APP 膜结构建筑就是以高强度柔性薄膜材料为膜面，在支撑杆和拉索的作用下，形成的稳定曲面，进而构建一种稳定的空间结构。美国南伊利诺依大学教授巴克敏斯特·富勒是对膜结构建筑理论贡献最大的科学家之一。他在20世纪50年代开始先后提出了“少费多用”和“Dymaxion House”生态设计方案。核心就是在建设过程中，要充分发挥材料自身特性，用最少且轻的材料建造尽可能大的空间。以他的理论为起点，膜结构建筑开始慢慢走进人们的生活。
膜结构建筑发展史
为了践行富勒等人的理念，很多建筑学家进行了卓有成效的实践。自1946年开始，美国工程师沃尔特·伯德建成了百余个充气结构，均采用尼龙、涤纶包裹着乙烯、氯丁橡胶制成的膜材。1957年，他又将自家的游泳池罩在一个充气膜结构中，并通过美国的《生活》杂志做了详细介绍，从而使充气膜结构被世人知晓。
1967年，蒙特利尔世博会上的德国馆成为膜结构建筑的一座里程碑。设计师奥托曾经是参加过二战的空军飞行员，他在一次战斗中成为俘虏，并被关押在一所战俘营中。他在那里为囚犯们建设临时性住所时，产生了这种设计灵感。在受邀设计德国馆时，他将这种设计理念付诸实践。该馆占地8000平方米，采用8根钢铁的桅杆和50厘米直径钢缆结成索网，膜面采用半透明的白色涤纶。
涤纶又称特丽纶，美国人称它为“达克纶”，在中国俗称“的确良”，是合成纤维中的一个重要品种，学名为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。这种材料制成的面料具有极优良的定型性能，大量用于制造衣着面料和工业制品。奥托的涤纶膜结构简洁美观，便于组装，与传统结构比起来造价相对低廉，为室外蓬式建筑提供了成功范例。
该建筑在当时轰动全球，为后来层出不穷的膜结构应用提供了范本。1970年，大阪世界博览会上，由建筑师戴维斯等人设计的美国馆成为膜结构建筑的又一代表作品。美国馆纵向跨度142米、横向跨度83.5米，是世界上第一个大跨度、低轮廓的气承式膜结构。在膜材方面，不再使用聚酯纤维，而是采用聚氯乙烯（PVC）涂层的玻璃纤维织物。聚氯乙烯是氯乙烯在一定条件下聚合而成的聚合物。1835年，美国V·勒尼奥用日光照射氯乙烯时生成一种白色固体，即聚氯乙烯。聚氯乙烯在建筑材料、工业制品、日用品等方面均有广泛应用。
大阪世界博览会上出现的膜结构建筑，被认为是建筑史上的一次历史性转折，是膜结构建筑时代开始的标志。自此，膜结构逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中，成为结构设计选型中的一个主要方案。膜结构建筑升级换代的重要特点，就是与石化领域的新材料研发密切相关。可以说，每出现一代新材料，就会造就新一代膜结构建筑，新型膜材及其应用技术是膜结构发展的基石。
特氟龙与千年穹顶
20世纪60年代，玻璃纤维织造技术发展迅速，得到了广泛应用，但仍然离不开聚乙烯基类作为表面涂层为其遮风挡雨。20世纪70年代初，美国杜邦公司成功研制聚四氟乙烯（PTFE）表面涂层材料。此后，以玻璃纤维为基布、以PTFE为涂层的现代织物膜材迅速问世。该膜材具有高强度、良好自洁性等优异性能，迅速在建筑工程上得到了广泛应用。PTFE膜材出现，也开启了膜结构被正式应用于永久性建筑的新时代。
聚四氟乙烯的发现是一个歪打正着的过程。1938年夏天，美国杜邦公司杰克森实验室的罗伊·普伦基特将四氟乙烯存放在干冰冷却的钢瓶里，为进一步做氯氟烃的研究做好准备。几天后，他和助手一起打开了钢瓶，按实验流程，他通过流量计将气化的四氟乙烯送入反应器。没过多久，他发现四氟乙烯停止了流动，而流量计却显示钢瓶里仍有四氟乙烯没有释放出来。普伦基特摇晃了几下钢瓶，发现里面有一些固体物质发出响动。他很奇怪，就用一把钢锯把钢瓶锯开，结果发现里面有相当多白色的粉末。他恍然大悟，这几天四氟乙烯在钢瓶里偷偷地发生了聚合反应，白色粉末就是聚合而成的聚四氟乙烯。
聚四氟乙烯的商品名称就是不粘锅上的涂料、大名鼎鼎的特氟龙（Teflon）。特氟龙是四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、耐高低温性、电绝缘性、表面不粘性等。不过，和应用于不粘锅相比，应用在高大美观的建筑物上更加光彩夺目。经过科学家们的努力，一种以玻纤织物为基材、以聚四氟乙烯为涂层的膜材最终问世。该膜材防火、不燃、不受紫外线影响，透光性较好，具有很高的自洁性和耐用性。
英国泰晤士河畔的千年穹顶就是采用这种膜材的杰作。18万平方米的千年穹顶覆盖膜材，最先采用的是以聚酯为基材的织物，效果并不理想，后来才改用涂聚四氟乙烯的玻璃纤维织物。千年穹顶膜材的改变一度成为英国媒体的话题。但最终该建筑还是在2000年到来之际展示出了膜结构建筑的美好形象。
软玻璃与水立方
特氟龙曾号称“塑料之王”，威风八面，但在膜结构中只是应用于膜结构的罩顶。进入21世纪后，应用更为广泛、技术要求也更高的一种膜材料ETFE（乙烯—四氟乙烯共聚物）开始独占鳌头。ETFE生料是一种无色透明的颗粒状结晶体。以它为原料挤压成型的薄膜是一种典型的透明非织物类膜材，广泛应用于膜结构建筑的罩顶和墙面，有“软玻璃”的美誉。
ETFE膜材具有高抗污、易清洗、不易燃、透光性好、使用寿命长等特点。最为重要的是ETFE膜可以循环利用，淘汰的旧料可以翻新为新的膜材料，或者分离杂质后生产其他ETFE产品。最为重要的是，ETFE树脂可通过模具塑成任何形状。这些优点使其成为永久性多层可移动屋顶结构的理想材料。
ETFE是由美国和德国的两家公司于1970年联手研发成功的。最初，只是想用它来做绝缘电缆之用，后来有人发现在化工、汽车、航空及核工业领域都有它的用武之地，有着广泛的商业价值。20世纪70年代，建筑领域开始关注ETFE这种新型材料。首先由德国一家公司用这种膜材代替玻璃建成了一种温室，用来种植各种植物。实验结论证明，植物长势良好，营养价值与户外作物没有差别。后续一些国家的实验证明，这种材料在户外历经10年的风雨，热学性能与机械性能几乎没有发生改变。这些实验数据为ETFE膜材在建筑领域的进一步应用铺平了道路。
2001年竣工的英国康沃尔郡的“伊甸园”温室工程采用的覆盖材料便是ETFE膜。采用这种膜材建成的“伊甸园”，白天不用照明，可以大幅度降低能源消耗。且质量很轻，仅为同面积玻璃质量的1%，可单独使用，使用寿命可达25年以上。
中国的膜结构应用实例也很多，仅仅在北京就可以看到水立方、鸟巢、世博园和国家大剧院等，每一个都堪称建筑史上的杰作。不过，在国内外获得奖项最多、最为著名的当属水立方。水立方能够获得如此之高的荣誉，要归功于外立面所使用的ETFE膜材。
水立方是世界上规模最大的ETFE充气膜结构建筑。这个长宽各177米、高31米的建筑结构，由3615个ETFE膜材制成的气枕组成，覆盖面积达到10余万平方米。气枕大小不一，为多种规格的不规则多边形，最大跨度为10.75米，最大气枕面积约70平方米，最小气枕面积不足0.5平方米。一块块气枕好像一个个“水泡泡”，给水立方穿上了一件蓝波荡漾的外衣，凸显了国家游泳馆的建筑主题。这种“泡泡装”有自洁功能，使膜的表面基本上不沾灰尘。即使沾上灰尘，自然降水也足以使之清洁如新。此外，膜材料具有较好的抗压性，人们在上面“玩蹦床”都没问题，“正常的放上一辆汽车都不会压坏”。
ETFE膜材与现代建筑设计理念的完美结合，造就了新颖奇特、美轮美奂、充满灵气与神韵的陆上水世界，使水立方成为举世瞩目的中国标志性建筑之一。
作者：崔玉波（中国石油学会石油知识杂志社）
