膜結(jié)構(gòu)建筑的特點及應(yīng)用展望
2021-10-14
1970年日本大阪萬國博覽會的美國館與富士山館由于采用了膜結(jié)構(gòu)，引起了與會者和游人的濃厚興趣，也引起了世界建筑界的轟動。 隨后的幾十年里，膜結(jié)構(gòu)建筑在美國、加拿大等發(fā)達家迅速發(fā)展起來。我國自20世紀70年代以來，一些科研、設(shè)計單位與高等學(xué)校便開始對膜結(jié)構(gòu)進行研究。膜結(jié)構(gòu)的找形分析、荷載分析和截面分析等關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)也取得了一定的進展，為我國膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用奠定了一定的技術(shù)儲備。本文主要介紹膜結(jié)構(gòu)建筑的特點、類型、設(shè)計施工以及在我國的應(yīng)用情況。 1 膜結(jié)構(gòu)建筑特點 是用高強度柔性薄膜材料與支撐體系相結(jié)合形成具有一定剛度的穩(wěn)定曲面，能承受一定外荷載的空間結(jié)構(gòu)形式。由于充分發(fā)揮了材料抗拉強度高的特性，昆明膜結(jié)構(gòu)廣場景觀廠家，使得膜結(jié)構(gòu)建筑具有以下優(yōu)點: 1.1 跨度大 據(jù)有關(guān)資料推測,跨度越大的建筑,采用膜結(jié)構(gòu)越能體現(xiàn)其經(jīng)濟性。目前充氣結(jié)構(gòu)建筑的無內(nèi)柱空間路度可做到200m以上。 1.2 結(jié)構(gòu)重量輕 膜材本身輕，支承膜材的鋼桿、鋼材與鋼索比相應(yīng)的鋼筋混凝土也減輕不少重量。1970年日本大阪---博覽會中的美國館，紅河膜結(jié)構(gòu)看臺，屋面重量每平方米僅1122kg。 1.3 施工方便 膜材可以在工廠預(yù)制成卷材成品,與鋼材一樣便于工業(yè)化生產(chǎn),便于運輸安裝,施工時也不需搭建腳手架,工期較短。1979年能容納5萬人的美國卡里阿體育館，只用了一年多，現(xiàn)在建造較大的膜結(jié)構(gòu)建筑，只需幾個月就能完工。 1.4 造型美觀 膜結(jié)構(gòu)建筑由于結(jié)構(gòu)組合形式的多樣性,其造型也極為豐富,它具有一般建筑無法比擬的表現(xiàn)力,加上膜材的顏色可以任意選擇,更加強了藝術(shù)感染力。 1.5 費用低 膜材本身是裝修材料，可減少建筑的二次裝修費用；膜結(jié)構(gòu)建筑屋面膜材透光性好，能透過大量柔和的自然光，降低白天的照明費用以及整個建筑的供熱與空調(diào)費用。對于同等大小的建筑，采用膜結(jié)構(gòu)，其成本至相當于傳統(tǒng)建筑的二分之一或是更少。特別是建造短期應(yīng)用的大跨度建筑時,就更為合算。如今,膜結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于各類建筑結(jié)構(gòu)中,如:體育場館、游泳館、商場、大面積溫室、公共建筑、廠房設(shè)施等。 2 膜結(jié)構(gòu)建筑常用結(jié)構(gòu)型式 柏恒科技膜結(jié)構(gòu)歸于空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng),它不同于一般的鋼、木、磚和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),是繼網(wǎng)架、薄殼、懸索結(jié)構(gòu)之后新崛起的一個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。近三十年來，預(yù)應(yīng)力索在結(jié)構(gòu)體系中的作用和優(yōu)勢已為---所充分認識，各種新型索和膜結(jié)構(gòu)體系得到了---的研究和應(yīng)用。從膜結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和受力特點可將膜結(jié)構(gòu)分為框式膜結(jié)構(gòu)、張拉膜結(jié)構(gòu)和充氣膜結(jié)構(gòu)三大類。 2.1 張拉膜結(jié)構(gòu) 張拉膜結(jié)構(gòu)是通過邊界條件給膜材施加必定的預(yù)張應(yīng)力,膜既是建筑物的保護體又作為結(jié)構(gòu)以反抗外部荷載的效果,因此在必定的初始條件下,其形狀的斷定、在外荷載效果下膜中應(yīng)力分布與變形以及怎樣用二維的膜資料來模擬三維的空間曲面等一系列復(fù)雜的問題,都需通過計算斷定,張拉膜結(jié)構(gòu)的開展離不開計算機技術(shù)的前進和新算法的提出。 2.2 充氣膜結(jié)構(gòu) 氣承式膜結(jié)構(gòu)依靠曲面內(nèi)外氣壓差來維持膜曲面的形狀。氣承式膜結(jié)構(gòu)是在由膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成的室內(nèi)充入空氣，張拉膜結(jié)構(gòu)，保持使室內(nèi)的空氣壓力始終大于室外的空氣壓力，由此使膜材料處于張力狀態(tài)來抵抗負載荷及外力的構(gòu)造形式。充氣膜結(jié)構(gòu)可以分為單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和雙層社會結(jié)構(gòu),單層結(jié)構(gòu)設(shè)計如同肥皂泡,單層膜的內(nèi)壓大于外壓。此結(jié)構(gòu)具有大空間,重量輕,締造簡略的特色。但需求不斷輸入超壓氣體及需日常保護辦理。雙層結(jié)構(gòu)是雙層膜之間充入氣體,和單層相比能夠充入高壓空氣,構(gòu)成具有必定剛性的結(jié)構(gòu),而且進出口能夠敞開。 2.3 框式膜結(jié)構(gòu) 骨架式膜結(jié)構(gòu)中的膜面僅僅起到對骨架結(jié)構(gòu)的維護作用，骨架結(jié)構(gòu)可以是傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)，也可以是各類索結(jié)構(gòu)。 3 膜材料 21世紀建筑領(lǐng)域發(fā)展趨勢之一是采用新材料。膜結(jié)構(gòu)建筑的開發(fā)與應(yīng)用，膜結(jié)構(gòu)景觀設(shè)施批發(fā)商，擺脫結(jié)構(gòu)對鋼材、木材、混凝土等傳統(tǒng)材料的依賴，為建筑帶來一場新的革命。用于膜結(jié)構(gòu)建筑的膜材料是在用纖維織成的基布上涂敷樹脂或橡膠等而制成的,高強度聚酯纖維是膜材的基質(zhì),保證膜材的強度;高分子聚合物涂層保證膜材的密實性;而惰性材料涂層則主要是保證膜材的自潔性。膜材料與金屬、木材等建筑材料不同，它具有柔軟性、透光性等特性，海北膜結(jié)構(gòu)，而且膜材料的基布是織物，由于織物徑向(經(jīng)紗)與緯向(緯紗)的特性不同，因而膜材料是一種異向型非線性材料。基布主要承擔抗拉、抗撕裂、耐火、耐久、自潔、可染、膜材料間的溶解性等機械性能。 目前,膜結(jié)構(gòu)建筑中常用的材料主要有聚四氟乙烯(PTFE)膜材、聚(PVC)膜材和加面層的PVC膜材:PVDF膜材和PVF膜材。 PTFE膜材料商品名叫特氟隆（Teflon），是在玻璃纖維布基上敷聚四氟乙烯樹脂（簡寫PTFE），且這種樹脂的含量大于90%。PTFE膜大的特微就是耐久性、防火性與防污性高。但P T F E膜與P V C膜比較，材料費與加工費高，且柔軟性低， 在施工上為避免玻璃纖維被折斷，必須有專用的工具與旆工技術(shù)。 PVC類膜材料的布基織物為聚脂或聚胺脂等，涂層為PVC樹脂，或氯丁橡膠類物質(zhì)，一般另加有聚氟乙烯(PVF)或聚偏氟乙烯(PVDF)類面層。pvc膜材在材料及加工上都比ptfe膜便宜，且具有材質(zhì)柔軟、易施工的優(yōu)點。但在強度、---性、防火性等性能上較ptfe膜差。為了---pvc膜材的耐火性及防污性，近年來已研發(fā)出以氟素系樹脂于pvc涂層材的表面處理上做涂層。 為了解決PVC膜材的自潔性，膜結(jié)構(gòu)，在PVC涂層上再涂上PVDF膜材料。PVDF是聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride）的簡稱，可以抵抗由紫外線引起的降解，顏色變化，失去光澤，抵抗腐蝕，抵抗臟污，抵抗發(fā)霉。PVDF膜與一般的PVC膜比較，耐用年限可達7-10年左右，耐火性基本上達到了難燃級水***。 PVF膜材是在PVC膜的表面處理上以PVF樹脂做薄膜狀薄片(1aminate)加工，比PVDF膜的耐久性更佳，景觀膜結(jié)構(gòu)廠家，且具有防沾污的優(yōu)點。但因加工性、施工性與防火性不佳，使用受到一定的---。 4 膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工 膜結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)計算通常由計算機完成,其復(fù)雜型體的整體空間作用和繁雜的抗風計算是從事一般建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的工程師難以完成的 [4] 。國外各大從事膜結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計和安裝的**公司，都各自開發(fā)了大型的**軟件，但為了控制市場都嚴格保密。目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)的諸如上海八萬人體育場等少數(shù)膜結(jié)構(gòu)建筑，膜結(jié)構(gòu)建筑工程造價，也都是外國公司設(shè)計的。我國自行設(shè)計的大型膜結(jié)構(gòu)還很少，網(wǎng)球場膜結(jié)構(gòu)，國內(nèi)也尚無成熟的理論計算方法及相應(yīng)的計算設(shè)計程序，制約了膜結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展、應(yīng)用與研究。 膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計，主要包括體形設(shè)計、找形分析、荷載分析、裁剪分析等四大要素。 通過體形設(shè)計確定建筑平面形狀尺寸、三維造型、凈空體量，確定各控制點的坐標、結(jié)構(gòu)形式，選用膜材和施工方案。第二、找形分析又稱為初始形態(tài)分析，主要內(nèi)容是尋找并確定一個滿足膜內(nèi)力平衡條件同時又接近設(shè)計者預(yù)想造型的曲面。由于膜材料本身沒有抗壓和抗彎剛度，因此其剛度和穩(wěn)定性需要靠膜曲面的曲率變化和其中預(yù)應(yīng)力來提高，對膜結(jié)構(gòu)而言，任何時候不存在無應(yīng)力狀態(tài)，因此膜曲面形狀必須滿足在一定邊界條件、一定預(yù)應(yīng)力條件下的力學(xué)平衡，并以此為基準進行荷載分析和裁剪分析。膜結(jié)構(gòu)的荷載一般是風載和雪載,荷載作用下膜材料的變形較大,要精確計算結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力要用幾何非線性的方法進行;荷載分析的另一個目的是確定索、膜中初始預(yù)張力。在外荷載作用下膜中一個方向應(yīng)力增加而另一個方向應(yīng)力減少，這就要求施加初始張應(yīng)力的程度要滿足在＊不利荷載作用下應(yīng)力不致減少到零，即不出現(xiàn)皺褶。切削分析是在預(yù)應(yīng)力條件下，尋求合理的切削線位置及其在曲面上的分布，然后按一定的方法將三維曲面展開成二維平面。因為膜材料比較輕柔，自振頻率很低，在風荷載作用下極易產(chǎn)生風振，導(dǎo)致膜材料破壞，如果初始預(yù)應(yīng)力施加過高，膜材徐變加大，易老化且強度儲備少，對受力構(gòu)件強度要求也高，增加施工安裝難度。 因此初始預(yù)應(yīng)力的確定要通過荷載計算來確定。經(jīng)過找形分析而形成的膜結(jié)構(gòu)通常為三維不可展空間曲面，如何通過二維材料的裁剪，張拉形成所需要的三維空間曲面，是整個膜結(jié)構(gòu)工程中＊關(guān)鍵的一個問題，這正是裁剪分析的主要內(nèi)容。 施工時,應(yīng)根據(jù)膜面的尺寸和施工場地的條件,認真確定膜材的結(jié)合位置,以及膜材的捆包、搬運和展開。 5 膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景 隨著工業(yè)的發(fā)展與計算技術(shù)的進步，膜結(jié)構(gòu)也從臨時建筑邁入新的行列，并成為當代充滿活力的一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)體系。在許多舉辦奧運會、世博會的場館建設(shè)中，車篷，膜結(jié)構(gòu)以其絢麗的色*和豐富的造型贏得了人們關(guān)注、認同。1995 年建成的北京房山游泳館(跨度 33m,1100m2 )與鞍山農(nóng)委游泳館(跨度 30m,1000m2 ) 是我國正式應(yīng)用于工程的空氣支承膜結(jié)構(gòu) ,標志我國開始啟動膜結(jié)構(gòu)的工程建設(shè)。自1997年通過引進國外膜結(jié)構(gòu)技術(shù)建成上海八萬人體育場看臺挑蓬后，相繼建成了青島頤中體育場挑棚膜結(jié)構(gòu)、杭州游泳館、網(wǎng)球館雙層膜結(jié)構(gòu)等近千項膜結(jié)構(gòu)工程，年增長率達20%[1]。目前膜結(jié)構(gòu)除了用于體育館、體育場等體育設(shè)施之外，膜結(jié)構(gòu)看臺，還廣泛應(yīng)用于商業(yè)、教育、交通運輸設(shè)施等。由于膜結(jié)構(gòu)新穎美觀的造型和多變的色彩，還可用于標識性建筑，海西張拉膜結(jié)構(gòu)，例如城市與地方的標識、公園入口標識、展覽會標識、行業(yè)與會議標識等。然而，目前膜結(jié)構(gòu)在我國尚處于小范圍的試驗階段，膜結(jié)構(gòu)施工，但隨著我國經(jīng)濟實力的增強，新工藝、新材料、新設(shè)備的出現(xiàn)，膜結(jié)構(gòu)建筑將成為我國21世紀空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展主流。 自重輕，跨度大，造價低，可以大限度發(fā)揮材料特性，有利防震；造型新穎美觀，色彩多變，可為文化、體育、旅游、商業(yè)設(shè)施提供佳的形象包裝；具有較好的防水、透光性能，建設(shè)周期短，可做永久性建筑，也可移動搬遷，有利于城建景觀及房地產(chǎn)項目的開發(fā)。可以預(yù)見，21世紀的經(jīng)濟突飛猛進，污水池加蓋膜結(jié)構(gòu)設(shè)計，膜結(jié)構(gòu)建筑將在未來大型建筑中展現(xiàn)新、奇、輕、美的特點，因此膜結(jié)構(gòu)建筑的研究與開發(fā)有著廣泛的發(fā)展前景。
