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膜结构在大跨度建筑中的应用
时间: 2019-01-14 09:39:41来源: 西安新格瑞膜结构工程有限公司

膜结构看台是张拉结构中最新发展起来的一种形式, 它以性能优良的柔软织物为材料, 或是向膜内充气, 由空气压力支撑膜面或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将膜面绷紧, 从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。自从本世纪七十年代以来, 膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中。

膜结构是一种古老的结构形式, 经过近年来的发展, 已成为一种能够代表当今建筑技 术和材料科学发展水平的新型结构体系。早在远古时代, 人们利用兽皮等建造的帐蓬便 是最原始的膜结构。进人二十世纪以来, 人们利用类似的原理, 制造了飞艇、雷达天线罩等, 使膜结构首先在其它一些科技领域中得到了应用。同时, 作为临时性建筑, 如野营帐蓬、 马戏团大棚、临时性仓库等, 膜结构也曾被采用。但是膜结构作为一种真正的现代工程结构, 当推1 9 7 0年在日本大阪万国博览会中所建造的一些空气膜结构。它标志着膜结构时代的开始, 从此在世界范围内开展了对膜结构的开发、研究和应用。七十年代初期, 以美国杜邦、 康宁公司为主的几家公司和设计单位联合开发研制了以玻璃纤维织物为基材, 以聚四氟乙烯 ( 特氟隆 ) 为涂料的新型膜材, 使膜结构从最初的临时性建筑开始迈向永久建筑的行列。

根据国外的使用经验, 膜结构具有如下特点和优越性:

( 一 ) 膜结构是建筑与结构完美结合的一种结构体系。膜材本身的受弯刚度几乎为零, 但通过不同的支撑体系承受膜面张力, 而形成具有一定刚度的稳定曲面。这时, 膜结构的建筑造型是结合结构构造的布局而自然产生的, 力的平衡状态直接被表现在结构的形状上, 这就使膜结构成为一种建筑与结构自然有机结合的新型大跨度建筑。

( 二 ) 膜结构能较好地满足建筑功能的要求。由于膜材是半透明的织物, 它的透光率 一般可达4 %一1 6%, 能够满足大跨度建筑在平时使用时的采光要求, 白天几乎不需要人工 照明, 这不仅可以节约大量的能源费用, 而且给人一种开敞的感觉。同时, 由于膜材大多具有很强的反射性, 在热带地区,利用它可以反射掉大部分太阳热能。在寒冷地区, 采用双层膜结构, 向两层膜间充入热空气或填充透光性好的隔热材料, 使膜结构具有良好的保温、隔热性能。 因而,膜结构可以使建筑物做到敞而不礴,不受季节、气候的不利影响。此外, 由于膜材大多为不燃或阻燃材料, 耐火性好, 增强了建筑物的防火灾能力。

( 三 ) 膜结构具有优良的力学特性。 目前以织物与有机涂料复合而成的膜材其条张拉强度可达1 4 0 0 N /c m, 膜结构的受力为单纯受拉, 膜材只承受沿膜面的张力, 因而充分 发挥了材料特性。同时,膜材厚度小, 重量轻, 一般厚度在 0.5 m m~o.8m m, 重量约为 o.5k g / ㎡ 一 2.o k g / ㎡, 仅为传统 大跨度建筑屋盖材料重 量的 1/10~1/3 0, 它是跨度重量比最大的一种结构。

( 四 ) 膜结构制作施工 方便, 造价比较经济。膜结构的材料为轻质、柔软织物, 一般可在工厂剪裁、 制作, 打成卷运往工地, 搬运容易, 而且现场施工非常方便, 几乎不需要脚手架, 这将使屋盖工程的工期大为缩短。同时, 由于膜材既是结构材料也是围护材料, 根据国外经验膜结构屋盖的造价仅为传统屋盖结构的1/2左右。 屋顶部分重量轻, 相应下部结构建筑费用也减少, 工程总造价约减少1 5% ~ 2 0 %。

膜结构以其鲜明的特点, 目前已世界上许多国家的各类大跨度建筑中得到了应用。其中以北美国家发展最为迅速, 在1974年~1984年十年间就建造了9座总面积约2 5万平方米的永久性大型膜结构体育建筑。近年来, 日本、南朝鲜等亚洲国家也相继在大跨度建筑中应用 膜结构。1975年建成的美国密执安州庞蒂亚克城“ 银色弯顶”空气膜结构室内体育场, 平面尺寸为234.9m*180.0 m、高62.5m, 是目前世界上规模最大的空气膜结构。沙特阿拉伯吉大机场候机大厅及盖面积50万平方米的悬挂膜结构, 日本东京后乐园跨度201m、高度56.19 m的空气膜结构捧球场,南朝鲜汉城为1988年第24届奥运会而建的直径120m和90 m的钢索弯顶膜结构体操馆和击剑馆等都是很著名的大跨度膜结构。在我国,膜结构在大跨度建筑中的应用几乎还是空白, 膜结构的研究、膜材的开发工作才刚刚起步。

膜结构的材料:膜结构只有在材料问题得到解决之后才得以大量应用, 因此推广膜结构关键是要生产出实用而经济的膜材。用于膜结构的膜材现多以高强的织物和涂层街成的复合材料为主。 用抗拉强度高的人造纤雄丝纺成线, 平织成织物, 形成高强的基材, 现多以聚醋织物、玻瑞纤维织物为主。在织物表面涂敷防护性能好的涂层, 使膜材具有良好的耐久、防灭、气密等特性, 现多采用聚氯乙烯树脂、聚四氛乙烯 (特氛隆) 和有机硅树脂。 目前国际上通用的膜材主要有以下几种:

1. 聚氮乙烯 ( P V C )+ 聚酣织物

2. 聚氯乙烯( P V C ) 十 玻瑞纤维织物

3. 聚四氟乙 烯 ( P T P E )+ 玻瑞纤维织物

4. 有机硅 ( S i l ie o n)+ 玻瑞纤维织物


以聚醋织物为基材, 以聚氯乙烯树脂为涂层的膜材是膜结构发展早期应用较为广泛的一种膜材。它的张拉强度较高, 张拉强度约为350 N /c m 左右, 但弹性模量较低, 材料尺寸稳定性略差, 它属于阻燃材料, 用热焊法拼接, 加工制造容易。该膜材价格便宜, 经济性好,但由于耐久性较差, 使用寿命一般在5 ~ 10年, 多用于中小跨度的临时或半临时性建筑。为改善其耐久性, 可在该膜材表面再复合一层聚氟乙烯膜( Ted la rf i lm ), 但焊接强度略受影响。

以玻璃纤维织物为基材, 以聚氯乙烯树脂为涂层的膜材利用了基材强度高 (一般条张拉强度约为1400N /cm ), 材料尺寸稳定性好的优点, 改善了膜材的力学性能, 并保持了价格便宜的特点, 使该膜材具有较强的实用性。1970年日本大阪万国博览会国馆就是采用该膜材建造的。

玻璃纤维织物涂敷聚四氟乙烯 (特氟隆) 膜材, 既利用了织物的力学性好、不燃等特点,又利用了涂料的极好的化学稳定性和热稳定性, 使该膜材不仅强度高, 材料尺寸稳定性好, 防火不燃,透光性好, 而且具有优良的耐久、自洁性, 使用寿命在25年以上, 适用于大跨度永久性膜结构建筑,是目前在国际上膜结构中应用最为广泛的膜材。 但价格比较贵, 同时涂敷与拼接工艺较复杂, 需要特殊的备与技术。玻璃纤维织物涂敷有机硅树脂膜材也具有良好的耐久性, 阻燃性好但不属于不燃材料。它的柔软性、透光性、撕裂强度等优于玻璃纤维织物涂敷特级隆膜材, 并且涂敷工艺简单, 材料价格便宜, 也是目前应用于永久性大跨度膜结构的一种膜材。但该膜材抗污染能力较差, 拼接方法和强度受到一定限制。

在我国推广应用膜结构, 首先遇到的关键问题同样是材料问题。目前我国还没有专门用于膜结构的膜材, 但是在分析了国外几种膜材的组成和物理、力学性能的基础上, 再对比我国的原材料以及用于其它用途膜材的性能和生产能力, 可以看到,在我国完全有可能生产膜结构用的膜材。 因此目前应着手组织研制生产中档、 高档专门用于膜结构的各类膜材。建议可以先试制比较便宜的 涂敷聚氯乙烯的聚醋织物, 在取得经验后, 进一步试制涂敷聚四氟乙烯或有机硅 的玻璃纤维织物。只有立足于我国自行生产的材料, 才能大大推动我国膜结构的研究和应用工作。

膜结构的选型:膜结构按其支撑体系的不同, 一般可分为空气膜结构, 悬挂膜结构, 骨架支撑膜结构, 复合膜结构等几种结构形式。

空气膜结构是膜结构中最初发展起来的结构形式之一。向由气密性好的膜材授盖的空间输送空气, 利用内外空气压力差, 使膜材处于张拉状态,结构具有一定刚度以承受自重和外荷载。空气膜结构可分为气承式、气胀式两种类型。前者多应用于跨度较大的建筑, 结构平面多为矩形、圆形或椭圆形, 屋面拱度一般较低以减小风压。沿对角线方向一般交叉布置钢索, 以增加对膜面的加劲作用。根据气候条件有时也可采用双层膜。气承式空气膜结构 内外气压差一般在100Pa ~300Pa, 对人没有任何不适 的感觉, 对室内环境也无影响。气胀式空气膜结构多用于跨度较小的建筑, 结构平面和建筑造形可变化多样, 空间自由开放, 同时 由于空气层的阻隔, 结构隔热性好。气胀式空气膜结构内压较高, 一般在5000 Pa ~ 30000Pa。

空气膜结构应用于大跨度建筑中尽管有许多优点, 但同时也存在一些问题。 首先, 它需要长期不间断的动力能源供应, 加压送风也需要一整套的机械和控制系统,这使结构设计 复杂化, 也增加了造价。尤其在我国电力能源供应紧张的今天, 这一点更显得突出。其次,气承式空气膜结构要求封闭的空间以维持气压差, 膜材与支承结构的连接要求严密, 并且要设置专门的进出口,以尽量减少空气外泄。气胀式空气膜结构由于内压较高, 要求采用强度高、气密性好的膜材, 造价较高。再次, 空气膜结构在局部荷载作用下, 易产生“袋状效应”, 过去曾发生好几起膜结构的破坏事故, 都是由于屋面雨或雪的积留, 使星面变形越来越大, 最终导致膜材撕裂。 鉴于空气膜结构存在的问题, 结合我国的实际情况, 目前在我国还不宜采用这种结构形式。

悬挂膜绪构最初是人们从帐蓬结构得到启示发展而来的。它采用桅杆或独立拱等支撑结构将钢索或膜张挂起来, 利用柔性索向膜面施加张力将膜绷紧, 形成稳定的结构,其造型新撅, 适合于中小跨度的建筑物, 它与悬索结构的力学分析方法有相通之处, 因此这种结构在我国推广应用有一定基础。加拿大卡尔加里林赛公园体育中心。这是一座双曲抛物面索网式悬挂膜结构, 跨度约122 m 高 36.5m, 屋盖部分由一个跨越体育场的格构式拱和两片马鞍形索网膜结构组成, 索悬挂在拱与水平的椭圆形环梁之间, 膜面由索网张紧。这座建筑以屋盖密闭性优良而著称。

骨架支撑膜结构利用拱、空间网格结构等钢性骨架来支撑膜面。屋面自重可以大大减轻, 而且构造也比较简单, 适合于各类大跨度建筑, 在我国也是一种很有推广价值的膜结构形式。日本大阪国际展览中心。它是由直径42m,长72 m, 高31 m的半圆筒形钢网壳作为支撑结构,屋面采用玻瑞纤维织物涂敷特氟隆膜材的骨 架支撑膜结构。 为了固定和张拉膜, 设置一组曲线檩条,将它们固定在网壳上弦的螺栓 球节点上。

复合膜结构一钢索弯顶膜是近年来在膜结构领城发展起来的新型结构形式。该体系是 由连续的张拉钢索和不连续的压杆组成, 力从中心受拉环或受拉析架通过放射状的径向脊素、谷索、环向拉索、斜拉素传向周边的受压环梁。 扇形膜面从中心环向外环方向展开, 由钢索施加拉力并绷紧, 固定在压杆与索接合处的节点上。 钢索弯顶膜结构克服了空气膜 构需要不断充气的缺点, 同时又保持了空气膜结构低拱度造型和跨度大的优点, 适用于回形或椭圆形平面的大跨度建筑。南朝鲜奥运会体操馆。这是一座直径约1 20 m 回形平面的钢索弯顶腆结构。

在国外膜结构已发展成为一种富有生命力的新型结构。 它的应用范围不仅限于体育或展览建筑, 而已向房屋建筑等各个方面扩展, 因而具有广阔的发展前景。在我国, 膜结构的开发与研究还刚刚起步, 因此当务之急是学习并引进国外先进技术、开发生产我国自己的膜 材, 井且有重点地在工程中予以应用。 结合我国具体情况, 最能发挥膜结构优势的应用领域有:

( 一 ) 需要自然采光的公共建筑, 如体育馆、训练房、游泳馆等, 膜材的半透明性最能满足这种要求。

( 二 ) 在交通不便以及缺少熟练技工的地区,膜结构具有便于运输与安装的优点, 最适于在偏僻地区以及紧急救灾时采用。

( 三 ) 轻巧与美观的膜结构对于敞开或半敞开的遮蔽屋盖尤为适宜, 如体育场看台或露天剧院舞台等。

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膜结构建筑出现于二十世纪六十年代,以其简洁、明快的动感外观、刚与柔、力与美的完美结合,迄今为止在西方国家应用已十分广泛。作为最新的建筑形式,以最先进的环保化工柔性膜材为覆盖,一目了然的钢结构为支撑,具有强烈的形体雕塑性,能充分表现建筑的人文精神,极具现代感。

膜结构建筑目前已成为大跨度空间建筑的主要形式之一。其应用范围通常包括有:

<一>体育设施:体育竞技看台膜结构工程、体育场馆膜结构、健身中心膜结构、游泳馆膜结构、网球馆膜结构、训练中心膜结构、高尔夫球场膜结构等。

<二>商业设施:商场膜结构、购物中心膜结构、酒店膜结构、餐厅膜结构、商店门头张拉膜结构、商业街膜结构、充气膜场馆等。

<三>文化设施:展览中心膜结构、剧院膜结构、会议厅膜结构、博物馆膜结构、植物园膜结构、水族馆膜结构、表演中心膜结构、旅游区膜结构,度假山庄膜结构、舞台膜结构、音乐广场膜结构等。

<四>交通设施:机场膜结构、火车站膜结构、公交站膜结构、收费站膜结构、码头张拉膜结构、加油站膜结构、停车场膜结构等。

<五>工业设施:工厂膜结构、处理中心张拉膜结构、温室膜结构、物流中心膜结构、大型仓储膜结构等。

<六>景观设施:建筑入口膜结构、标志性小品膜结构、步行街膜结构、地下车库入口张拉膜结构、小区花园张拉膜结构等。

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