膜結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)點(diǎn)
膜結(jié)構(gòu)建筑是用輕質(zhì)高強(qiáng)度柔性膜材料與支撐架構(gòu)體系相結(jié)合的具有一定剛度的穩(wěn)定曲面指晾、可承受一定荷載、能夠覆蓋大空間的建筑結(jié)構(gòu)形式狐兴。由于充分發(fā)揮了材料抗拉伸強(qiáng)度高的特性,使得膜結(jié)構(gòu)建筑具有以下優(yōu)點(diǎn):
一朦阶、跨度大
跨度越大的建筑,采用膜結(jié)構(gòu)越能體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性。
二、結(jié)構(gòu)重量輕
膜材本身質(zhì)輕,支承膜材的鋼桿读跷、鋼架與鋼索比相應(yīng)的鋼筋混凝土也減輕不少重量。1970年日本大阪世界博覽會(huì)中的美國(guó)館,屋面重量每平方米僅1122kg禾唁。
三效览、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(yùn)輸安裝,施工時(shí)也不需搭建腳手架,工期較短。1979年能容納5萬(wàn)人的美國(guó)卡理阿體育館,只用了十幾個(gè)月,現(xiàn)在建造較大型的膜結(jié)構(gòu)建筑,只需幾個(gè)月就能完工穗狞。
四踱封、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(wú)法比擬的表現(xiàn)力,加上膜材的顏色可以任意選擇,更加強(qiáng)了藝術(shù)感染力。
五耍缩、費(fèi)用低
膜材本身就是裝修材料,可減少建筑物二次裝修費(fèi)用;膜結(jié)構(gòu)建筑屋面的膜材透光性好,能透過(guò)大量柔和的自然光,降低白天的照明費(fèi)用以及整個(gè)建筑的供熱與空調(diào)費(fèi)用转甥。對(duì)于同等大小的建筑,采用膜結(jié)構(gòu),其成本只相當(dāng)于傳統(tǒng)建筑的二分之一或更少舌多。特別是建造短期應(yīng)用的大跨度建筑時(shí),就更為合算交印。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(chǎng)館、游泳館盘秕、商場(chǎng)丘梭、大面積溫室、公共建筑抢熟、廠房設(shè)施等柄叹。
膜結(jié)構(gòu)建筑常用結(jié)構(gòu)型式
膜結(jié)構(gòu)屬于空間結(jié)構(gòu)體系,它不同于一般的鋼、木匾蛆、磚和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),是繼網(wǎng)架漓客、薄殼、懸索結(jié)構(gòu)之后新崛起的一個(gè)結(jié)構(gòu)體系切油。近三十年來(lái),預(yù)應(yīng)力 索在結(jié)構(gòu)體系中的作用和優(yōu)勢(shì)已為工程師所充分認(rèn)識(shí),各種新型索和膜結(jié)構(gòu)體系得到了廣泛的研究和應(yīng)用蝙斜。從膜結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和受力特點(diǎn)可將膜結(jié)構(gòu)分為張拉膜結(jié)構(gòu)、充氣膜結(jié)構(gòu)和框式膜結(jié)構(gòu)三大類澎胡。
一孕荠、張拉膜結(jié)構(gòu)
張拉膜結(jié)構(gòu)是通過(guò)邊界條件給膜材施加一定的預(yù)張應(yīng)力,膜既是建筑物的維護(hù)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(lái)模擬三維的空間曲面等一系列復(fù)雜的問(wèn)題,都需通過(guò)計(jì)算確定,張拉膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展離不開(kāi)計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和新算法的提出攻谁。
二稚伍、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(lái)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,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(lái)抵抗負(fù)載荷及外力的構(gòu)造形式戚宦。充氣膜結(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)壓大于外壓个曙。此結(jié)構(gòu)具有大空間,重量輕,建造簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。但需要不斷輸入超壓氣體及需日常維護(hù)管理受楼。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(jìn)出口可以敞開(kāi)困檩。
三、框式膜結(jié)構(gòu)
框式膜結(jié)構(gòu)中膜面僅僅起到對(duì)框架結(jié)構(gòu)的維護(hù)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)那槽。
膜材料
21世紀(jì)建筑領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)之一是采用新材 料悼沿。膜結(jié)構(gòu)建筑的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,擺脫結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材等舔、木材、混凝土等傳統(tǒng)材料的依賴,為建筑帶來(lái)一場(chǎng)新的革命摊咨。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(shù)脂或橡膠等而制成的,高強(qiáng)度聚酯纖維是膜材的基質(zhì),保證膜材的強(qiáng)度;高分子聚合物涂層保證膜材的密實(shí)性;而惰性材料涂層則主要是保證膜材的自潔性恤诀。膜材料與金屬、木材等建筑材料不同,它具有柔軟性氏长、透光性等特性,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碑肚。基布主要承擔(dān)膜材料的抗拉壳荣、抗撕裂等力學(xué)特性及防火性尔芯、耐久性、自潔性吟钻、染色性及膜材料與膜材料的溶合性等特性拓嗽。
目前,膜結(jié)構(gòu)建筑中相當(dāng)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膜材溶豌。
PTFE類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(shù)脂(簡(jiǎn)寫(xiě)PTFE),樹(shù)脂含量大于90%尖初。PTFE膜的特征是耐久性、防火性與防污性高桶淡。但PTFE膜與PVC膜比較,材料費(fèi)與加工費(fèi)高,且柔軟性低,在施工上為避免玻璃纖維被折斷,須有專用的工具與施工技術(shù)纯末。
PVC類膜材料的布基織物為聚脂或聚胺脂等,涂層為PVC樹(shù)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)柔軟靴寂、易施工的優(yōu)點(diǎn)磷蜀。但在強(qiáng)度、耐用性百炬、防火性等性能上較PTFE膜差褐隆。為了改善PVC膜材的耐火性及防污性,近年來(lái)已研發(fā)出以氟素系樹(shù)脂于PVC涂層材的表面處理上做涂層。
為了解決PVC膜材料的自潔性,在PVC涂層上再涂上PVDF膜材料收壕。PVDF是聚偏氟乙烯(Po-l yvinylideneFluoride)的略稱,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)霉妓灌。PVDF膜與一般的PVC膜比較,耐用年限可達(dá)7~10年左右,耐火性基本上達(dá)到了難燃級(jí)水平。
PVF膜材是在PVC膜的表面處理上以PVF樹(shù)脂做薄膜狀薄片(1aminate)加工,比PVDF膜的耐久性更佳,且具有防沾污的優(yōu)點(diǎn)蜜宪。但因加工性虫埂、施工性與防火性不佳,使用受到一定的限制。
膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工
膜結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)計(jì)算通常由計(jì)算機(jī)完成,其復(fù)雜型體的整體空間作用和繁雜的抗風(fēng)計(jì)算是從事一般建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程師難以完成的 [4] 圃验。國(guó)外 各大從事膜結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)和安裝的專業(yè)公司,都各自開(kāi)發(fā)了大型的專業(yè)軟件,但為了控制市場(chǎng)都嚴(yán)格保密掉伏。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)的諸如上海八萬(wàn)人體育場(chǎng)等少數(shù)膜結(jié)構(gòu)建筑,也都是外國(guó)公司設(shè)計(jì)的。我國(guó)自行設(shè)計(jì)的大型膜結(jié)構(gòu)還很少,國(guó)內(nèi)也尚無(wú)成熟的理論計(jì)算方法及相應(yīng)的計(jì)算設(shè)計(jì)程序,制約了膜結(jié)構(gòu)在我國(guó)的發(fā)展澳窑、應(yīng)用與研究斧散。
傳統(tǒng)膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括體形設(shè)計(jì)、找形分 析圾篱、荷載分析啸席、裁剪分析等搭肠。
體形設(shè)計(jì)確定建筑平面形狀尺寸、三維造型币皂、凈空體量,確定各控制點(diǎn)的坐標(biāo)眯华、結(jié)構(gòu)形式,選用膜材和施工方案。找形分析又稱為初始形態(tài)分析,主要是尋找并確定一個(gè)既滿足膜內(nèi)力平衡條件又接近設(shè)計(jì)者預(yù)想造型的曲面筋擒。由于膜材料本身沒(méi)有抗壓和抗彎剛度,抗剪強(qiáng)度也很差,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)張應(yīng)力來(lái)提高,對(duì)膜結(jié)構(gòu)而言,任何時(shí)候不存在無(wú)應(yīng)力狀態(tài),因此膜曲面形狀最終必須滿足在一定邊界條件拇掺、一定預(yù)應(yīng)力條件下的力學(xué)平衡,并以此為基準(zhǔn)進(jìn)行荷載分析和裁剪分析。膜結(jié)構(gòu)的荷載一般是風(fēng)載和雪載,荷載作用下膜材料的變形較大,要精確計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力要用幾何非線性的方法進(jìn)行;荷載分析的另一個(gè)目的是確定索破卜、膜中初始預(yù)張力赚毫。在外荷載作用下膜中一個(gè)方向應(yīng)力增加而另一個(gè)方向應(yīng)力減少,要求施加初始張應(yīng)力滿足相當(dāng)不利荷載作用下應(yīng)力不致減少到零,即不出現(xiàn)皺褶。剪裁分析是在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的曲面形體上尋求合理的裁剪線位置及其分布,然后按照一定的方法將三維曲面展開(kāi)為二維平面廷前。膜材料輕柔筹柠、自振頻率很低,風(fēng)荷載作用下極易產(chǎn)生風(fēng)振,導(dǎo)致膜材料破壞,如果初始預(yù)應(yīng)力施加過(guò)高,膜材徐變加大,易老化且強(qiáng)度儲(chǔ)備少,對(duì)受力構(gòu)件強(qiáng)度要求也高,增加施工安裝難度。
初始預(yù)應(yīng)力要通過(guò)荷載計(jì)算來(lái)確定嗡身。經(jīng)過(guò)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(guò)二維材料的裁剪,張拉形成所需要的三維空間曲面,是整個(gè)膜結(jié)構(gòu)工程中的關(guān)鍵問(wèn)題,是裁剪分析的主要內(nèi)容倔撞。
施工時(shí),應(yīng)根據(jù)膜面的尺寸和施工場(chǎng)地的條件,認(rèn)真確定膜材的結(jié)合位置,以及膜材的捆包讲仰、搬運(yùn)和展開(kāi)慕趴。
膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景
隨著工業(yè)的發(fā)展與計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步,膜結(jié)構(gòu)也從臨時(shí)建筑邁入長(zhǎng)久性建筑行列,并成為當(dāng)代充滿活力的一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)體系。在許多國(guó)家舉辦奧運(yùn)會(huì)鄙陡、世博會(huì)的場(chǎng)館建設(shè)中,膜結(jié)構(gòu)以其絢麗 的色極和豐富的造型贏得了人們關(guān)注冕房、認(rèn)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(guó)正式應(yīng)用于工程的空氣支承膜結(jié)構(gòu),標(biāo)志我國(guó)開(kāi)始啟動(dòng)膜結(jié)構(gòu)的工程建設(shè)趁矾。1997年通過(guò)引進(jìn)國(guó)外膜結(jié)構(gòu)技術(shù)建成了上海八萬(wàn)人體育場(chǎng)看臺(tái)挑棚后,又相繼建成了青島頤中體育場(chǎng)挑棚膜結(jié)構(gòu)耙册、杭州游泳館、網(wǎng)球館雙層膜結(jié)構(gòu)等二百余項(xiàng)膜結(jié)構(gòu)工程,年增長(zhǎng)率達(dá)20%以上 [7] 毫捣。目前膜結(jié)構(gòu)除了用于體育館详拙、體育場(chǎng) 等體育設(shè)施之外,還廣泛應(yīng)用于商業(yè)、教育蔓同、交通運(yùn)輸設(shè)施等饶辙。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(biāo)識(shí)性建筑,例如城市與地方的標(biāo)識(shí)、公園入口標(biāo)識(shí)斑粱、展覽會(huì)標(biāo)識(shí)弃揽、行業(yè)與會(huì)議標(biāo)識(shí)等。然而,目前膜結(jié)構(gòu)在我國(guó)尚處于小范圍的試驗(yàn)階段,但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng),新工藝褂省、新材料巷卵、新設(shè)備的出現(xiàn),膜結(jié)構(gòu)建筑將成為我國(guó)21世紀(jì)空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展主流。
自重輕,跨度大,造價(jià)低,可以相當(dāng)大限度發(fā)揮材料特性,有利防震;造型新穎美觀,色彩多變,可為文化葵稚、體育帘衣、旅游少锭、商業(yè)設(shè)施提供相當(dāng)佳的形象包裝;具有較好的防水、透光性能,建設(shè)周期短,可做長(zhǎng)久性建筑,也可移動(dòng)搬遷,有利于城建景觀及房地產(chǎn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)税则⊥愦欤可以預(yù)見(jiàn),21世紀(jì)中國(guó)的經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn),膜結(jié)構(gòu)建筑將在未來(lái)大型建筑中展現(xiàn)新、奇纹轩、輕泄艘、美的特點(diǎn),因此膜結(jié)構(gòu)建筑的研究與開(kāi)發(fā)有著廣泛的發(fā)展前景。
在線咨詢
