初，外力導致形狀發生改變，內力分布也跟著發生變化，材料內應力在一個方向迅速增大的同時另一個方向減為零，最終材料變形嚴重，發生褶皺或者破裂。因此，荷載分析在設計過程中的重要性不可小視。
1.4.3 裁剪分析 如何將平面二維的單元膜片組合成立體三維的結構空間？這就需要膜片迎合數根鋼索限定出空間形狀。首先，將單個膜片彎曲成空間曲面就會產生誤差；其次，膜材作為各向異性材料，在與相鄰膜片單元的縫合過程中，也會多少相互排斥，不會完全按照操作者的意愿進行，不可避免地迥異于預設形狀?？傮w而言，布置膜面裁剪縫合時要考慮表面曲率、膜材料的幅寬、邊界的走向及美觀等幾個重要原因，盡量減少誤差。借助電子計算機軟件的繪圖與分析功能，統籌規劃與方案設計，嚴格進行鋼索與膜材的下料與構造節點零件的加工，使高分子膜材料在建筑設計過程中的作用得到充分發揮。
2 高分子膜材料在懸索結構建筑中的應用價值
懸索結構建筑作為大跨建筑的一種重要形式現被廣泛應用。深究其原因，無非是合理的結構布置、得當的材料選擇營造出備受歡迎的大跨空間。在懸索結構建筑的發展史上，常以跨度的變更作為衡量其發展速度的標準。高分子膜材料的產生為其跨度發展立下了汗馬功勞。主要表現在屋面結構的選材上，從最初僅能跨越幾十米的預制混凝土板、鋼絲網水泥板到跨越過百米的壓型薄鋼板、鋁合金板材、塑料板、木板，再到更大跨度的輕巧薄膜織布，屋面材料在自重上的減輕帶來了大跨建筑巨型空間的屢次飛躍。
高分子膜材料在懸索結構建筑中的貢獻除了創造巨型大跨空間外，其與線索、索網的“剛柔相濟”的搭配也呈現了完美的美學效果。高分子膜材料在懸索結構建筑中的應用方式有三種：預應力張拉式，骨架支撐式和索穹頂。預應力拉張式的膜面采用鋼索張拉成型。其索膜體系富有表現力，常常出現在大型競技的體育場館中，也有的應用于景觀小品工程，結構布置相對靈活，可塑性好，是索膜建筑的代表和精華。骨架支撐式的膜面，顧名思義，是以剛性支撐作骨架，膜面僅作圍護用。在這種體系中，剛性骨架受力自平衡，膜材的力學性能得不到發揮。例如在懸索結構中，剛性支撐為勁性纜索，一般由高強鋼絲組成的鋼絲繩，鋼絞線或平行鋼絲束，通過與膜材的可靠錨固創造出含蓄的建筑形象。索穹頂根據其組成形式不同分有蓋格體系、利維體系和凱威特體系三種[5]（圖 1,圖2,圖 3）。三種體系需要的索網編織方式不同，屋頂的施工復雜程度不同，適用平面形狀有區別，這時膜材就要因地制宜，合理的鋪設角度和精確的尺寸大小成為選材前考慮的關鍵因素。
然而，據國際工業織物協會 IFAI 的相關調查表明[6],我國建筑師對高分子膜材的使用并不熱情。原因在于：①靈活輕柔的膜材在外環境影響下很難成型，這樣延長了結構計算的時間，無形中增加了設計成本；②業界對膜結構和膜材料的理論知識掌握不充分。眾所周知，膜材作為一種朝陽建材，在我國的使用尚未普及，匱乏的直接經驗為膜材的傳播設置了障礙；③目前，國內的高分子膜材生產商有限，技術水平和產品質量不過關，為防止作為建材被使用之后造成安全隱患，往往要從國外進口，增加了建造成本。只有盡快撥開上述迷霧，高分子膜材料在我國的建筑市場才能有更廣闊的發展前景與更寶貴的應用價值。
3 高分子膜材料在懸索結構建筑中的應用舉例
3.1 加拿大蒙特利爾世博會聯邦德國館
1967 年，德國建筑師兼結構工程師費瑞·奧托為蒙特利爾博覽會設計并建造了德國館（俗稱德國大帳篷）（圖4）。這一索膜結構建筑僅僅耗時 6 周便揭開了面紗。優美的結構由 8 根鋼纜制成的長短不一的桅桿作支撐，上面綁著塑料織布網和柔性鋼索網，有桅桿的張力結構借鑒帆船和纜繩的工作原理，承受巨大預張力和拉力的桅桿與織物膜相結合，打造別具匠心的大跨空間結構和創意十足的藝術形象，飄浮在鋼纜支桿上方的白色塑料膜布在柔性網的籠罩下呈現出起伏連綿、動感活躍的視覺體驗，不愧是當年展出期間最受好評的展館之一。白色塑料膜布的使用在當時可謂創下新高：它是一種由 PVC 覆蓋聚酯纖維織物和透明的 PVC 膜片放置于不同位置形成的，以適應不同程度的荷載分布。這種材料在當時之所以盛行，歸咎于其本身具有的一系列優良性能：韌性好，中等強度的 PVC 膜片厚度僅 0.61mm 但其拉伸強度相當于鋼材的一半，價格適中，運輸方便，易著色，因此被廣泛應用。但 PVC 聚酯纖維膜材有一個致命的缺點就是不耐老化，特別是在惡劣的室外環境下它的老化進程會被加快，作為建筑室外材料這無疑給建筑物安全帶來隱患。因此，科學家們想到在傳統工藝中加入熱、光、氧等惰性劑來延緩其老化。再者，PVC涂層中含有的增塑劑極易向表層遷移，該物一旦和灰塵顆粒黏在一起便很難清除，自潔性也是個難題。為了升級膜材的實用價值，科學家們致力開發更優化的膜材已成為歷史不爭的事實，PVC 膜材逐漸被另一種叫做 PTFE 膜的建材所取代，并應用于永久性大跨建筑。
3.2 英國千年穹頂
千年穹頂建成于 1999 年，是英國政府為了迎接 21 世紀而興建的標志性建筑。該穹頂直徑 320m,外圍周長超過1000m,有 12 根穿過屋頂高達 100m 的桅桿支撐著上部張力懸索膜結構。從桅桿的頂點以輻射狀發射出的鋼索共計72 根，這些鋼索通過間距 25m 的斜拉吊索與系索和屋面膜材可靠拉結錨固，吊索與系索的存在成為桅桿與屋面的銜接固定物件，共同作用形成了體量驚人的建筑空間整體形象（圖 5）。然而，大面積銀白色膜面材料占據了整體建筑元素中的絕大部分比例。屋面膜材原先采用以聚酯為基材的織物，后考慮使用年限長改用涂聚四氟乙烯的玻璃纖維織物（PTFE）。相對于 PVC 聚酯纖維織物，聚四氟乙烯玻璃纖維織物有更高的強度，更好的自潔性，但加工成本比較昂貴。PTFE 膜材誕生于上個世紀 70 年代初，由蓋格公司領頭，包括美國杜邦公司、康寧玻纖公司、貝爾德建筑公司、化纖織布公司共同組成的研究小組在美國福特基金會的支持下研發成功。具體加工方法是將玻纖織物多次快速放入特氟隆熔體中，使織物兩面粘上均勻的特氟隆涂層[7].
1973 年此材料首次應用于美國加利福尼亞拉維斯學院的一個學生活動中心的屋頂上，20 年的跟蹤檢測表明，PTFE膜材的力學性能與物理性能基本穩定，這為 PTFE 膜今后的發展鋪設出寬敞的道路。難怪在 1999 年冬季的一場暴風雨過后，加拿大蒙特利爾奧林匹克體育場的屋面材料PVC 覆蓋 Kevlar 織物被撕裂，最終更換成以 Teflon 涂敷的玻璃纖維織物才得以存活至今。
3.3 威海市體育中心體育場看臺挑篷
威海市體育中心體育場建成于 2001 年，由哈爾濱建筑大學主持設計。全建筑面積 4.2 萬 m2,可同時容納 3.2萬名觀眾。這座體育場的亮點在于采用全張拉懸索膜結構的看臺挑篷，造型新穎別致，在國內、國際范圍內首屈一指（圖 6）。該挑篷由 34 個傘形膜單元組成（圖 7），每個膜單元包括桅桿、前后拉索、脊索、谷索、邊索和膜片主體，共同組織成單尖單柱形式（圖 8），整體外觀呈馬鞍形，投影呈近似橢圓形，長軸總長 236m,兩側看臺挑篷挑出 16.14m;短軸總長 206m,兩側看臺挑篷挑出 30.87m.膜單元頂部覆蓋物采用法國法拉利 PVDF 白色膜材，型號 1202T[8],該種膜材在 PVC 膜材的基礎上進行改良，在 PVC 表面涂一層聚偏氟乙烯 PVDF 達到保護基層的目的。PVDF 還是一種含高結晶度的化合物，獨特的分子結構賦予了它優良的抗紫外線、抗老化和一定的防污性能，加上它可以用溶液直接涂抹，生產加工十分便利，因此發展迅猛。近年來，新工藝將 PVDF 和硬化介體完美結合，相比之前的同類膜材，此種材料的機械強度、使用壽命明顯提高，并能夠長期保持織物建筑的原始美觀，使膜材在諸如體育場等大型建筑中的應用層面又被提升了一個等級，進而滿足人類更高級的生產活動需求。
4 結語
高分子膜材料在懸索結構建筑中的應用僅僅是冰山一角。本文以此作為引子和媒介，旨在喚起以建筑界和材料界為首的各界研究者對高分子膜材料的重視。尤其在中國，高分子膜材料的生產和使用還處于初級階段，生產商技術水平低，施工承包商責任心不強，這勢必導致膜材料的應用出現良莠不齊、魚龍混雜的狀況。為此，我們只有潛心研究開發新型安全的綠色膜材，在不久的將來中國的膜材市場才會從低谷走向高潮，迎來高分子膜材料在中華大地上的新生!
參考文獻：
[1]高軍剛，李源勛。高分子材料[M].北京：化工出版社，2002.
[2]耿奎士，董然。高分子膜材料的研究概況[J].合成樹脂及塑料，1993,10:52-57.
[3]李陽，張其林。建筑膜材性能及試驗研究現狀[J].玻璃鋼/復合材料，2006（2）：53-56.
[4]葉獻國。建筑結構選型概論[M].武漢：武漢理工大學出版社，2004:209-210.
[5]劉揚。索膜結構及其對建筑設計與表現的影響初探[D].北京：清華大學，2004.
