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膜结构的发展及应用

编辑时间 : 2017-06-02 访问人数 : 4810 次

膜结构的发展及应用


1970年日本大阪万国博览会的美国馆与富士山馆由于采用了膜结构,引起了与会者和游人的浓厚兴趣,也引起了世界建筑界的轰动。随后几十年里,膜结构建筑在美国、加拿大等发达国家迅速发展起来。我国内地自上世纪70年代以来,一些科研、设计单位与高等院校开始对膜结构进行研究。一些关键技术如膜结构的找形分析、荷载分析、裁剪分析等的研究也获得了一定的进展,为我国的膜结构的开发、应用建立了一定的技术储备。 

  2. 膜结构建筑特点 

  膜结构(Membrane Structure)是用轻质高强度柔软膜材料与支撑体系相结合形成的具有一定刚度稳定曲面、可承受一定荷载、能覆盖大空间的结构形式,习惯上又称空间膜结构。由于充分发挥了材料抗拉强度高的特性,使得膜结构建筑具有以下优点: 

  1.1结构重量轻 

  膜材本身轻,支承膜材的钢杆、钢材与钢索比相应的钢筋混凝土也减轻不少重量。1970年日本大阪世界博览会中的美国馆,屋面重量每平方米仅1122g。 

  1.2 跨度大 

  由于自重轻,膜结构建筑可以不需要内部支撑而大跨度覆盖空间,这使人们可以更灵活、更有创意的设计和使用空间。目前充气结构建筑的无内柱空间跨度可做到200m以上。 

  1.3施工方便 

  膜材可以在工厂预制成卷材成品,与钢材一样便于工业化生产,便于运输安装,施工时也不需搭建脚手架,工期较短。1979年能容纳5万人的美国卡里阿体育馆,只用了一年多,现在建造较大的膜结构建筑,只需几个月就能完工。 

  1.4造型美观 

  多变的支撑结构和柔性的膜材使建筑物造型更加多样化,新颖美观,同时体现结构美,具有一般建筑无法比拟的表现力,加上膜材的颜色可以任意选择,更加强了艺术感染力。 

  1.5费用低 

  膜建筑屋面重量仅为常规钢屋面的1/30,这就降低了墙体和基础的造价。膜材本身是装修材料,可减少建筑的二次装修费用;膜结构建筑屋面膜材透光性好,能透过大量柔和的自然光,降低白天的照明费用以及整个建筑的供热与空调费用。对于同等大小的建筑,采用膜结构,其成本至相当于传统建筑的二分之一或是更少。特别是建造短期应用的大跨度建筑时,就更为合算。如今,膜结构已广泛应用于各类建筑结构中,如:体育场馆、游泳馆、商场、大面积温室、公共建筑、厂房设施等。 

  3. 膜结构建筑常用的结构形式 

  膜结构属于空间结构体系,它不同于一般的钢、木、砖和钢筋混凝土结构,是继网架、薄壳、悬索结构之后新崛起的一个结构体系。近三十年来,预应力索在结构体系中的作用和优势已为工程师所充分认识,各种新型索和膜结构体系得到广泛的研究和应用。从膜结构的构造和受力特点可将膜结构分为框式膜结构、张拉膜结构和充气膜结构三大类。 

  3.1框式膜结构(Frame Supported Structure) 

  框式膜结构中的膜面仅仅起到对框架结构的维护作用,框架结构可以是传统的刚性结构,也可以是各类索结构。框式膜结构广泛用于任何大、小规模空间。 

  3.2张拉式膜结构(Tension Suspension Structure) 

  张拉膜结构是通过边界条件给膜材施加一定预张应力,膜既是建筑的围护体又作为结构以抵抗外部荷载的作用,因此在一定的初始条件下,其形状的确定、在外荷载作用下膜中应力分布与变形以及怎样用二维的膜材料来模拟三维空间等一系列复杂问题,都通过计算确定,张拉膜结构的发展离不开计算机的进步和新算法的提出。但张拉膜结构因施工精度要求高,结构性能强,且具有丰富的表现力,所以造价略高于框式膜结构。 

  3.3充气膜结构(Pneumatic Structure) 

  气承式膜结构依靠曲面内外气压差来维持膜曲面的形状。气承式膜结构是在膜结构构成的室内冲入空气,保持室内的空气压力始终大于室外的空气压力,由此使膜材料处于张力状态来抵抗荷载及外力的构造形式。充气膜结构分为单层结构和双层结构,单层结构如同肥皂泡,单层膜的内压大于外压。此结构具有大空间、重量轻、建造简单特点,但需要不断输入超压气体及需日常维护管理。双层结构是双层膜之间充入气体,和单层相比可以充入高压空气,形成具有一定刚性的结构,而且进出口可以敞开,但其在持续运行及机器维护费用的成本上较高。 

  4. 膜材料 

  21世纪建筑领域发展趋势之一是采用新材料。膜结构的建筑开发与应用,摆脱结构对钢材、木材、混凝土等传统材料的依赖,为建筑带来一场新的革命。用于膜结构建筑的膜材料是在用纤维织成的基布上涂覆树脂或橡胶等制成的,高强度聚酯纤维是膜材的基质,保证膜材的强度;高分子聚合物涂层保证膜材的密实性;而惰性材料涂层则主要是保证膜材的自洁性。膜材料与金属、木材等建筑材料不同,它具有柔软性、透光性等特性,而且膜材料的基布是织物,由于织物径向(经纱)与纬向(纬纱)的特性不同,因而膜材料是一种异向型非线性材料。基布主要承担膜材料的抗拉、抗撕裂等力学特性及防火性、耐久性、自洁性、染色性及膜材料与膜材料的融合性等特性。 

  目前,膜材料建筑中最常用的材料主要有聚四氟乙烯(PTFE)膜材、聚氯乙烯(PVC)膜材和加面层的PVC膜材:PVDF膜材和PVF膜材。 

  PTFE类膜材料商品名叫特氟隆(Teflon),是在玻璃纤维布基上敷聚四氟乙烯树脂(简写PTFE),树脂含量大于90%,PTFE膜的特性是耐久性、防火性与防污性高。但PTFE膜与PVC膜比较,材料费与加工费高,且柔软性低,在施工上为避免玻璃纤维被折断,必须有专用的工具与施工技术。   PVC类膜材料的布基织物为聚酯或聚氨酯等,涂层为PVC树脂,或氯丁橡胶类物质,一般另加有聚氟乙烯(PVF)或聚偏氟乙烯(PVDF)类面层。PVC膜材在材料及加工上都比PTFE膜便宜,且具有材质柔软、易施工的优点,但在强度、耐用性、防火性等性能上较PTFE膜差。为了改善PVC膜材的耐火性及防污性,近年来已研发出以氟素系树脂于PVC涂层材的表面处理上做涂层。 

  为了解决PVC膜材的自洁性,在PVC涂层上再涂上PVDF膜材料。PVDF是聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride)的简称,可以抵抗由紫外线引起的降解,颜色变化,失去光泽,抵抗腐蚀,抵抗脏污,抵抗发霉。PVDF膜与一般的PVC膜比较,耐用年限可达7~10年左右,耐火性基本上达到了难燃级水平。 

  PVF膜材是在PVC膜的表面处理上以PVF树脂做薄膜状薄片(laminate)加工,比PVDF膜的耐久性更佳,且具有防油污的优点。但因加工性、施工性与防火性不佳,使用受到一定的限制。 

  5. 膜结构的应用前景 

  随着工业的发展与计算技术的进步,膜结构也从临时建筑迈向永久性建筑行列,并成为当代充满活力的一种新型大跨度空间结构体系。在许多国家举办奥运会、世博会的场馆建设中,膜结构以其绚丽的色彩和丰富的造型赢得了人们的关注和认同。1995年建成的北京房山游泳馆(跨度33m,1100m2)与鞍山农委游泳馆(跨度30m,1000m2)是我国正式应用于工程的空气支承膜结构,标志我国开始启动膜结构的工程建设。1997年通过引进国外膜结构技术建成上海八万人体育场看台挑棚后,又相继建成了青岛颐中体育场挑棚膜结构、杭州游泳馆、网球馆双层膜结构等二百余项膜结构工程,年增长率达20%以上。随着膜结构应用的日趋广泛,专业膜结构企业及相关配套产品的厂商也大量涌现,实力强劲的日本太阳工业集团和德国的Skyspan公司已加入到我国内地膜结构市场,台商膜结构企业也相当活跃,这对于促进我国内地膜结构的发展都起到了积极作用。 

  目前膜结构除了用于体育馆、体育场等体育设施之外,还广泛应用于商业、教育、交通运输设施等。由于膜结构新颖美观的造型和多变的色彩,还可用于标志性建筑,例如城市与地方的标识等。然而,目前膜结构在我国尚处于小范围试验阶段,但随着我国经济实力的增强,新工艺、新材料、新设备的出现,膜材料建筑将成为我国21世纪空间结构的发展主流。 

  自重轻,跨度大,造价低,可以最大限度发挥材料特性,有利于防震;造型新颖美观,色彩多变,可为文化、体育、旅游、商业设施提供最佳的形象包装;具有较好的防水、透光性能,建设周期短,可做永久性建筑,也可移动搬迁,有利于城建景观及房地产项目的开发。可以预见,21世纪中国经济突飞猛进,膜结构价格建筑将在未来大型建筑中展现新、奇、轻、美的特点,因此膜结构建筑的研究与开发有着广泛的发展情景。


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