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膜結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)及應(yīng)用展望

發(fā)布者:kefu    發(fā)布時(shí)間:2017-12-07

 摘要:膜結(jié)構(gòu)是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種空間結(jié)構(gòu)型式。闡述了膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及膜材料的 性能、設(shè)計(jì)的基 本要求,并對(duì)膜結(jié)構(gòu)在21世紀(jì)的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

引言

       1970年日本大阪萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)的美國(guó)館與富士館由于采用了膜結(jié)構(gòu)建筑,引起了與會(huì)者和游人的濃厚興趣,也引起了**建筑界的轟動(dòng)。隨后的 幾十年里,膜結(jié)構(gòu)建筑在美國(guó)、加拿大等發(fā)達(dá)***迅速發(fā)展起來(lái)。我國(guó)內(nèi)地自上世紀(jì)70年代以來(lái),一些科研、設(shè)計(jì)單位與高等院校便開(kāi)始對(duì)膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)如膜結(jié)構(gòu)的找形分析、荷載分析、裁剪分析等的研究也獲得了一定進(jìn)展,為我國(guó)膜結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用建立了一定的技術(shù)儲(chǔ)備。本文主要介紹膜結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)、類(lèi)型、設(shè)計(jì)施工以及在我國(guó)的應(yīng)用情況。


1 膜結(jié)構(gòu)建筑特點(diǎn)

     膜結(jié)構(gòu)建筑是用輕質(zhì)高強(qiáng)度柔性薄膜材料與支撐體系相結(jié)合形成的具有一定剛度的穩(wěn)定曲面、可承受一定荷載、能夠覆蓋大空間的結(jié)構(gòu)形式。由于充分發(fā)揮了材料抗拉強(qiáng)度高的特性,使得膜結(jié)構(gòu)建筑具有以下優(yōu)點(diǎn):

1.1 跨度大

     據(jù)有關(guān)資料推測(cè),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。目前充氣結(jié)構(gòu)建筑的無(wú)內(nèi)柱空間路度可做到200m以上。

1.2 結(jié)構(gòu)重量輕

     膜材本身質(zhì)輕,支承膜材的鋼桿、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**博覽會(huì)中的美國(guó)館,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,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。

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(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。

1.5 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。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。特別是建造短期應(yīng)用的大跨度建筑時(shí),就更為合算。如今,膜結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)中,如:體育場(chǎng)館、游泳館、商場(chǎng)、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

     膜結(jié)構(gòu)屬于空間結(jié)構(gòu)體系,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(gè)結(jié)構(gòu)體系。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)體系擁有了廣泛的研究和應(yīng)用。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(lèi)。

2.1 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。

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(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。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。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。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)。

2.3 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(lèi)索結(jié)構(gòu)。

3 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。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、木材、混凝土等傳統(tǒng)材料的依賴(lài),為建筑帶來(lái)一場(chǎng)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(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。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,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?;贾饕袚?dān)膜材料的抗拉、抗撕裂等力學(xué)特性及防火性、耐久性、自潔性、染色性及膜材料與膜材料的溶合性等特性。

    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、聚氯乙烯(PVC)膜材和加面層的PVC膜材:PVDF膜材和PVF膜材。 

     PTFE類(lèi)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%。PTFE膜的特征是耐久性、防火性與防污性高。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(zhuān)用的工具與施工技術(shù)。

     PVC類(lèi)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(lèi)物質(zhì),一般另加有聚氟乙烯(PVF)或聚偏氟乙烯(PVDF)類(lèi)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(diǎn)。但在強(qiáng)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(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。PVDF是聚偏氟乙烯(Po-l yvinylideneFluoride)的略稱(chēng),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(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)。但因加工性、施工性與防火性不佳,使用受到一定的限制。


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