孫琳璘　楊　斌

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱　150040)

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談氣膜建筑的應(yīng)用與前景

孫琳璘楊斌

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040)

介紹了膜結(jié)構(gòu)的分類情況，分析了常用氣膜建筑的膜材特性，結(jié)合國(guó)內(nèi)外典型工程的應(yīng)用實(shí)例，總結(jié)了氣膜建筑的優(yōu)點(diǎn)，并進(jìn)一步提出了該類型建筑存在的不足及其發(fā)展前景。

膜結(jié)構(gòu)，膜材，氣膜建筑

膜結(jié)構(gòu)作為21世紀(jì)最具代表性和充滿前途的建筑形式，打破了傳統(tǒng)建筑純直線的建筑形式。其造型多呈曲面，造型優(yōu)美，簡(jiǎn)潔明快，給人以耳目一新的感覺(jué)。雖然膜結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的較晚，但是目前的發(fā)展速度已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平。

膜結(jié)構(gòu)是由多種高強(qiáng)膜材料(PVC等)和加強(qiáng)構(gòu)件(鋼架、鋼索等)通過(guò)一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生一定的預(yù)張應(yīng)力，并可用于承受一定外荷載作用的一種空間形式[1]。目前，膜結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于體育館，會(huì)展中心和交通服務(wù)設(shè)施等大跨度建筑中。

1　膜結(jié)構(gòu)分類

根據(jù)受力情況和構(gòu)造等的不同，膜結(jié)構(gòu)主要分為以下幾類(見(jiàn)圖1)。

1)張拉膜結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)。依靠自身張拉力與拉索，支撐桿等共同作用的結(jié)構(gòu)，它是由一組連續(xù)的拉桿和連續(xù)或不連續(xù)的壓桿組合而成的。張拉膜結(jié)構(gòu)造型美觀，施工精度高，結(jié)構(gòu)性能高，其造價(jià)略高于骨架式膜結(jié)構(gòu)。

2)骨架式膜結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)。鋼結(jié)構(gòu)或者其他材料構(gòu)成了屋頂骨架，并在其上方張拉膜材料構(gòu)成了骨架式膜結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要以骨架作為支撐，膜材料并不起主要的支撐作用。但是膜材料在該結(jié)構(gòu)中發(fā)揮了高強(qiáng)度的受力性能，具有采光、擋風(fēng)等用途。

3)充氣膜結(jié)構(gòu)。充氣膜結(jié)構(gòu)主要利用的是空氣力學(xué)原理等，將膜材固定于屋頂結(jié)構(gòu)周邊，利用送風(fēng)機(jī)提升室內(nèi)氣壓，通過(guò)內(nèi)外壓力差來(lái)抵抗外力。其主要利用膜材料作為主要的支撐結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)等起輔助作用，不需要梁或者柱等來(lái)支撐，空間利用率更好。

2　常用氣膜材料及特點(diǎn)

氣膜建筑采用高強(qiáng)度、高柔性的薄膜作為主要材料，被稱為“第五代建材”。膜材料由基布(聚酯纖維、玻璃纖維)和涂層(聚氯乙烯、聚四氟乙烯)兩部分組成，基層是主要的受力構(gòu)件，起到承受荷載的作用；而樹(shù)脂涂層除了用于保護(hù)基布外，還可起到防光、防潮等作用。

常用樹(shù)脂面層為PVC和Teflon：

PVC——聚酯纖維覆聚氯乙烯，強(qiáng)度較低，彈性較大，容易老化，徐變大，自潔能力較差。但是其有便宜易得，顏色美觀，抗折疊性能好等優(yōu)點(diǎn)。可以通過(guò)在表面上涂一層聚氯乙烯來(lái)提高其抗老化能力，壽命可高達(dá)15年。

Teflon——玻璃纖維覆聚氯乙烯，材料強(qiáng)度高，彈性模量大，自潔性能好，防火耐久性能好，適用于永久性建筑。但是其價(jià)格較貴，折疊性能較差，施工方便性差，易產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致水分侵蝕基層，強(qiáng)度壽命均降低，可在基層和面層中間涂硅酮防水層來(lái)進(jìn)行預(yù)防。

硅酮——新型面層材料，具有優(yōu)越的柔韌性，透光性和防水性且其施工方便，但是可焊性和自潔性能較差，硅酮有望成為新型的永久性建筑膜。膜材示意圖見(jiàn)圖4。

3　工程應(yīng)用實(shí)例

充氣膜結(jié)構(gòu)因其造型多樣性，優(yōu)越的建筑特性，結(jié)構(gòu)特性，并且具有經(jīng)濟(jì)性能良好的優(yōu)點(diǎn)，而在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用。

3.1國(guó)外應(yīng)用實(shí)例

氣膜建筑首次提出是在1917年，英國(guó)人威廉·蘭徹斯特發(fā)明了一種施工方便，經(jīng)濟(jì)性能好的屋面體系，但受到當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，沒(méi)有建造成功。第一個(gè)充氣膜結(jié)構(gòu)是英國(guó)人瓦爾特·博得于1974年建造的多普勒雷達(dá)穹頂，該建筑直徑15 m，矢高18.3 m，膜材以玻璃纖維為基層，橡膠為涂層。1950年—1970年，在此期間美國(guó)、德國(guó)出現(xiàn)了大量的穹頂結(jié)構(gòu)，直徑最大的達(dá)到60 m。1970年日本大阪世博會(huì)的召開(kāi)為氣膜建筑的發(fā)展提供了契機(jī)，日本作為一個(gè)多震國(guó)家，需要自重較輕并且施工較快的建筑，美國(guó)館作為臨時(shí)性建筑(見(jiàn)圖5)，采用的是PVC的玻璃纖維織物作為涂料，符合要求。并且經(jīng)過(guò)事實(shí)驗(yàn)證，這種建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度很大，能夠抵抗兩次時(shí)速高達(dá)140 km/h以上的臺(tái)風(fēng)的考驗(yàn)，人們也通過(guò)這個(gè)工程開(kāi)始重視對(duì)氣膜建筑的發(fā)展。

隨后充氣膜結(jié)構(gòu)得到越來(lái)越多的發(fā)展，這標(biāo)志著建筑業(yè)從勁性結(jié)構(gòu)向柔性結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變與發(fā)展，國(guó)外也出現(xiàn)了許多標(biāo)志性的氣膜建筑，如1973年美國(guó)圣克拉勒大學(xué)活動(dòng)中心，1988年?yáng)|京后樂(lè)園棒球館等。由于維護(hù)不當(dāng)，充氣膜結(jié)構(gòu)的大跨度建筑物經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些事故，造成一些損失。并且氣膜結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中需要不間斷的提供能源，東京后樂(lè)園棒球館采用的氣承式加索混合充氣膜結(jié)構(gòu)解決了這個(gè)問(wèn)題，屋頂上采用了先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，并且采用雙層膜材，自動(dòng)控制內(nèi)壓消除積雪，確保建筑物安全。20世紀(jì)90年代后大型氣膜建筑較少，隨著2006年德國(guó)為了迎接世界杯而建造的安聯(lián)體育場(chǎng)(見(jiàn)圖6)，充氣膜又重回人們視線。

3.2國(guó)內(nèi)應(yīng)用實(shí)例

氣膜建筑在我國(guó)國(guó)內(nèi)發(fā)展較晚，但發(fā)展速度很快。我國(guó)最早建成的氣膜建筑是1980年建成的上海工業(yè)展覽館，其采用的是氣承式薄膜建筑物；1996年之前的膜結(jié)構(gòu)在我國(guó)應(yīng)用十分少，直到1997年上海體育場(chǎng)的建成，標(biāo)志著現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)在我國(guó)進(jìn)入了應(yīng)用發(fā)展階段，雖然借助了外國(guó)的力量，但對(duì)我國(guó)膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響[2]。

氣膜建筑如今在我國(guó)已廣泛應(yīng)用于體育領(lǐng)域、高原地區(qū)和工業(yè)領(lǐng)域等。為人所熟知的氣膜建筑有北京中共中央黨校氣膜網(wǎng)球館(見(jiàn)圖7)，朝陽(yáng)公園網(wǎng)球館，青海省高原氣膜辦公室等。

2008年奧運(yùn)會(huì)的場(chǎng)館“鳥(niǎo)巢”和“水立方”的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用的是氣囊膜結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖8)，水立方整體建筑由3 000多個(gè)氣枕組成，覆蓋面積達(dá)10萬(wàn)m2，膜材采用的是目前最先進(jìn)的ETFE材料，這些建筑也為國(guó)內(nèi)氣膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。

4　氣膜建筑的優(yōu)點(diǎn)

1)可以應(yīng)用在大跨度建筑物中。氣膜建筑物自重較輕，單位平方米重量在3 kg以下，目前可以很容易實(shí)現(xiàn)180 m的大跨度。并且氣膜建筑不需要梁和柱來(lái)支撐，有超大的潔凈空間并且環(huán)境

舒適。由于氣膜建筑特殊的結(jié)構(gòu)形式，風(fēng)荷載作用在其上時(shí)，主要承受的力為上揚(yáng)力，即使在屋頂加層，也不會(huì)額外承重，擴(kuò)大了建筑面積，空間利用率大大提高[3]。

2)經(jīng)濟(jì)性能好。氣膜建筑采用的膜材材質(zhì)較輕，并且由于建筑物內(nèi)沒(méi)有梁柱等結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省了所需材料，相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，造價(jià)更加低廉。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一座跨度為40 m，面積為3 000 m2的氣膜建筑造價(jià)僅相當(dāng)于傳統(tǒng)建筑造價(jià)的1/3，經(jīng)濟(jì)性能比傳統(tǒng)建筑要好。

3)質(zhì)量較輕且抗拉性能好。用于氣膜建筑物的材料通常為薄膜材料，厚度僅0.5 mm，所以相比較傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑或鋼結(jié)構(gòu)建筑質(zhì)量要輕得多。并且膜材的抗拉性能很好，相當(dāng)于鋼材的抗拉性能，但是抗壓性能較差。

4)節(jié)能環(huán)保。膜材的涂層具有防紫外線的功能，有較高的反射率和散熱率，可以減少陽(yáng)光熱量的導(dǎo)入，并且阻止了室內(nèi)外熱量的交換，起到保溫隔熱的作用，減少了制冷和供暖設(shè)備對(duì)電能的消耗。并且施工過(guò)程中產(chǎn)生的建筑垃圾較少，節(jié)能環(huán)保。

5)造型美觀。氣膜建筑造型新穎獨(dú)特，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成各種形狀，夜晚在內(nèi)部照明的作用下，顏色多樣化，十分美觀。

6)自潔性好、經(jīng)久耐用。膜材的防護(hù)涂層，使得建筑物自潔性能良好，保證使用壽命。而且膜材的抗拉性能較強(qiáng)，所以比較牢固。根據(jù)現(xiàn)今的工程實(shí)例來(lái)說(shuō)，氣膜建筑的使用壽命為30年～40年。

5　結(jié)語(yǔ)

5.1不足

1)氣候惡劣地區(qū)，氣膜建筑維護(hù)較困難，容易發(fā)生損壞事故，原因是“袋裝效應(yīng)”，即膜表面容易積累冰雪下凹，下凹處容易積累更多的冰雪，最終導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)的損壞漏氣等。2)我國(guó)近年來(lái)對(duì)張拉膜結(jié)構(gòu)的投入較多，而對(duì)氣膜建筑投入的精力較少，所以我國(guó)在氣膜建筑的發(fā)展上仍需進(jìn)行科研研究。3)充氣膜由于其材質(zhì)較輕的緣故，抵抗風(fēng)荷載能力較差，仍需進(jìn)一步研究。

5.2發(fā)展前景

氣膜建筑由于其材質(zhì)較輕，造型多樣化的特點(diǎn)逐漸得到人們的青睞，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。相對(duì)于傳統(tǒng)建筑物來(lái)說(shuō)，其經(jīng)濟(jì)性能更好，更加節(jié)能環(huán)保，性價(jià)比較高。并且由于其輕質(zhì)的原因，抗震性能良好，建筑物的綜合使用效益相對(duì)較高。但是，我國(guó)氣膜建筑起步較晚，仍有很多需要研究和改進(jìn)的地方，比如說(shuō)強(qiáng)度可以進(jìn)一步提高，穩(wěn)定性也有待提高。

[1]王恒.充氣膜結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助造型與裁剪研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué),2006.

[2]趙大鵬，陳務(wù)軍，張麗梅.大型充氣膜結(jié)構(gòu)及膜材的發(fā)展概述[J].建筑施工,2008,30(2)：76.

[3]陳歌，任婷婷，郭磊.氣膜建筑詳析[J].陜西建筑,2012(8)：206.

Discussion on the application and prospect of air structure

Sun LinlinYang Bin

(CollegeofCivilEngineering,NortheastUniversityofForestry,Harbin150040，China)

The paper introduces membrane structure classification conditions, analyzes common membrane material properties used in air structure, summarizes air structure merits by combining with typical engineering application examples at home and abroad, and finally points out its defects and development prospect.

membrane structure, membrane material, air structure

1009-6825(2016)08-0020-02

2016-01-08

孫琳璘(1995- )，女，在讀本科生；楊斌(1994- )，男，在讀本科生

TU383

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