可持續性新技術

日期:2020-09-07

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    ETFE膜材在建筑設計及技術領域所產生的深遠影響,是任何一種新型材料難以匹敵的。在過去的一個世紀里,天才的設計師在建筑材料和建造技術領域曾進行過大量的探索。雖然那些材料技術極富創新性,但由于并不實用,往往只是曇花一現。例如20世紀50年代發展起來并在60年代風靡一時的混凝土殼體結構,在建筑經濟學和設計美學對于混凝土材料技術的要求不斷提高的前提下,最終被結構領域淘汰;繁榮于20世紀80年代的張拉膜結構,自90年代開始同樣走向衰落;最具代表性的是在建筑領域中廣泛采用的玻璃,1955年前后,浮法玻璃開始進入工程領域,它使單平板片玻璃的尺寸大大增加,而且,更加堅硬與透明,盡管如此,由于存在自重大、易碎和密封性能差等問題,致使多層玻璃頂棚的建造不僅造價高昂,而且具有一定危險性。ETFE的出現為那些苦苦尋求輕質、強韌、耐久以及密閉性良好材料的設計師們提供了新的選擇。他們有理由相信,這種新型材料在建筑領域必將大放異彩。

     我首次接觸ETFE膜材是1980年,當時布羅·哈珀德(Buro Happold)正致力于研究在北極建造一座覆蓋在罩體下的城市,命名為“北緯58°”(58 Degrees).基地位于北阿爾伯塔省距 Fort MacMurray160km的亞伯達河旁。作為辛克魯德公司(Syncrude)采集焦油砂的廠區,該地環境異常惡劣,冬季寒冷刺骨,夏天則充斥著成群咬人的黑蠅。城市罩體的研究工作由加拿大建筑師阿恩·富勒頓(Arne Fullerton)主持,吸引了來自加拿大和歐洲眾多相關學者的關注,其中就包括弗雷·奧托(Frei Otto)、特德·哈珀德(Ted Happold)領導的巴斯大學建筑工程系研究小組、倫敦城市大學的麥克·巴恩斯(MikeBarnes)等人。此外,巴斯大學的園藝學家彼得·索迪(Peter Thoday)和人類學家Ed Van Dyke分別就植物生長條件以及光線刺激對于人類行為的影響兩方面提出了各自的建議。

     起初,研究小組試圖采用充氣式膜結構。雖然仍存在許多制約因素,但對于聚四氟乙烯(PTFE)玻璃纖維仍寄予了極大的期望,可當研究小組參觀完幾個采用充氣式頂棚的體育場館后,他們最終認為玻璃纖維膜并不理想,因為該材料透光率僅為10%,而且膜面污染后會令光色偏黃。考察使我們更加堅定地認識到,覆蓋在北極城市上空的膜材應當保證冬季有充足的可見光透射進來,并滿足植物生長所需。除此之外,罩體還應至少是雙層的,以避免寒冷氣候條件下膜面內側結霜。顯而易見,作為可選材料無論是玻璃還是硬質透明塑料都不能滿足要求,都存在不可回避的缺陷。一位來自瑞士杜邦公司(DuPont)的代表曾建議采用一種名為泰德拉(Tedlar)的聚氟乙烯薄膜。但因其耐火性差,最終未被采納。特氟龍(Teflon)-FEP和被杜邦公司稱作特氟澤爾(Tefzel)的乙烯-四氟乙烯聚合物(ETFE)材料最終成為當時可供選擇的兩種材料。FEP曾應用于阿納姆動物園,但時間不長便因撕扯而遭到破壞。此后經杜邦公司代表介紹,研究小組才意識到ETFE優越的彈性及韌性似乎更能滿足工程使用需求。于是針對該材料的張拉性能實驗在城市大學迅速展開。試驗發現,ETFE的荷載-形變曲線非常神奇,材料的彈性范圍很小,但在材料失效前其形變卻可達到先前的四倍。除非遭到利器的破壞,通常情況下材料能承受極高的壓力而不屈服。研究小組最終決定采用乙烯-四氟乙烯聚合物(ETFE)來覆蓋150000㎡的場地。罩體采用索網結構支撐,其上附著1.8m 寬的氣枕形成的膜面,氣枕沿寬度方向的邊緣通過三元乙丙橡膠(EPDM)圈與不銹鋼截面連接。該方案得到了阿爾伯達省公共工程與住房部部長湯姆·錢伯斯的大力支持。然而時隔不久,由于石油價格的下跌以及焦油砂采集被禁止,該研究項目進入停滯狀態,當10年后重新啟動焦油砂采集時,機器人技術的普及導致前往該地區工作的人員數量大為減少,因此北緯58°項目最終沒有實施。

    1987年,布羅·哈珀德受邀作為倫敦切爾西和威斯敏斯特醫院中庭及內部廊道加蓋頂棚項目的顧問--那是我第二次有幸參與采用ETFE膜材的實際項目。最初,建筑師打算采用玻璃纖維頂棚,但我們建議采用鋁合金框架結構支撐乙烯-四氟乙烯聚合物(ETFE)氣枕頂棚的方案,以提高室內的透光量及保溫性能。該中庭通過空氣對流引入自然通風,從而成為半室外化的公共活動空間。醫院部分房間向中庭開窗,以解決通風和采光。此前,乙烯-四氟乙烯聚合物(ETFE)薄膜已經應用于多個游泳池頂棚的建造中。福伊特克公司(Vector Foiltec)特意為該項目開發了可以支撐三層膜氣枕的鋁合金框架。該頂棚結構中,包含了排水管道以及為氣枕充氣的管道,頂棚鋁合金拱架跨度達18m.在城市建筑中,由于對新材料的認知不足,ETFE氣枕式膜結構建筑時常被拿來與那些采用鋼或玻璃結合的傳統鋼結構進行比較。一份針對建筑全生命周期工程投資的調查表明,ETFE氣枕式膜結構相對低廉的維護成本較傳統結構存有巨大優勢。我們曾經參與設計的ETFE氣枕式膜結構頂棚,至今仍正常發揮著作用。更為重要的是,該項目為我們鋪平了在城市建筑中采用ETFE膜材的道路。作為項目設計師,本·莫里斯甚至轉而投向鋁合金支撐框架的構造研究,并最終加入并參與了福伊特克公司的發展。第三個我想介紹的工程項目是由一家新興公司委托的漢普郡網球俱樂部,他們希望設計方案能為俱樂部帶來嶄新的面貌。設計小組提議采用輕質、透明的ETFE膜材覆蓋整個網球中心,從而營造一種類似于戶外環境的效果,同時又可避免真正室外環境中存在的眩光、風雨等侵擾。通過與本·莫里斯的討論,我們最終決定采用張拉索支撐ETFE氣枕的方式形成罩頂。然而,當方案和資金投入均經過客戶的認可,準備進行詳細策劃時,合同談判卻令該項目的啟動日期一再延遲,最終僅剩下很短時間對建筑方案進行詳細推敲,項目最終于1995年竣工。事實證明,該工程仍然是非常成功的。

     俱樂部氣枕膜結構罩棚采用50%透光率的白色膜材。陽光直射在雙層膜面上,太陽影像被減弱成一個小紅斑。眩光的消除將俱樂部打造成為理想的網球場。夏天,所有的室內場地均被訂購一空,而那些免費的室外場卻無人問津。網球俱樂部的成功讓我意識到,ETFE氣枕系統與索網結構的結合對于大跨空間的實現將起到至關重要的作用。令人遺憾的是,在技術和工期都允許的情況下,英國的千年穹頂卻沒有采用ETFE氣枕式膜結構。

    從上述早期案例中不難看出,ETFE氣枕式膜結構在強度與耐久性上的表現沒有辜負人們的期望。即使存在風荷載的作用,局部的破壞也不會產生連鎖反應,專用膠帶可進行及時修復。不過在氣枕上行走卻是被嚴令禁止的。漢普郡網球俱樂部的頂棚就因穿著笨重工靴的維修工人的踩踏而留下了明顯凹痕。

    對于設計師來說,能夠找到一種適合的材料滿足覆蓋更大面積的場地的需求,是一件值得欣慰的事,我們甚至夢想借此可以實現籠罩整個城市。然而,ETFE氣枕式膜結構是否會被新技術所代替,新舊技術更替的故事是否會再一次上演?至少目前這種擔心是多余的。因為全世界各地正在涌現出越來越多的ETFE氣枕式膜結構項目,對于ETFE膜材產量的需求也在逐年增加。成本優勢及環境效益無疑是最大的驅動力。當然,技術更迭的風險始終還是存在的,系統故障導致的高昂修補費用也不可避免。然而使該技術表現不盡如人意的,恰恰是那些項目管理者。同氣承式膜結構相比,他們那些所謂的節約造價的要求,往往是由于降低了技術成本,為最終失敗埋下了種子。雖然ETFE氣枕式膜結構技術看似簡單,但只有通過認真的工程監管及完備的細節處理才能最大限度避免問題的產生。因而工程師和承建商都應慎重選擇。福伊特克公司作為這一方面的先驅者,致力于ETFE膜材特性的研究,通過他們不斷的創新,這項技術已經日臻成熟。



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