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膜結構應用

我國膜結構建筑雖然起步較晚,但是發展速度非常快。從1997年至2001年,五年內我國建造的膜結構達37萬噸;2003年建造的膜結構約18萬噸;2005年、2006年建造的膜結構分別超過33和40萬噸。2008年北京奧運會、2010年上海世博會和廣州亞運會的舉行,以及各種類型的展覽館建設,使得我國迎來了膜結構建筑的發展高峰期,這幾年間我國膜結構建筑的建造規模擴張非常迅速。


目前全世界膜結構的有名生產企業主要集中在美國、日本和德國等少數幾個發達國家。其中大部分的有名生產企業都力具備產品的研發、設計、生產這一產業全業務鏈模式經營。而作為膜結構的主要材料,目前市場上主要是以是PVC膜、PVF膜、PVDF、PTFE乃至新的ETFE 膜材為主。


工程實例


2008年竣工的北京奧運會場館“鳥巢”和“水立方”膜結構采用ETFE膜材,是目前國內大的ETFE膜材結構建筑,膜材采用進口產品。“鳥巢”采用雙層膜結構,外層用ETFE防雨雪防紫外線,內層用PTFE達到保溫、防結露、隔音和光效的目的。“水立方”采用雙層ETFE充氣膜結構,共1437塊氣枕,每一塊都好像一個“水泡泡”,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節,有效地利用自然光,節省能源,并且具有良好的保溫隔熱、消除回聲,為運動員和觀眾提供溫馨,安逸的環境。


目前國內膜結構發展振奮人心,隨著一些大型體育館、候機大廳等建設以及2010年上海世博會和廣州亞運會等國際盛會的舉辦,為中國膜結構的發展帶來了機遇和挑戰。尤其在膜材方面,中國起步晚,技術水平低,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,應用比較廣泛。中國已有PTFE膜材的自主知識產權,性能也基本達到國外同類產品的要求。很多公司、科研單位以及高校都在進行PVC表面涂層材料的研究,如PVDF、納米TiO2表涂劑等的研究已初見成效,另外在表面防污自潔處理方面的研究如仿生荷葉構筑微粗糙表面也開始起步。在引進優質生產設備和工藝技術的同時,加緊消化吸收并改進創新,盡快開發適合中國市場需求的膜材表面處理技術,對提升中國整個產業用紡織品產品檔次和市場競爭力都具有重要意義。


膜結構在中國也不乏工程實例,其中規模大、具影響力的膜結構要數1997年竣工的上海八萬人體育場看臺罩棚張拉膜結構工程。但該膜結構為美國Weidlinger公司設計制作,由此也可以看出中國在該領域與先進國家的差距很大。影響中國膜結構廣泛應用的主要因素有:國產膜材料性能差,而進口膜材料價格高;尚無商業性的膜結構計算南輔助設計系統;人們對膜結構缺乏足夠的認識等。


1970年日本大阪萬國博覽會上的美國館和富士館均采用了膜結構建筑,在建筑行業引起了不小的轟動。1996年亞特蘭大奧運會的“佐治亞穹頂”,擬橢圓形的尺寸達240m*193m。為了慶祝新千年的到來,英國在倫敦建成了直徑達320m的“千氣穹頂”。整個展覽大廳總面積為8萬平米。覆蓋其上的是72塊聚氯乙烯(PVC)涂層的玻璃纖維織物板,千年穹頂以其獨特的膜結構,顯示了當今建筑技術與材料科學的發展水平。


索膜結構


索膜結構是用高強度柔性薄膜材料經受其它材料的拉壓作用而形成的穩定曲面,能承受一定外荷載的空間結構形式。其造型自由、輕巧、柔美,充滿力量感,節能、使用安全等優點,因而使它在世界各地受到廣泛應用,膜結構建筑作為新的建筑形式于本世紀五十年代在國際上開始出現,至今已有四十多年的歷史,特別是到了七十年代以后膜結構的應用得到了迅速發展。膜結構的出現為建筑師們提供了超出傳統建筑模式以外的新選擇。膜結構一改傳統建筑材料而使用膜材,其重量只是傳統建筑的三十分之一。而且膜結構可以從根本上克服傳統結構在大跨度(無支撐)建筑上實現時所遇到的困難,可創造巨大的無遮擋的可視空間。其造型自由輕巧、阻燃、制作簡易、安裝快捷、節能、易于、使用安全等優點,因而使它在世界各地受到廣泛應用。另外值得一提的是,在陽光的照射下,由膜覆蓋的建筑物內部充滿自然漫射光,無強反差的著光面與陰影的區分,室內的空間視覺環境開闊和諧。夜晚,建筑物內的燈光透過屋蓋的膜照亮夜空,建筑物的體型顯現出夢幻般的效果。這種結構形式特別適用于大型體育場館、入口廊道、小品、公眾休閑娛樂廣場、展覽會場、購物機構等領域。張拉膜結構(Tesioned Membrane Structure) ,是依靠膜自身的張拉應力與支撐桿和拉索 共同構成機構體系。室內的空間視覺環境開闊和諧。張拉膜結構特別適合用來建造城市標志性建筑的屋頂,如體育與娛樂性場館,需有廣告效應的商場、餐廳等。城市的交通樞紐是城市命脈的關鍵性建筑,使用功能要求建筑物各組成單元的標志明確。這類建筑越來越多采用膜結構。建筑膜材料的使用壽命為 25 年以上。在使用期間,在雪或風荷載作用下均能保持材料的力學形態穩定不變。建成于 1973 年的美國加州La Verne 大學的學生活動機構是已有 23 年歷史的張拉膜結構建筑.跟蹤測試與材料的加載與加速 氣候變化的試驗,證明它的膜材料的力學性能與化學穩定性指標下降了 20 %至 30 %,但仍可正常使用。膜的表層光滑,具有彈性,大氣中的灰塵、化學物質的微粒極難附著與滲透,經雨水的沖刷建筑膜可恢復其原有的清潔面層與透光性。張拉式膜結構 張拉整體結構( Tensegrity )是由一組連續的拉桿和連續的或不連續的壓桿組合而成的自應力、自支撐的狀桿系結構,其中“不連續的壓桿”的含義是壓桿的端部互不接觸,即一個節點上只連接一個壓桿。Tensegrity 是美國建師 R.B.Fuller 提出的一種結構思想,他認為宇宙的運行就是按照張拉整體的原理進行的,即萬有引力是一個平衡的張網,各個星球是這個網中的一個個 孤立點。這種結構體系中的索網就相當于宇宙中的萬有引力,獨立的受壓桿件 相當于宇宙中的星球 20 世紀 60 年代隨著現代柔性建筑材料的發展,建筑師們從帳篷著一古老的簡單建筑 結構出發,構造出了魔般的形式——膜結構。它可以構成單曲面,多曲面等不同建筑結構形式,滿足了建筑師們對建筑與美學高度統一的要求。柔性材料具有透光和防紫外線功能,在一些室外建筑和環境小品中得到廣泛的應用。正是由于這一特征,夜間的燈光設計使膜結構具有鮮明的環境標志特征。優美造型的膜材,不銹鋼配件和緊固件加上設計輕巧合理,表面處理嚴格的鋼結構支撐,塑造出形式美觀,設計合理的膜結構,在當今世界范圍內的建筑環境設計中占有舉足輕重的地位。


膜結構工程


用于膜結構建筑中的膜材是一種具有強度,柔韌性好的薄膜材料,是由纖維編織成織物基材,在其基材兩面以樹脂為涂層材所加工固定而成的材料,機構的織物基材分為聚酯纖維及玻璃纖維,而作為涂層材使用的樹脂有聚氯乙烯樹脂(PVC),硅酮(silicon)及聚四氟乙烯樹脂(PTFE),在力學上織物基材及涂層材分別具有影響下列的功能性質。織物基材——抗拉強度,抗撕裂強度,耐熱性,耐久性,防火性。涂 層 材——耐候性,防污性,加工性,耐水性,耐品,透光性。


結構應用


文化設施--展覽機構、劇場、會議廳、博物館、植物園、水族館等  體育設施--體育場、體育館、健身機構、游泳館、網球館、籃球館等  商業設施--商場、購物中心、酒店、餐廳、商店門頭(挑檐)、商業街等  交通設施--機場、火車站、公交車站、收費站、碼頭、加油站、天橋連廊等  工業設施--工廠、倉庫、科研中心、處理中心、溫室、物流機構等


景觀設施--建筑入口、標志性小品、步行街、停車場等


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