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膜结构材料推进新型建筑革命狂潮时代--膜幻建筑随想

   关键词:膜结构材料,膜结构,张拉膜运用,膜建筑,水立方

   摘  要:由于ETFE材料在北京奥运会场馆建设的中的显赫地位,设计者希望ETFE能成为当今建材之主流。毫无疑问,没有什么比北京绿色奥运村更能展示这种材料将建筑设想变成现实的能力,该项目坐落于北京城以北的中轴线上,那里分布着迅速崛起的国家体育场和中国国家游泳中心,两个项目相隔不到500米。

       乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)是一种人工高强度氟聚合物,这种耐用的可塑树脂正在北京奥运会场馆建设中发挥巨大作用,其应用前景一片光明。


上世纪八十年代首先从欧洲开始流行

    一个泡沫充气垫做的游泳馆,或者一个以钢结构“编织”成的像鸟巢一样的运动场,甚至一个覆盖上百万平方英尺空间的巨型帐篷——这些建筑在10年前也许都只能存在于人们的想象之中。而今天,位于北京的前两者分别是正在建设中的中国国家游泳中心和作为2008奥运会主会场的国家体育场;后者则是位于哈萨克斯坦阿斯塔纳的娱乐中心——“成吉思汗后裔帐篷”(Khan Shatyry)。而这一切能得以实现都要感谢具有创新精神的建筑师,经验丰富的工程师和被称作乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)的材料不同寻常的属性。

    乙烯-四氟乙烯共聚物也许正迎来其在建筑材料领域的辉煌时刻,但事实上,上个世纪70年代杜邦化学公司(DuPont)就发明了这种人工高强度氟聚合物,作为航空工业中的一种绝缘材料。

    这种树脂材料让建筑师最感兴趣的特性是其能被制成一种薄而非常耐用的薄膜,杜邦生产的就像打成卷的增强版塑料保鲜膜。而日本的旭硝子玻璃公司(Asahi Glass Company)也在生产类似的产品,名字叫氟隆。这种产品在使用时可以做成片状,也可膨胀成枕头状,并因为具有难以置信的多功能性,已经成为最好的替代像玻璃这样的传统材料的材料。

     刚开始的时候,杜邦化学公司根本没有真正地考虑过让ETFE成为建筑师的“宠儿”。德国一名机械工程和商业管理专业的学生斯蒂芬•勒耐特(Stefan Lehnert)推动了这个进程,他狂热于水上运动,并在探求新的航海技术的时候偶然发现这种材料。尽管在发现这种材料并不太适合其航海需要后,他还是注意到了ETFE的透明、自洁和结构上的特性,这使其具备了成为种优良建筑材料的潜质。 

    1982年,他在德国不来梅成立了维克多-福伊特克公司(Vector Foiltec),专门设计和制造ETFE建材,并开始将这种材料销售给全球的建筑公司。该公司的第一个项目,是荷兰的阿恩海姆(Arnheim)动物园的一个小亭的屋顶。

    从哪个时候开始,ETFE就已经日益普及开来,特别是在欧洲。在上个世纪90年代,从德国到英国,ETFE被广泛应用于办公室、建筑物中庭、大学建筑、医用设施、博览会厅堂和动物园。2000年落成的英国康沃尔“伊甸园”项目(Eden Project)是一个巨型环境合成建筑,其包括了两个巨大的由ETFE覆盖的温室。该项目由格雷母肖建筑师事务所(Grimshaw Architects)设计,其建设被广泛地认为是一个工程奇迹,并制造了一波全球影响。

本世纪在中国在北京奥运会场馆大显身手

    由于ETFE材料在北京奥运会场馆建设的中的显赫地位,设计者希望ETFE能成为当今建材之主流。毫无疑问,没有什么比北京绿色奥运村更能展示这种材料将建筑设想变成现实的能力,该项目坐落于北京城以北的中轴线上,那里分布着迅速崛起的国家体育场和中国国家游泳中心,两个项目相隔不到500米。

    这两个项目的结构看起来很相似。赫尔佐格和梅隆事务所(Herzog and de Meuron)设计的体育场是一个用钢结构编织成的坚固而复杂的鸟巢。中国国家游泳中心的俗称叫“水立方”(Watercube),这是一个精致而细节优美的闪光盒子,外面被泡沫结构所覆盖。今年晚些时候完工后,这两者都将是ETFE材创新性使用最好的例子。为了遮风挡雨,体育场将在“鸟巢”的末梢之间安装红色的ETFE棚子。占地750,000平方英尺的“水立方”是有史以来最大的ETFE项目,其外立面和顶面都将覆盖上兰色的ETFE泡沫结构。

   “水立方”项目在尺寸和开支上(1亿美元)都是豪气冲天的,这是自悉尼歌剧院建成以来最让人惊叹的项目。澳大利亚PTW建筑师事务所的设计师事实上已经用到了这种材料。他们对它是那样地有信心。公司的管理主任约翰•比尔蒙(John Bilmon)称,我们选择ETFE而不是选择玻璃和玻璃纤维是因为其满足项目的工程要求。一些设计中的泡沫结构的跨度超过30英尺,并且未使用任何内部框架结构,如果用其他材料是不能实现这一切的。

    ETFE系统除了比同样的传统系统成本低,还为这个中心的水池提供高质量度过滤系统和水处理系统。比尔蒙说,更传统的覆层不仅成本更高,在外观和功能上不能令人满意。

优良的建材性能

    这种材料的吸引力是多方面的,并且,那些使用它的人赞扬它的独特性能。首先,它非常轻——大约为同样体积玻璃重量的百分之一,但强度很大,能拉长到它的长度的3倍而不失去弹性。(说到这方面,一种锐利的工具,例如一把刀,能刺破它。这是它大多数情况下用于物屋顶的原因。)

    如果ETFE覆层破损,可以用别的ETFE片来补缀。当遇到火时,ETFE材料变得柔软,并且受热收缩,自然地将烟雾排出建筑物。并且,它的自身的不粘结的无孔的表面,非常光滑,污垢、雪和雨水都不会存积。

    它的较轻的重量,减少了相应的结构成本。维克多福伊特克公司的北美分部总经理爱德华•佩克估计,较小的屋顶工程,如果使用ETFE材料,可以便宜10%。至于较大的、较复杂的屋顶工程,可以节约建筑成本60%。

    ETFE材料可以做成不同特点的成品(不同的透明度、光滑度和颜色),并且可以在内部使用发光二极管灯照明,或使用灯光装饰,像一个巨大的电影屏幕。它的表面还能印刷图案——有些图案不可能用玻璃印刷。它也能做成各式各样的形状。

    ETFE材料可以通过加热“焊接”在一起。这种“缝纫”方法,使ETFE能够比玻璃安装得更长和更宽。一块巨大的玻璃板的可以达到长10英尺、宽5英尺。然而,ETFE材料采用结构支持,可以做到长180英尺、宽12英尺。

     ETFE材料在环保方面也很有优势。特别适合目前提倡的绿色建筑。这种材料是可以重复使用的(熔化后就可以再使用),并且它的重量轻,不需要消耗更多的能源来运输。“水立方”的设计方案是让阳光的热量通过它的墙壁和屋顶,这些能源可以用来加热建筑物的水系统。如果建筑太热,又可以通过 墙壁和屋顶的通风口排出热量。

    从审美水平来看,ETFE材料强化了建筑物的主题。它们的柔软的外形,给人以泡沫一样的感觉。并且它们的有蓝色层和透明层的三层结构,使表面给人一种深沉和变幻的感觉。一旦在2008年奥运会开始,主办方将把建筑物的墙面变成一个巨大的电视屏幕,向场外的观众展示场内各项比赛进行的情况。

正视ETFE的缺点

    对于它的各式各样的配套装置来说,ETFE并不是一种完美无缺的材料ETFE材料的典型用法是,将它们两层或三层“焊接”在一起,平放着运送到工地。然后使它们膨胀成面板或“垫子”。这些“部件”需要“半连续”(semi-continuous)的空气压力,以保持它们稳定和提供给它们加热的装置,最多的是插入它们边缘的细软管。

    这些空气供应线与一个计算机系统连接,对“垫子”内部的压力进行监控。这个系数还能“喂入”空气,或从里面排出空气,使其进入更多的光线,或使其更阴暗。这意味ETFE“垫子”成了建筑物的一件有活力的“充气夹克”。在某些装置中,这些控制程序是利用光传感器进行的。当然,许多工程不要求这样复杂。

    维克多福伊特克公司的北美分部总经理爱德华•佩克说:“你必须就具体项目进行评估,弄清使用ETFE的目的。是为了建筑物的形象,为了透明度,为了结构,或是为了节能?”对于小规模的项目或住宅工程,他建议不要使用ETFE材料。

    从声学的角度来看,ETFE材料有一定的缺陷。ETFE“垫子”系统被用于屋顶时,可能增大雨声。因为这些“垫子”拉紧像一面鼓。制造商开发了几种消声技术,包括在ETFE“垫子”内安放聚碳酸脂片,但使用还不广泛。

    ETFE材料在室内应用,例如作为办公室的墙面,表现出另外的声学问题。ETFE材料比玻璃和木头传送更多的声音。这使它不宜用于机场附近的会议中心或会议室。相反,ETFE材料对“自含的”(self-contained)的噪声区——例如水上公园有益的。从墙壁和地面反射声音,并且通过屋顶散发出去。

其应用在建筑行业仅仅才开始

    但是,消除的这些问题的研究正在进行之中,随着许多问题的解决,ETFE材料将更大范围地应用在各类建筑及装饰或遮阳工程中,并且,使用ETFE材料的建筑已经在更多的地方出现。维克多福伊特克公司明年在美国将建设8项工程(在世界上预定的工程超过100个)。目前正在为一幢美国联邦大楼完成一个中庭屋顶。佩克希望,以后的工程将证明是ETFE材料在美国的一个转折点。ETFE材料已被用于北京国家水上运动中心,2012年伦敦奥运会也可能有几项工程使用。

    另一个巨大的ETFE工程已经出现在地平线上,这就是哈萨克斯坦的“成吉思汗后裔帐篷娱乐中心”(Khan Shatyry Entertainment Center)。这个工程位于哈萨克斯坦的首都,是一个占地1,076,000平方英尺的帐篷形娱乐设施。它由伦敦的福斯特建筑事务所设计,预期于明年完工。另一些高水平的建筑事务所或建筑师,例如SOM和弗兰克•盖里,也说要在今后的工程中使用ETFE材料。

    而且,另一些创新研究也正在进行之中。维克多福伊特克公司目前正在试验,是否可能在ETFE“垫子”中加入光电装置,或使用一种绝缘的“光触媒”(nanogel)去增加ETFE“垫子”导热性能。正如“水立方”的建筑师比尔蒙说的:“有一个新的认识是,整个世界正面临可持续性问题,而使用ETFE之类的解决方案是未来所需要的。”


附图反映了ETFE材料在世界各地的应用:


图1、使用ETFE材料的建筑物



图2、“伊甸园”(Eden Project)
“伊甸园”位于英格兰的康沃尔,建成于2001年,是世界上最大的温室,也是当时世界上上最大的使用ETFE材料的建筑物。“伊甸园”占地323,000平方英尺。由格里姆肖建筑事务所设计(Grimshaw Architects)。



图3、巴塞尔运动场(Basel Stadium)
这个运动场位于瑞士巴塞尔,建成于2001年,使用ETFE材料作为它的外层。



图4、“加州艺术学院”(Art Center College of Design, South Campus)
这个工程建成于2004年,由维克多福伊特克公司、戴利•吉尼克建筑事务所(Daly Genik Architects)和图案设计师布鲁斯•毛合作建设。在白天,这幢使用ETFE材料建筑物表面能将光和热透入下面,在晚上,其天窗像灯笼发光。



图5、安联球场(Allianz-Arena)
安联球场位于德国慕尼黑,建成于2005年。由赫尔佐格-德梅隆建筑事务所设计。安联球场的绰号叫“充气船”。这来源于它与众不同的形状和它表面的2,800多块ETFE材料充气板。与巴塞尔运动场一样,这个足球场的“皮肤”在夜间能够发光,根据比赛的球队不同而呈现红色、白色或蓝色。



图6、杜伊斯堡迈德里奇剧院(Duisburg Meiderich Theater)
这个户外剧院于2005年建成。其地址是德国杜伊斯堡的一个前铸造厂。在气候不好的情况下,需要一个天篷,ETFE材料使其成为可能。这个光亮的ETFE天篷可以使用一个电动机收起或展开,这种装置不可能使用玻璃之类的较重的和没有柔性的材料



图7、北京国家水上运动中心(Beijing National Aquatics Center 水立方)
水立方这幢建筑物的墙面屋顶使用了4,000块ETFE充气板,是目前使用这种材料最大的工程,也是世界上最节能的建筑物之一。它由总部设在悉尼的PTW Architects建筑事务所设计。



图8、北京国家体育场(Beijing National Stadium)
这个“鸟巢”形建筑物距北京国家水上运动中心约500米,由赫尔佐格-德梅隆建筑事务所设计。这幢建筑物由盘绕的钢铁骨架和ETFE“垫子”构成。ETFE“垫子”将填充钢铁骨架之间的空间,帮助遮风蔽雨。



图9、成吉思汗后裔帐篷娱乐中心(Khan Shatyry Entertainment Center)。
这个工程位哈萨克斯坦的首都阿斯塔纳,是一个占地1,076,000平方英尺的帐篷形娱乐设施,以ETFE材料做“帐篷”,里面布置商店、咖啡馆和影剧院等设施,还有一个公园。它由伦敦的福斯特建筑事务所设计,预期于明年完工。



图10、RPI EMPAC多功能表演中心
这幢建筑物位于纽约的特洛伊。它将包括一个有1,200个座位的音乐厅和一个有400个座位的剧场。围绕音乐厅的半圆的天窗用ETFE材料做成。这是格里姆肖建筑事务所设计(Grimshaw Architects)的又一个工程,造价为1.42亿美元,预计于2008年投入使用。



图11、汽车博物馆(LeMay Museum)
这幢使用ETFE材料的建筑位于美国华盛顿州的塔科马。它将收藏大量的私人收藏品,包括小汽车、摩托车、卡车,以及相关纪念品。这个汽车博物馆将于2009年投入使用。



图12、“地球公园”(Earthpark)
“地球公园”位于爱荷华州的佩拉(Pella),是一个美国风格的“伊甸园”(Eden Project)温室。它使用ETFE材料做顶篷,在70英亩的土地上模仿三种亚马逊气候。ETFE材料的绝缘性也增强了这个工程的“绿色”因素。“地球公园”将于2010年完工。

                                                                                                                       

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