ETFE充气膜结构设计方法及应用

■ 王 凯 Wang Kai

0 引言

ETFE膜建筑是一类新型的膜建筑结构体系，其设计方法与普通膜结构有着较大区别。以ETFE薄膜为代表的氟树脂薄膜以其出色的透明性、耐候性和环境适应能力等特性，于近几年在国内开始进行了工程应用。但目前ETFE充气膜结构工程的一些设计、制作、安装方法仅掌握在少数几家膜结构工程公司手中，国内外很少有公开发表的文献。作为一种新型的建筑结构形式，各个公司的ETFE充气膜结构工程设计方法还并不成熟，需要通过实际工程以及各种试验来加以完善。本文主要利用近几年参与的ETFE实际工程设计，结合国内外的一些资料，对常规ETFE充气膜结构的一般设计方法进行研究，希望能给设计人员提供参考。

1 ETFE充气膜结构系统的基本构成

1.1 ETFE薄膜的性能

ETFE薄膜是由乙烯-四氟乙烯共聚物占95%以上的树脂形成的薄膜，是透明建筑结构中品质优越的替代材料。表1是ETFE树脂的代表特性。

对于减少紫外线的透射率、防止结露、图案设计（着色、黏贴图案）、赋予遮光性能等不同要求，可以通过加入添加剂、涂刷表面改良剂和印刷等方法予以解决。表2列出了ETFE膜材的技术参数。

ETFE膜厚度通常在12~250μm之间。以旭硝子公司的产品为例，用于温室的N型透明膜，厚度在12~200μm之间。而用于民用建筑的NJ型透明膜，厚度分为100μm、150μm、200μm和250 μm几种。从目前技术工艺，最厚尺寸是300μm。

民用建筑常用的NJ的常规供货宽度为1 600mm。膜材一般按70kg/卷或140kg/卷进行制作。200μm厚ETFE膜材，每卷供货长度为125m或250m，但如果是250μm厚ETFE膜材，每卷供货长度为100m或200m。

1.2 ETFE充气膜结构系统的基本构成

在气枕式板块中，通过加压设备提供稳定内压，用于控制外力产生的变形和防止兜水现象的发生。加压设备主要由动力源、送风机、通风管道和压力调整装置构成。根据运行、用途和规模，还需配备控制干瘪现象发生的内压自动控制装置或逆流防止阀、备用送风机和备用动力源等设备。除了平常内压，在积雪时和暴风时，在运行过程中应调整其内压。因此除了压力调整装置以外，还需配备内压计、风速计等检测设备，以及配套空气除湿设备和自动控制设备。图1为ETFE充气膜结构系统的基本构成。

表1 ETFE树脂的代表特性

表2 ETFE膜材的技术性能

2 ETFE充气膜结构的设计方法及基本过程

ETFE充气膜的结构设计方法与一般的玻璃纤维膜材及聚酯纤维膜材类似，ETFE充气膜的设计过程也包括找形设计，荷载响应分析，裁剪设计等几个主要部分，不同的是多了一个充气系统设计的部分。

2.1 找形分析

ETFE气枕形态为正高斯曲率双曲面，是靠膜面内外的气体形成的压力差成形、施加预张力和保持稳定。膜面内力与其曲率成比例，曲率半径越大，内力越大。膜结构的找形设计方法目前主要是计算机模拟技术，有力密度法、动力松弛法、小模量几何非线性方法等。可以从相关文献[1~4]中找到详细的方法和过程，在此不再赘述。

ETFE气枕的初始预张力一般取0.4~1kN/m，且不应超过1kN/m，以避免初始预张力过大。内压一般取200~300Pa，跨距3m以内的气枕取低值，3m以上取高值。

在方案设计时，可以采用以下方法[5]进行快速确定预张力水平及其内压水平的关系和取值范围。采用等张力设计时，假设气枕式ETFE膜结构在气压Pc作用下，薄膜单位长度所受的拉力为T，气枕式膜结构的边界条件，周边的Z=0。由弹性力学导得的薄膜微分方程可以推导出以下方程。

2.1.1 矩形平面（图2）

2.1.2 等边六边形平面（图3）

当x=y=0时，矢高Z=f0，则

2.1.5 等边三角形平面（图6）

2.2 荷载分析

ETFE膜结构的设计荷载取值除了需要遵循《建筑结构荷载规范》、《膜结构技术规程》的要求外，还应根据建筑环境、造型、使用功能等仔细分析确定。

与一般的膜结构设计一样，ETFE膜结构设计实际为非统一可靠度设计方法。例如，对于常用的普通房屋和构筑物的50年设计使用年限，主体钢结构结构支撑体系、连接结构体系均应具有统一的可靠度，即按95%保证率确定50年设计使用年限内的荷载设计值；而膜结构的设计使用年限是小于50年的，一般来说应考虑25年的设计使用年限，到期需要更换膜材。但膜材荷载设计值应与主体结构取值一致。

2.2.1 荷载类型与荷载组合

荷载包括风荷载、雪荷载、预张力、自重、活荷载、施工荷载等，其中风、雪荷载、预张力一般为膜结构工程设计控制荷载。按承载能力极限状态设计时，应按表3所列的组合类别进行荷载效应分析[6]。

2.2.2 ETFE材料参数及强度的确定

表3 荷载效应的组合

通过具有ETFE薄膜的单轴拉伸试验[8]，得出的应力-应变关系可知，从张拉初期到材料断裂，曲线都有两个明显的屈服点。图7为ETFE膜材应力应变曲线图，可取两段切线的交点处的应力作为容许应力法设计时的拉伸屈服应力。

对第一阶直线，取应变 (0.25%)和(1.25%)对应曲线上的应力 和 为代表值。第一阶直线通过原点，可得直线方程：

对第二阶直线，取应变ε21(3.5%)和ε22(12%)对应曲线上的应力σ21和σ22为代表值。第一阶直线通过原点，可得直线方程：

将以上2个直线方程，结合大量的试件单轴拉伸试验结果[7~8]，可以得到各试件拉伸屈服应力σ，取其均值 作为一般结构设计时的拉伸屈服应力fy。

根据大量单轴拉伸试验数据，结合国内外公开发表的文献[7~11]，对容许应力设计法和极限状态设计法下的ETFE膜材弹性模量、剪切模量和泊松比的取值如表4。同样的，对于ETFE薄膜的最大设计应力，亦可通过试验数据得到在不同的设计方法下的参数(图8、表5)。

表4 ETFE薄膜的弹性模量、剪切模量和泊松比

表5 ETFE薄膜的设计应力

2.3 充气系统设计

2.3.1 充气控制系统

由于一台送风机要控制多个气枕，所以气枕内压的控制只能是通过开启或关闭充气管道靠近送风机排气端的阀门来控制，而不是通过改变送风量。气枕的内压由3个参数决定，它们分别是常时的内压、强风时内压和积雪时内压。由于气枕式有很高的气密性，气枕内部的空气在收到阳光照射时会膨胀，导致内压升高。气枕还需要一个排气阀来避免压力的异常上升。图9是控制系统的基本工作流程图。

2.3.1.1 常时状态下的内压控制

内压控制与设计内压有关。根据实际的工程经验，一般取设计内压A(Pa)的+10%作为上下限。当气压低于设计内压的10%(下限)时，送风机开始启动并送风。当气枕内压回复到设计荷载时，送风机停机。

2.3.1.2 内压异常时的控制

当阳光暴晒导致气枕内压超过设计内压的20%时，排气阀门就会打开，用来减小内压直至降到设计内压。需要注意的是，阵风吹袭也会造成内压的突然上升，为了避免这一点。必须想办法让充气系统能识别这种异常情况，可以利用延时装置，当异常情况持续一段时间(大约10s左右)，充气系统才会开始工作。

2.3.1.3 强风时的内压控制

当风速计测得的风速信号超出设定值，系统将会发出强风信号并启动强风控制系统。这里测得的风速是瞬时风压。强风时的内压控制与常温下的内压控制相同。只是这时的设计内压取的是强风条件下的设计值。

⑴当气枕受到正风压作用时，气枕的体积会减少，内压会开始上升。上涨的内压强度会维持一段时间，与此同时，气枕的空气体积会因为气体渗漏有所减少。当风荷载作用结束后，再补充气体回到常规状态。

⑵当气枕受到风吸作用时，体积会增加而内压减小。当内压的减小达到下限时(设计内压的-10%)，送风机就会给气枕充气，直到内压回复到设计值。

当控制系统在持续一定时间(超过30min)内没有收到新的强风信号时，即可关闭强风时的工作状态。但若是接收到新的信号，系统会再次重启工作保证结构的安全。

2.3.1.4 积雪时的内压控制

当测雪计监测到积雪达到一定程度时，就会发出信号，启动积雪时的工作状态。

当气枕受到雪荷载作用时，体积会减小同时内压上升。上涨的内压强度会维持一段时间，与此同时，气枕的空气体积会因为渗漏有所减少。当雪荷载清除后，需要再补充气体回到常规状态。

同样的，当控制系统在持续一定时间(超过30min)内没有收到新的积雪警告信号时，即可关闭积雪时的工作状态。但若是接收到新的信号，系统会再次重启工作。

当积雪荷载超出设计荷载，气枕的内压会异常上升。但此时若打开排气阀，很可能因为排气降压导致气枕塌陷。为避免这种情况，程序在积雪控制工作状态时不会对内压上升进行响应。

2.3.2 充气管道的配管设计

充气管道配管设计包括线路布置和材料选择两个部分。线路布置应尽可能使用直线。材料上应优选压力损失最小的材料。配管设计应综合考虑安全性、易维护性、经济性这几个指标。配管设计分为并联配管和串联配管两种基本形式，两者可以复合使用。

串联配管与并联配管相比，管件的用量少。但是气枕的内压与其在体系中的位置有关系，如气枕离主管的远近。并联配管可以保证气枕之间的相互独立性，以及内压的平衡。但是并联配管必须给每个气枕配置内压监测仪和阀门，这对成本有着极大的影响。

在选择配管是串联还是并联的时候，需要考虑到有气枕损坏或者凹陷的可能。如果采用串联配管，当其中一个气枕损坏，那所有与其相连的气枕均会凹陷，因为其余气枕的空气会从这个损坏的气枕泄漏出去。若采用并联配管损失就会小得多了，只需要将配置在这个气枕上的阀门关闭就可以了。但根据工程规模，随着气枕数目的增加，并联配管的成本会不断上升。无论采用哪种配管方式，都需要考虑和制定一个周密的计划，将气枕损坏造成的损失降低到最小。

一般采用一个阀门来对多个气枕进行压力控制的时候，气枕数目不宜超过5个，且气枕总的面积不超过150m2。

一定体积的空气在充气管中流动时就会产生压力损失。压力损失的大小取决于充气管的属性，例如长度、表面粗糙度、弯头形式和数量、充气管横截面的变化程度，以及空气在管中的流速。所以配管设计对于保证整个结构的安全使用是十分重要的。

关于压力损失的计算，可以采用下面的公式来评判：

式中，P—压力损失(mmAq)；

V—流速(m/s)(V=Q/60A)；

γ—气密度(kg/m3)，20℃时空气密度1.2kg/m3；

ξ—管固有损失系数；

g—重力加速度(9.8m/s2)。

2.3.3 送风机的选择

送风机在控制系统成本组成中占有较大比重，对整个结构的建设成本和维护成本都有较大的影响。送风机的选择，需要根据压力损失和必要送风量两个指标来确定。

目前市面可以选择的送风机，主要有离心式风机、涡轮风机、多级风机等等。在选择送风机时，要关注风机的机外静压这一指标，这是决定风机送风能力的一个关键指标，数值越大，送风能力越佳。

每一个ETFE气枕外周都是通过热合焊接，将两张或多张ETFE膜片复合在一起的，所以气密性很好，气体的渗漏很少。在设计时，可以取泄漏量为0.15m3/h/m2(展开面积)进行计算(根据进行的六边形气枕泄漏量试验，泄漏量测定一般在0.05m3/h/m2左右)。

2.3.4 导管和配件的选择

送风导管应该选择在工作压力时变形小、气体泄漏量少的导管，还要根据运行荷载、外荷载、环境来选择合适的形状和材质。

ETFE气枕在受到风荷载作用或充气时都会发生一定的位移，所以在靠近气枕一端应选择能够跟随膜面位移的导管。

除导管之外的配件，还有电动阀门、排风口、送风口等等。阀门可以选择能自动运作的电动阀或电磁阀。为防止电力中断，电动阀门最好有弹簧复位功能，当电力中断时自动关闭阀门。

2.3.5 压力调整装置

压力调整装置包括风速计、积雪计、微差压传感器(用于监测气枕内压变化)以及控制台(用于操控电动阀门的开关)。

风速计应该安放在能够确保正确探测到风速的位置。对于规模较大、建筑立面复杂的结构或者其他特殊场合，需要设置多个风速计。积雪计的设置要求同风速计(如果假定积雪会长期残留在气枕上时，需要给程序设定一个区间值，让控制程序能自行判断是否需要降低气枕内压)。

连接气枕与微差压传感器的压力导管要尽可能的短。如果用一个微差压传感器来监测多个气枕的内压，传导到传感器的压力值实际为这些气枕的平均内压，此时连接这些气枕的导管总长不应超过50m。

为了保证整个系统的稳定性，要配置两组相同规格的送风机，其中一组备用。两组设备间隔使用能延长设备的使用寿命。

2.3.6 备用设备及保障对策

从运行角度考虑，如果发生停电时，最好能有一套紧急发电装置保持系统工作。当然初期投入的成本会比较高。这需要根据建筑功能和必要性来综合考虑。除此之外，还可以通过以下的措施来保障整个结构的安全和使用功能。

⑴内压的降低会导致气枕凹陷和积水，在设计阶段的时候，对气枕上层膜坡度应控制在至少5°以上，最好是10°以上。

⑵在送风机出气口处设置一个止回阀，这样至少能保证在充气过程中发生突然停电，导致电动阀门无法关闭，这时止回阀能够防止气体回流，防止气枕内压的快速下降。

⑶设置两组或多组送风机，当一组送风机无法工作时，其他的机组可以替代。

另外，对具体工程还可结合建筑物的形状、坡度来具体制定更多的保障性措施。

2.3.7 其他注意事项

在ETFE充气膜结构的使用过程中，还需要考虑防结露，防尘，防浸等措施。

⑴内部结露：在多雾或者平均相对湿度＞75%以上的地区，会在ETFE气枕内部产生结露现象。应该在送风机进气口处连接一台除湿机，来保证充入气枕的气体是干燥的。推荐采用处理风量大的干式除湿机。外部空气的湿度由湿度计进行监测，大于设定值就启动除湿机。

⑵防尘措施：在送风机进气口设置过滤器可以有效防止灰尘或者外部异物进入。

⑶防浸措施：对于需要考虑某些情况导致水流渗入的气枕，可以在下层膜底部根据需要设置一个易于操作的排水旋塞。

2.4 裁剪分析

对于ETFE膜结构常用的双层及多层气枕而言，裁剪分析就是将在一定预张力及内压作用下的空间曲面，在平面上展开，在进行拼接的过程。由于空间膜曲面由平面膜裁切片热合而成，当膜面为不可展曲面，需要采用特定算法和准则展开为近似平面。

裁剪设计主要分为确定裁剪模型，选择裁剪方法，膜裁切线布置，确认膜面的应变补偿值，裁剪作业，裁剪片排版等几个步骤。

2.4.1 裁剪模型

由于计算机模型是用三角网格来模拟光滑的膜面，因此对于裁剪模型的网格划分精度是有要求的。一般而言网格的密度至少应为8×8，同时网格边长应小于250mm。

2.4.2 裁剪方法

一般常用的裁剪方法为测地线法、切面法。测地线法为曲面两点间距离最短的一条线。将测地线作为膜裁切线，对于可展曲面而言，展开后的测地线是直线。用测地线作为裁剪线可以使裁剪片幅宽大致相等，从而达到拼接简单和减少损耗的目的。目前测地线是裁剪设计中最常用的方法。

2.4.3 膜裁切线布置

膜的裁切线一般而言宜与荷载下的最大主应力方向平行，还要考虑膜拼接裁剪片之间的搭接强度，制作的工艺性、经济性。

除此之外，膜拼接焊缝的布置应结合建筑效果整体考虑。裁切线应结合建筑效果，保证布置的均匀性、对称性、韵律性，使其与建筑造型、韵律性协调统一。相邻对接膜片之间裁切线宜对缝，保证视觉连续和整齐。

2.4.4 裁剪作业

需要说明的是，ETFE焊缝的连续性主要是针对同一层膜面来说的，不同膜面之间的焊缝是有一定的间距的。由于ETFE气枕由两个以上的膜片复合而成，且ETFE膜片很薄，从气密性考虑，上下层膜片的焊缝应该错缝布置。而且从焊接性能角度考虑，若上下层甚至中间层都在同一位置拼接的话，焊缝处由于焊接硬化，在受外荷载作用时，极易在焊缝接合处撕裂。所以不同层之间的焊缝按构造应错开20mm。

2.4.5 裁剪片排版

目前主要的几家ETFE充气膜结构工程厂商均使用膜材裁剪的全自动化系统，设定排版控制程序，主电脑控制裁剪机，实现从设计到裁剪的无缝连接，避免了人工排版可能出现的误操作。

3 ETFE充气膜结构的应用

ETFE薄膜有较好的自洁性、耐候性，上世纪80年代在欧洲开始应用于温室结构。随着对研究的进展，及其高透光度与灯光配合产生的梦幻效果，越来越多的被应用于住宅和公共建筑的屋盖、墙面遮阳等领域。在工程上ETFE膜材大多被做成双层或多层气枕，近年最具代表性的建筑物就是2006年世界杯主赛场德国慕尼黑安联体育场，以及2008北京奥运会的“水立方”国家游泳中心。目前国内的一些地产公司在研发低碳绿色智能住宅产品时，也注重与ETFE膜结构的结合使用，比如2010年世博会“万科馆”就采用了屋面镶嵌蓝色透明的ETFE膜气枕天窗，能够通过自然采光照明降低照明和空调的能耗。

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