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在中国的建筑界,国家游泳中心即“水立方”不仅在设计上体现了创新,在材料上也应用了备受建筑界关注的膜材料(
ETFE——乙烯四氟乙烯共聚物),ETFE新型环保节能的膜材料被应用在“水立方”的外墙和屋顶。
多方考量 选中ETFE
“当初做了许多不同材料试验,包括
玻璃、
阳光板、
玻璃钢等,但是这些材料的重量、跨度等无法达到‘水立方’的设计需要。”中建国际北京设计顾问有限公司结构工程师张欣表示,比如跨度方面,“水立方”的立面与屋面上的气枕最大达到了90平方米,其他材料的极限尺寸无法达到,而用完全整片的材料做上去,也会影响“水立方”的
气泡效果。曾经想用玻璃钢,但玻璃钢无法达到要求中的理想透光效果。
“水立方”项目德方负责人、北京泰克斯隆科技发展公司项目经理韩更赞指出,ETFE最早在建筑方面应用的是欧洲,主要用于建筑的
采光带、游泳池及嬉水乐园。此膜材已经经历了30年抗气候检验,到目前为止没有退化变质迹象。这些测试包括膜屋顶系统置于高紫外线
辐射地区和特别的高污染区,并且此膜材不需要任何化学
添加剂来
防腐,因其本身有很强的紫外线穿透性同时不受紫外线侵蚀。
自2005年参与“水立方”
幕墙工程设计和建设的张欣谈起ETFE就赞不绝口,“它的优点非常多,它的特性使设计得以实现。”张欣表示,这个材料研制本意是应用于太空中的空间站、航天飞机等,因为此材料不怕阳光照射,使用年限较长,不用经常更换。上世纪80年代初被应用到建筑物上,首次应用在荷兰一家动物园的屋顶结构,其承包商也是目前“水立方”的承包商,即北京泰克斯隆科技发展公司,后来相继在欧洲出现了很多类似的建筑物。大多数已落成的建筑物使用ETFE气枕作为
天窗(词条“天窗”由行业大百科提供)或植物园的外墙和屋顶,主要原因是它具有非常好的
采光(词条“采光”由行业大百科提供)特性、质量轻不需要复杂的支撑系统,可以最大限度地保证建筑师要求的视觉通透感。
从审美水平来看,ETFE材料强化了建筑物的主题。它们柔软的外形,给人以泡沫一样的感觉,更像建筑物的一件有活力的“充气夹克”。
优点显著 仍需研究
从简单的优点来说,首先是ETFE的寿命比较长,可达30年,一般幕墙寿命为15年。其次是
透光率高,
透明膜材透光率可达98%,与透明玻璃的
透明度相同,可以附着不同的色彩。同时,膜材非常薄、重量非常轻,“水立方”使用的最厚膜材为250微米,最
薄膜材为80微米。尽管如此之薄,但
拉伸能力非常强,在300%~400%的拉伸力下,才会发生
脆性变形而被破坏,而在100%的拉伸力下,膜材被拉伸后仍然可以恢复原形。
韩更赞指出,屋面系统可以承受局部雪载和风载,膜材具有很高的
抗拉强度及抗撕裂能力,可以防止细微刮口发展成较大裂痕。“我们设计过的屋面系统可承受220公斤/平方米风吸引力,可承受300公斤/平方米
雪荷载。”
此外,ETFE
熔点高,为270℃,遇到明火
熔化时无滴落物,基本不产生烟雾。ETFE气枕的声学效果在试验室经过试验,是低频透射,高频反射的材料,可以通过一些手段,即使用足够面积的
吸声材料将高频声波吸收掉,以达到降低混响时间的目的。ETFE的
保温(词条“保温”由行业大百科提供)隔热性能比较好。这是缘于建筑物的特殊构造,立面和屋面均由两层气枕组成,立面每个气枕由三层膜材组成,屋面每个气枕由四层模材组成,三层膜或四层膜之间构成封闭的空腔。充气后,空气可以起到
隔热保温的功效。目前业内保温较好的
中空Low-E玻璃的
传热系数为1.8左右。在试验室里测试过一层膜、二层膜及多层膜的隔热效果,经过计算立面双层ETFE气枕墙体的传热系数为1.1,传热系数越小表明保温隔热效果越好。
通过这样的设计与分析,经过试验室测试,“水立方”与标准的
节能建筑物相比,可以在节能65%的基础上再节能9%。
具备如此多的优势,但张欣认为ETFE与一般的幕墙结构相比,其造价更是非常有竞争力。从“水立方”来看,其造价并不是很高。
“其实,现在对ETFE的了解还是不够的,尽管做了这么多试验,有些性能还是没有完全掌握,比如说热功方面,在试验室里做大量的测验,大多数情况下停留在理论测试和数据计算上面,在真正的建筑物里还没有得到热功方面的数值,是否与理论数据相符合,如果有出入还需继续研究。”张欣说。
国家游泳馆,又叫水立方,国家游泳中心,是北京市委市政府指定的唯一一个由港澳台侨同胞捐资建设的标志性奥运场馆,由北京市港澳台侨同胞共建北京奥运场馆委员会负责捐资建设事务。以"新北京,新奥运"为主题,