周洋，孫卓爾，錢(qián)鋮

（1.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院研究生部，河北 廊坊 065000；2.杭州市消防支隊(duì)，浙江 杭州 310016）

建筑膜材及氣膜結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀

周洋1，孫卓爾1，錢(qián)鋮2

（1.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院研究生部，河北 廊坊 065000；2.杭州市消防支隊(duì)，浙江 杭州 310016）

氣膜結(jié)構(gòu)已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于大跨度建筑中，但目前建筑膜材及氣膜結(jié)構(gòu)防火性能的研究匱乏，在一定程度上已經(jīng)影響到我國(guó)膜材、膜結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展。介紹了建筑膜材的種類(lèi)、特性，提出不同膜材的應(yīng)用選擇。再?gòu)哪辰ㄖげ姆阑饳z驗(yàn)出發(fā)，通過(guò)燃燒特性試驗(yàn)分析火災(zāi)危險(xiǎn)性，并結(jié)合建筑實(shí)際開(kāi)展大尺度點(diǎn)燃性試驗(yàn)，了解其整體防火性能，然后闡述氣膜結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。介紹了氣膜結(jié)構(gòu)主要用途以及防火性能方面的應(yīng)用案例。

建筑膜材；氣膜結(jié)構(gòu)；防火性能；特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)；工程應(yīng)用

0 引言

氣膜結(jié)構(gòu)由于只承受張力，可使材料受力性能得到充分發(fā)揮，加之其獨(dú)特的性能特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于大跨度建筑中。它以?xún)?yōu)良的織物為材料，由膜內(nèi)空氣壓力支承膜面，或利用柔性鋼索、剛性支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)彎曲內(nèi)面力傳送，將膜面繃緊，從而形成具有一定剛度、張力，能夠覆蓋大跨度空間的結(jié)構(gòu)體系。建筑膜材是氣膜結(jié)構(gòu)工程中所使用的主要材料，也是最重要的組成部分之一。它是由高強(qiáng)度的織物基材和聚合物涂層構(gòu)成的復(fù)合材料，有些膜材還包括面層?；臎Q定膜材的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，一般選用玻璃纖維或聚酯纖維；涂層對(duì)基材起保護(hù)作用，并形成膜材料的自潔、密封性能；面層保護(hù)基材，并改善表面性能。

1 建筑膜材的種類(lèi)與特性

1.1 膜材種類(lèi)

目前建筑膜材行業(yè)較為認(rèn)可根據(jù)建筑膜材防火性能將其劃分為A、B、C共3類(lèi)。A類(lèi)膜材防火性能最好，它以玻璃纖維為基材，涂敷PTFE而成，多應(yīng)用于大型膜建筑工程；B類(lèi)次之，它以玻璃纖維為基材，涂敷PVC而成，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多；C類(lèi)最次，它以聚酯纖維為基材，涂敷PVC而成，可應(yīng)用于一次性投資不高的建筑或臨時(shí)性建筑[1]；另外還有幾種特殊膜材。常用建筑膜材的分類(lèi)見(jiàn)表1。

表1 常用建筑膜材的種類(lèi)

1.2 膜材特性

為突出膜結(jié)構(gòu)豐富多彩的建筑造型及表現(xiàn)力，對(duì)建筑膜材特性的考察也極為重要。膜材特性主要是透光性、保溫節(jié)能性（現(xiàn)有公司生產(chǎn)的膜材一般按保溫系列、透光系列作分類(lèi)）。其它特性還包括防火性、吸聲性、自潔性、耐腐蝕性、抗菌性、輕質(zhì)柔韌性等。就防火性而言，如今廣泛使用的建筑膜材具有卓越的阻燃和耐高溫性能，能很好地滿(mǎn)足中國(guó)、美國(guó)、日本、德國(guó)等多國(guó)對(duì)于防火性能的標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。

2 建筑膜材防火性能

2.1 聚酯纖維基聚氯乙烯（PVC）建筑膜材防火檢驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)方法及檢驗(yàn)環(huán)境條件

本分級(jí)試驗(yàn)按照GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》進(jìn)行，為平板狀建筑材料燃燒級(jí)別。測(cè)試采用標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 20284—2006《建筑材料或制品的單體燃燒試驗(yàn)》、GB/T 8626—2007《建筑材料可燃性試驗(yàn)方法》。溫度21～25℃，相對(duì)濕度（50～55）%。

2.1.2 制品和試樣信息

（1）制品特征和最終應(yīng)用。其基材為經(jīng)編聚酯纖維基布，表面涂層為聚氯乙烯（PVC），型號(hào)：8028#，白色，面層添加了增塑劑、乙烯基含氟聚合物、滅菌丹和阻燃劑等，膜材厚度為0.8 mm。樣品數(shù)量為11.97 m2，面密度約949 g/m2。

（2）試樣安裝與固定。試樣背面不設(shè)基材，在試樣與背板間設(shè)置寬80 mm空氣間隙；試樣背板為厚12 mm、密度900 kg/m3的硅酸鈣板；試樣受火面為制品表面。

2.1.3 測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)表2）

表2 聚酯纖維基聚氯乙烯（PVC）建筑膜材性能

2.1.4 分級(jí)和直接應(yīng)用領(lǐng)域

按照GB 8624—2012第5.1的相關(guān)條款判定以下試驗(yàn)制品燃燒性能等級(jí)。

（1）燃燒分級(jí)。該建筑膜材燃燒性能符合B級(jí)的規(guī)定要求，附加分級(jí)符合s2，d0，t0級(jí)的規(guī)定要求，即燃燒性能等級(jí)為B1（B-s2，d0，t0）。

（2）直接應(yīng)用領(lǐng)域。本分級(jí)在該制品背面無(wú)其它基材條件下有效。

2.2 聚酯纖維基聚乙烯（PE）建筑膜材防火檢驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)方法及檢驗(yàn)環(huán)境條件與2.1.1相同。

2.2.2 制品和試樣信息

聚酯纖維基聚乙烯（PE）建筑膜材以聚酯纖維為基材，表面涂層為聚氯乙烯（PVC），面層上涂覆聚乙烯（PE）。

2.2.3 測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)表3）

表3 聚酯纖維基聚乙烯（PE）建筑膜材性能

2.2.4 分級(jí)和直接應(yīng)用領(lǐng)域

按照GB 8624—2012第5.1的相關(guān)條款判定以下試驗(yàn)制品燃燒性能等級(jí)。

（1）燃燒分級(jí)。該建筑膜材燃燒性能符合B級(jí)的規(guī)定要求，附加分級(jí)符合s3，d0，t0級(jí)的規(guī)定要求，即燃燒性能等級(jí)為B1（B-s3，d0，t0）。

（2）直接應(yīng)用領(lǐng)域。本分級(jí)在基材防火等級(jí)達(dá)A1或A2；采用機(jī)械方式固定；無(wú)空隙；無(wú)接縫條件下有效。

2.3 建筑膜材燃燒特性試驗(yàn)及火災(zāi)危險(xiǎn)性

建筑膜材本身屬于難燃材料，只有遇到明火時(shí)才緩慢燃燒，燃燒過(guò)程中也不會(huì)產(chǎn)生任何高溫燃燒滴落物和有毒氣體，但在受熱后表面收縮拉緊變薄，達(dá)到其臨界溫度后開(kāi)始融化，可能會(huì)出現(xiàn)破洞[3]。可是實(shí)際火場(chǎng)溫度高、熱量足，當(dāng)火場(chǎng)溫度超過(guò)其臨界溫度時(shí)，建筑膜材也許就會(huì)發(fā)生燃燒。加之氣膜建筑跨度廣、體量大，火勢(shì)可能會(huì)迅速蔓延，并產(chǎn)生大量煙氣，不利于人員疏散，還會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性造成破壞。TPO、PVC、EPDM三種膜材的燃燒性能試驗(yàn)見(jiàn)圖1。

圖1 建筑膜材燃燒特性試驗(yàn)結(jié)果

2.4 建筑膜材大尺度點(diǎn)燃性試驗(yàn)（見(jiàn)圖2）

通過(guò)對(duì)建筑膜材大尺度點(diǎn)燃性試驗(yàn)，可以觀察到不同高度下建筑膜材燃燒的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，獲得膜材性能參數(shù)變化以及燃燒臨界溫度[3]。進(jìn)行了某聚酯纖維基聚氯乙烯（PVC）建筑膜材的大尺度點(diǎn)燃性試驗(yàn)，以考察樣品在實(shí)際火災(zāi)中傳播火焰的性能和樣品受熱后熔融滴落現(xiàn)象的趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 建筑膜材大尺度點(diǎn)燃性試驗(yàn)結(jié)果

點(diǎn)火后觀測(cè)，樣品約在260℃時(shí)會(huì)融化，395.5～407.6℃時(shí)達(dá)到臨界溫度開(kāi)始燃燒，在600 s內(nèi)未出現(xiàn)明顯熔融滴落現(xiàn)象，但燃燒時(shí)有少量黑煙產(chǎn)生。隨著接近其融化溫度，材料會(huì)軟化、形成孔洞并造成材料破壞，這樣會(huì)為火災(zāi)提供通風(fēng)條件。但由于該膜材很薄、很輕，更多分散的碎片會(huì)被熱煙帶走，而不是掉落在地面上。在直接火焰的作用下，膜材將燃盡；但若離開(kāi)了火源，膜材自身立即停止燃燒，即自熄。熄滅火焰后，觀測(cè)到燃燒產(chǎn)物以一定的黏稠態(tài)存在，不完全是熱固性材料的燃燒狀態(tài)。

3 氣膜結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

3.1 氣膜結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

氣膜結(jié)構(gòu)所具備的良好性能特點(diǎn)給它帶來(lái)了明顯的優(yōu)勢(shì)，包括：超大空間性，施工難度低，建設(shè)周期短，可移動(dòng)搬遷，造價(jià)成本低，節(jié)能環(huán)保性，空間潔凈性，全智能控制，防火防災(zāi)能力強(qiáng)，建筑組合形式靈活等，如表4所示。

表4 氣膜結(jié)構(gòu)與其它結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析

3.2 氣膜結(jié)構(gòu)防火性能

氣承膜建筑用于大空間比普通建筑更有利：

（1）由于氣膜建筑氣密性好，構(gòu)建的大空間上部可以蓄煙，故熱煙氣下降緩慢，且有著上托氣膜的作用，這使得可用疏散時(shí)間更長(zhǎng)，同時(shí)保障消防員安全。根據(jù)美國(guó)規(guī)范ASCE 17-96計(jì)算，在停電失壓情況下，頂部塌落到2.1m高時(shí)的時(shí)間均大于10 h。

（2）由于膜內(nèi)是正壓，B1級(jí)建筑膜材如果燒熔，則燒熔部位會(huì)形成排煙天窗。如果火災(zāi)將氣膜燒破一個(gè)2 m2面積的洞口，頂部塌落到2.1 m高時(shí)的時(shí)間均大于1 h；如果火災(zāi)時(shí)將所有應(yīng)急門(mén)打開(kāi)，頂部塌落到2.1 m高時(shí)的時(shí)間均大于30 min。

（3）設(shè)置分隔水幕和檔煙垂壁，滿(mǎn)足防火、防煙分隔要求；安裝氣體滅火系統(tǒng)，保證室內(nèi)重要設(shè)備安全；布置機(jī)械單元風(fēng)口，減緩煙氣下降；使用特殊防火材料，確保結(jié)構(gòu)中7 m以下的膜材更安全。

4 氣膜建筑應(yīng)用

4.1 主要用途

（1）工業(yè)廠房：一是其自重輕的特點(diǎn)保證了廠房選址靈活性，受地質(zhì)條件影響小，土地利用率大大提高。二是氣膜建筑全封閉的建筑構(gòu)形、單一的進(jìn)出風(fēng)系統(tǒng)，能保證廠房空間所需的潔凈度要求，可應(yīng)用于食品加工業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生業(yè)、高端電子加工制造業(yè)、材料和生物工程、航空航天等領(lǐng)域的潔凈廠房、空調(diào)廠房。

（2）展覽展示：除了常見(jiàn)的展覽館、博物館、宴會(huì)廳外，氣膜結(jié)構(gòu)質(zhì)輕的特點(diǎn)使其可以在各種結(jié)構(gòu)上構(gòu)形，作為流動(dòng)展示中心宣傳。

（3）還可用于物流行業(yè)、體育場(chǎng)館、軍事領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)方面、環(huán)保產(chǎn)業(yè)、應(yīng)急救災(zāi)、極端條件下的人造空間等。

4.2 應(yīng)用案例

（1）工程概況及設(shè)計(jì)難點(diǎn)

赤峰二道井子遺址保護(hù)館地上1層，建筑高度25.50 m，建筑面積9772.13 m2，建筑功能為遺址區(qū)、展廳等，該館內(nèi)部有挖掘出的古代文化遺址，圍繞遺址保護(hù)區(qū)四周有7 m寬的走道，參觀游客都在走道上活動(dòng)（見(jiàn)圖3）。為最大程度對(duì)遺址進(jìn)行保護(hù)，該遺址保護(hù)館采用氣膜結(jié)構(gòu)，建筑耐火等級(jí)為二級(jí)，無(wú)室內(nèi)消防給水系統(tǒng)、自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。

圖3 采用氣膜結(jié)構(gòu)的赤峰二道井子遺址保護(hù)館

氣膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和大空間建筑的使用功能使得建筑設(shè)計(jì)防火問(wèn)題變得特殊而又困難。防火設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于：一是建筑耐火等級(jí)，遺址保護(hù)館屬于重要公共建筑，根據(jù)規(guī)范要求其耐火等級(jí)不應(yīng)低于二級(jí)。但由于其采用氣膜結(jié)構(gòu)形式，缺乏明確的規(guī)范對(duì)其防火措施和策略進(jìn)行規(guī)定，氣膜建筑的耐火極限能否達(dá)到二級(jí)耐火等級(jí)的要求需要加以論證。二是防火分區(qū)面積，根據(jù)GB 50016—2014規(guī)定，該遺址保護(hù)館防火分區(qū)的最大允許建筑面積為2500 m2。該保護(hù)館的遺址保護(hù)館建筑面積為9772.13 m2，只設(shè)1個(gè)防火分區(qū)不符合規(guī)范要求，但其建筑形式、通風(fēng)條件和火災(zāi)荷載等都不同于普通民用建筑，其合理性值得論證。

（2）可行性分析及解決方案

此保護(hù)館選用的建筑膜材8028#，外觀為白色板狀制品，厚度0.8 mm。其內(nèi)部為經(jīng)編聚酯纖維基布，表面涂層為聚氯乙烯（PVC），添加了增塑劑、乙烯基含氟聚合物、滅菌丹和阻燃劑等。耐火性能滿(mǎn)足美國(guó)加州防火規(guī)范、UL214、NFPA801和ASTM D6413等防火規(guī)范規(guī)定的2 s鐘離火自熄的規(guī)定；滿(mǎn)足ASTM E84防火規(guī)范規(guī)定的火焰蔓延指數(shù)小于25，煙霧擴(kuò)散等級(jí)小于450；符合ASCE 17—96防火規(guī)范規(guī)定的ⅡB類(lèi)材料。經(jīng)國(guó)家防火建筑材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)，其產(chǎn)煙毒性為ZA1級(jí)，燃燒性能達(dá)到GB 8624—2006的B級(jí)，相當(dāng)于達(dá)到GB 8624—2012的B1級(jí)。對(duì)選用的建筑膜材進(jìn)行燃燒特性試驗(yàn)，并分析結(jié)構(gòu)火災(zāi)危險(xiǎn)性、防火安全性，驗(yàn)證氣膜結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煙的有效性，運(yùn)用性能化方法對(duì)消防設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的解決方案。結(jié)果顯示，該保護(hù)館在加強(qiáng)消防設(shè)施的有效保護(hù)下，可達(dá)到規(guī)范要求的同等安全水平，即該項(xiàng)目現(xiàn)有消防設(shè)計(jì)可行。

[1] 李陽(yáng)，張其林.建筑膜材性能及試驗(yàn)研究現(xiàn)狀[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2006（2）：53-56．

[2] 陳歌，任婷婷，郭磊.氣膜建筑詳析[J].陜西建筑，2012（8）：5-7．

[3] 張媛媛，朱國(guó)慶，韓如適.氣承膜建筑材料燃燒特性試驗(yàn)[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2013，32（4）：360-363．

Performance feature and application status of building membrane material and gas film structure

ZHOU Yang1，SUN Zhuoer1，QIAN Cheng2
（1.Graduate Division of China People Army Police Force Academy，Langfang 065000，China；2.Hangzhou Fire Protection Detachment，Hangzhou 310016，China）

Gas film structure has been more and more widely used in the large span construction，but currently the scanty researches of fireproof performance on building membrane material and gas film had affected the development of our country's membrane material and membrane structure industry to a certain extent.This paper introduced type and characteristic of building membrane material，and presented application selection on different membrane material.Then starting from an architectural membrane material fire inspection，analyzed the fire risk by combustion characteristic test，combined with construction theory to carry out large scale fire test，realized their overall fireproof performance，then set forth the performance features and advantages of gas film structure. This paper introduced main application of gas film structure and application cases on fireproof performance in detail.

building membrane material，gas film structure，fireproof performance，features and advantages，engineering application

TU353

A

1001-702X（2016）08-0096-04

2016-06-14

周洋，男，1991年生，浙江杭州人，碩士研究生，主要從事消防工程技術(shù)研究及應(yīng)用。