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        淺談膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用

        2017-06-06 13:07:58張瑩
        卷宗 2017年6期
        關(guān)鍵詞:充氣式膜結(jié)構(gòu)骨架

        張瑩

        膜結(jié)構(gòu)是20世紀中葉發(fā)展起來的一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)形式,是21世紀最具代表性與充滿前途的建筑形式,它通過施加預(yù)應(yīng)力,使結(jié)構(gòu)具有一定的剛度以承受各種荷載作用,其設(shè)計思路和設(shè)計步驟與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比都有很大的不同,索膜結(jié)構(gòu)用高強度柔性薄膜材料經(jīng)受其他材料的拉壓作用而形成的穩(wěn)定曲面,能承受一定外荷載的空間結(jié)構(gòu)形式,其造型自由、輕巧、柔美、充滿力量感,阻燃、制作簡易、安裝快捷、節(jié)能、易于使用、安全等優(yōu)點,因而自1970年代以來,膜結(jié)構(gòu)在國外已逐漸應(yīng)用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務(wù)設(shè)施等大跨度建筑中。

        膜材表面采用PVDF(聚偏二氟乙烯)涂層、或二氧化鈦涂層,具有較好的隔熱效果,對太陽熱能可反射掉70%,膜材本身吸收了17%,傳熱13%,而透光率卻在20%以上,經(jīng)過1年的太陽光直接照射,其灰度仍能保留70%,膜結(jié)構(gòu)中所使用的膜材料每平方1公斤左右,由于自重輕,加上鋼索、鋼結(jié)構(gòu)高強度材料的采用,大部分的力以軸力傳遞使受力體現(xiàn)簡潔合理,因此膜結(jié)構(gòu)適合大跨度空間結(jié)構(gòu)體系。膜結(jié)構(gòu)建筑所采用的膜材具有卓越的阻燃性和耐高溫性,故能很好的滿足防火要求。由于結(jié)構(gòu)自重輕,又為柔性結(jié)構(gòu)且有較大變形能力,故抗震性能好。工期短:膜材裁剪。拼合成型及骨架的鋼結(jié)構(gòu)、鋼索均在工廠加工制作,現(xiàn)場只需組裝,施工簡便,故施工周期比傳統(tǒng)建筑短。

        1 常見的膜結(jié)構(gòu)分類

        從結(jié)構(gòu)上分可分為:骨架式膜結(jié)構(gòu),張拉式膜結(jié)構(gòu),充氣式膜結(jié)構(gòu)。

        1.骨架式膜結(jié)構(gòu)(Frame Supported Structure)

        以鋼構(gòu)或是集成材構(gòu)成的屋頂骨架,在其上方張拉膜材的構(gòu)造形式,下部支撐結(jié)構(gòu)安定性高,因屋頂造型比較單純,開口部不易受限制,經(jīng)濟效益高等特點,骨架式膜結(jié)構(gòu)中的膜面僅僅起到對框架結(jié)構(gòu)的維護作用,框架結(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) ,因此廣泛適用于任何大,小規(guī)模的空間。

        2.張拉式膜結(jié)構(gòu)(Tension Suspension Structure)

        張拉膜結(jié)構(gòu)是通過邊界條件給膜材施加一定預(yù)張應(yīng)力,膜既是建筑的圍護體又作為結(jié)構(gòu)以抵抗外部荷載的作用,因此在一定的初始條件下,其形狀的確定、在外荷載作用下膜中應(yīng)力分布與變形以及怎樣用二維的膜材料來模擬三維空間等一系列復(fù)雜問題,都通過計算確定,張拉膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展離不開計算機的進步和新算法的提出。但張拉膜結(jié)構(gòu)因施工精度要求高,結(jié)構(gòu)性能強,且具有豐富的表現(xiàn)力,所以造價略高于骨架式膜

        結(jié)構(gòu)。

        3.充氣式膜結(jié)構(gòu)(Pneumatic Structure)

        充氣式膜結(jié)構(gòu)是將膜材固定于屋頂結(jié)構(gòu)周邊,依靠曲面內(nèi)外氣壓差來維持膜曲面的形狀,利用送風(fēng)系統(tǒng)讓室內(nèi)氣壓上升到一定壓力后,使屋頂內(nèi)外產(chǎn)生壓力差,以抵抗外力,因利用氣壓來支撐,充氣式膜結(jié)構(gòu)是在膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成的室內(nèi)沖入空氣,保持室內(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)來抵抗荷載及外力的構(gòu)造形式,及鋼索作為輔助材,無需任何梁,柱支撐,可得更大的空間,氣膜結(jié)構(gòu)分為單層結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu),單層結(jié)構(gòu)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、建造簡單特點,但需要不斷輸入超壓氣體及需日常維護管理。雙層結(jié)構(gòu)是雙層膜之間充入氣體,和單層相比可以充入高壓空氣,形成具有一定剛性的結(jié)構(gòu),而且進出口可以敞開,施工快捷,經(jīng)濟效益高,但需維持進行24小時送風(fēng)機運轉(zhuǎn),在持續(xù)運行及機器維護費用的成本上較高。

        2 膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用材料

        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)膜材和加面層的PVC膜材:PVDF膜材和PVF膜材。

        PTFE類膜材料商品名叫特氟?。═eflon),是在玻璃纖維布基上敷聚四氟乙烯樹脂(簡寫PTFE),樹脂含量大于90%,PTFE膜的特性是耐久性、防火性與防污性高。但PTFE膜與PVC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施工技術(shù)。

        PVC類膜材料的布基織物為聚酯或聚氨酯等,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、耐用性、防火性等性能上較PTFE膜差。為了改善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,在PVC涂層上再涂上PVDF膜材料。PVDF是聚偏氟乙烯的簡稱,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平。

        PVF膜材是在PVC膜的表面處理上以PVF樹脂做薄膜狀薄片加工,比PVDF膜的耐久性更佳,且具有防油污的優(yōu)點。但因加工性、施工性與防火性不佳,使用受到一定的限制。

        3 膜結(jié)構(gòu)的工程實例及應(yīng)用

        2008年竣工的北京奧運會場館“鳥巢”和“水立方”膜結(jié)構(gòu)采用ETFE膜材,是目前國內(nèi)最大的ETFE膜材結(jié)構(gòu)建筑,“鳥巢”采用雙層膜結(jié)構(gòu),外層用ETFE防雨雪防紫外線,內(nèi)層用PTFE達到保溫、防結(jié)露、隔音和光效的目的?!八⒎健辈捎秒p層ETFE充氣膜結(jié)構(gòu),共1437塊氣枕,氣枕可以通過控制充氣量的多少,對遮光度和透光性進行調(diào)節(jié),有效地利用自然光,節(jié)省能源,并且具有良好的保溫隔熱和消除回聲。隨著國內(nèi)一些大型體育館、候機大廳等建設(shè)以及2010年上海世博會和廣州亞運會等國際盛會的舉辦,為中國膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展帶來了機遇和挑戰(zhàn)。尤其在膜材方面,中國起步晚,技術(shù)水平低,大部分膜材還主要依靠進口。PTFE、PVC和表面改性的PVC、ETFE等膜材是市場的主流,應(yīng)用比較廣泛。中國已有PTFE膜材的自主知識產(chǎn)權(quán),性能也基本達到國外同類產(chǎn)品的要求。

        由于膜結(jié)構(gòu)新穎美觀的造型和多變的色彩,還可用于標志性建筑,例如城市與地方的標識等。然而,目前膜結(jié)構(gòu)在我國尚處于小范圍試驗階段,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),膜材料建筑將成為我國21世紀空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展主流。

        參考文獻

        [1]《拉索預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的分析理論、施工控制與優(yōu)化設(shè)計》東南大學(xué)出版社。

        [2]《膜結(jié)構(gòu)工程設(shè)計》中國建筑工業(yè)出版社。

        [3]《CECS158-2004膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中國計劃出版社

        [4]《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)》中國建筑工業(yè)出版社。

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