建筑膜結(jié)構(gòu)(土木工程)

建筑膜結(jié)構(gòu)制作：Susanye硬件支持：目前一頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點(diǎn)1.膜結(jié)構(gòu)的定義

膜結(jié)構(gòu)也稱為織物結(jié)構(gòu)，是世紀(jì)中葉發(fā)展起來的一種新型空間結(jié)構(gòu)形式，它以性能優(yōu)良柔軟織物為材料，由膜內(nèi)空氣壓力支撐膜面，或利用柔性鋼索或剛性支撐結(jié)構(gòu)使膜面產(chǎn)生一定的預(yù)張力，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大空間的結(jié)構(gòu)體系。

膜結(jié)構(gòu)的起源可追溯至遠(yuǎn)古時(shí)代人們利用牛皮或布等制作的帳篷結(jié)構(gòu)。但是長期以來由于技術(shù)原因，這種結(jié)構(gòu)發(fā)展并不快。1970年日本大阪世界博覽會，由美國工程師蓋格爾(DavidGeiger)

設(shè)計(jì)的美國館，其屋頂采用空氣支撐膜結(jié)構(gòu)，平面尺寸達(dá)到83.5m×142m，采用以聚氯乙烯(PVC)涂層的玻璃纖維織物建造。通常被認(rèn)為是第一個(gè)現(xiàn)代意義上的大跨度膜結(jié)構(gòu)。

雖然現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)出現(xiàn)僅有幾十年時(shí)間，但發(fā)展迅速。既可應(yīng)用于大型大跨度的公共建筑，如體育場館、機(jī)場大廳、展覽中心、購物中心，也適用于規(guī)模較小而造型各異的休閑景觀設(shè)施、建筑小品等。目前二頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點(diǎn)2.膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，膜結(jié)構(gòu)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）自重輕、跨度大、抗震性能好。薄膜結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比自重有數(shù)量級的差別約為后者的。可以輕易地跨越較大的跨度，且單位面積的自重與造價(jià)未明顯增加。由于自重輕，膜結(jié)構(gòu)建筑具有良好的抗震性能。2）建筑造型自由豐富。膜結(jié)構(gòu)建筑造型豐富多彩、新穎獨(dú)特，富有時(shí)代氣息，可為建筑師提供較大的想象和創(chuàng)作空間。3）施工方便。膜材料的裁剪、熔接等工作主要在工廠完成，現(xiàn)場主要是將膜成品張拉就位安裝。與傳統(tǒng)建筑相比，施工程序簡單，施工周期大為縮短。4）透光性。膜材具有良好的透光性，透光率約47%~16%。白天陽光形成自然漫射，幾乎無需人工采光，節(jié)約能耗，而晚上室內(nèi)燈光透過膜面而給夜空增添夢幻般的夜景。5）自潔性。膜材的表面涂層、特別是聚四氟乙烯涂層，具有良好的非粘著性，大氣中的灰塵及臟物不易附著，表面灰塵也會被雨水沖刷干凈，常年使用后仍能保持外觀潔凈與室內(nèi)美觀。

除了以上優(yōu)點(diǎn)，膜結(jié)構(gòu)也有一定的不足。如耐久性、保溫隔熱性能以及隔音效果都不及傳統(tǒng)的磚石、鋼筋混凝土等材料，仍有待研究。目前三頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點(diǎn)3.膜結(jié)構(gòu)的分類

根據(jù)不同的支撐方式，通常將膜結(jié)構(gòu)分為空氣支撐式、張拉式及骨架支撐膜結(jié)構(gòu)大類。目前四頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點(diǎn)

空氣支撐式膜結(jié)構(gòu)

空氣支撐膜結(jié)構(gòu)是利用薄膜內(nèi)外的空氣壓差來穩(wěn)定膜面以承受外荷載。又可分為氣承式和氣囊式兩類。氣承式是通過壓力控制系統(tǒng)向建筑物室內(nèi)充氣，使室內(nèi)外保持一定的壓力差，膜體產(chǎn)生一定的預(yù)張力從而保證體系的剛度。氣囊式是向單個(gè)膜構(gòu)件通常為管狀構(gòu)件內(nèi)充氣，使其保持足夠的內(nèi)壓。由多個(gè)膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合形成一定形狀的整體結(jié)構(gòu)。目前五頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點(diǎn)張拉式膜結(jié)構(gòu)

張拉式膜結(jié)構(gòu)是由索網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)展而來的，依靠薄膜自身的預(yù)張應(yīng)力與拉索、支柱共同作用構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系。張拉式膜結(jié)構(gòu)中，薄膜材料既承載結(jié)構(gòu)，又起到圍護(hù)功能，充分發(fā)揮了膜材的結(jié)構(gòu)功能。結(jié)構(gòu)造型也較為豐富，可以說是最具創(chuàng)意的膜結(jié)構(gòu)形式。但對施工精度要求較高，工程造價(jià)相對較高。目前六頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點(diǎn)骨架支撐膜結(jié)構(gòu)

骨架支撐膜結(jié)構(gòu)是指以剛性結(jié)構(gòu)通常為鋼結(jié)構(gòu)為承重骨架、并在骨架上敷設(shè)張緊的膜材的結(jié)構(gòu)形式。剛性骨架是主要受力體系，膜材僅作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，故設(shè)計(jì)、制作比較簡單，工程造價(jià)相對較低。但未發(fā)揮出膜材料本身的結(jié)構(gòu)承載力，跨度也受支撐骨架的限制。目前七頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點(diǎn)4.膜材料的物理性能

膜材屬于柔性極大的高分子化學(xué)建材，其物理性能也與一般傳統(tǒng)建材有很大差別。1）力學(xué)性能。中等強(qiáng)度的PVC膜，厚度僅0.61mm，但它的拉伸強(qiáng)度相當(dāng)于鋼材的一半。中等強(qiáng)度的PTFE膜，厚度僅0.8mm，但它的拉伸強(qiáng)度已達(dá)到鋼材的水平。膜材的彈性模量較低，這有利于膜材形成復(fù)雜的曲面造型。2）光學(xué)性能。膜材料可濾除掉大部分紫外線，防止內(nèi)部物品褪色。其對自然光的透射率可達(dá)225%，透射光在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生均勻的漫射光，無陰影，無眩光，具有良好的顯色性，夜晚在周圍環(huán)境光和內(nèi)部照明的共同作用下，膜結(jié)構(gòu)表面發(fā)出自然柔和的光輝，令人陶醉。3）聲學(xué)性能。一般膜結(jié)構(gòu)對于的低頻幾乎是通透的，對于有特殊吸音要求的膜結(jié)構(gòu)可以采用360Hz具有吸聲裝置的膜材料。4）防火性能。如今廣泛使用的膜材料能很好地滿足對于防火的需求，具有卓越的阻燃和耐高溫性能，達(dá)到法國、德國、美國、日本等多國標(biāo)準(zhǔn)。5）保溫性能。單層膜材料的保溫性能與磚墻相同，優(yōu)于玻璃。同其他材料的建筑一樣，膜建筑內(nèi)部也可以采用其他方式調(diào)節(jié)其內(nèi)部溫度。例如：內(nèi)部加掛保溫層，運(yùn)用空調(diào)采暖設(shè)備等。6）自潔性能。膜材經(jīng)過特殊表面處理如加

TiO2涂層(TiO2涂層的膜材具有很好的自潔性能），雨水會在其表面聚成水珠流下，使膜材表面得到自然清洗。目前八頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點(diǎn)5.膜材料

以高強(qiáng)纖維織物為骨架材料、表面涂覆高性能涂層材料，并具有良好的阻燃．耐老化．抗風(fēng)雪載及自潔性能，可廣泛用作展覽，體育，交通、休閑等建筑物的屋頂材料并承載應(yīng)力的新一代復(fù)合材料，人們稱之為現(xiàn)代建筑膜結(jié)構(gòu)材料。

當(dāng)前常用的膜材料一般由兩部分組成：基材編織物和涂層。涂層

其材料的強(qiáng)度和彈性性能主要取決于基材，而進(jìn)一步的性能，如防火、防水、抗紫外線侵蝕以及對機(jī)械、化學(xué)等因素的不敏感性，都必須依靠涂層來加強(qiáng)。

目前九頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點(diǎn)基材

基材基本上為一種織布，織布是由纖維構(gòu)成?；牡倪x擇是保證膜結(jié)構(gòu)品質(zhì)的關(guān)鍵。

常用的建筑膜材按基材可分為兩類。一類是以聚酯織物為基材，表面進(jìn)PVC涂層的產(chǎn)品，另一類是以玻璃纖維織物為基材、表面進(jìn)行聚四氟乙烯涂層的產(chǎn)品．

前者一般用于使用年限在15年以下的幅時(shí)性或半永久性建筑，后者常用于永久性建筑。1）尼龍(Nylon)。其耐磨性和強(qiáng)度較高，抗拉力較聚酯類好，但其剛度較低，使得在載重情況下可能造成皺褶的概率大為升高，易受濕度變化的影響，使得在裁剪前后產(chǎn)生誤差。另外，易受紫外線影響而逐漸失去抗拉力。若溫度較高，可能發(fā)生氧化而變黃、變脆。2）聚酯類（Polyester）。又稱為滌綸，抗拉力較尼龍稍差，但其具有良好的耐久性、抗紫外線性能。目前十頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點(diǎn)6.膜結(jié)構(gòu)建筑案例國家游泳中心（俗稱“水立方”）位于北京奧林匹克公園內(nèi)，2008年北京奧運(yùn)會標(biāo)志性建筑物之一?！八⒎健笔鞘澜缟献畲蟮哪そY(jié)構(gòu)工程，建筑外圍采用世界上最先進(jìn)的環(huán)保節(jié)能ETFE(四氟乙烯)膜材料?！八⒎健闭w建筑由3000多個(gè)氣枕組成，氣枕大小不一、形狀各異，覆蓋面積達(dá)到10萬平方米，堪稱世界之最。目前十一頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點(diǎn)大連金石灘影視藝術(shù)中心為骨架式雙層膜結(jié)構(gòu)，主體膜結(jié)構(gòu)為半個(gè)橢球鋼網(wǎng)殼上面直接覆蓋膜材料，橢球網(wǎng)殼平面長軸60米、短軸45米、高16米；為提高其保溫隔熱性能，本工程采用了雙層膜，膜層間距475米。該項(xiàng)目榮獲中國空間結(jié)構(gòu)優(yōu)秀工程三等獎(jiǎng)。目前十二頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點(diǎn)天津保稅區(qū)區(qū)標(biāo)時(shí)至今日，完成于1998年5月14日的天津保稅區(qū)區(qū)標(biāo)膜結(jié)構(gòu)工程，已經(jīng)成為中國膜結(jié)構(gòu)業(yè)界的里程碑，它標(biāo)志著中國膜結(jié)構(gòu)劃時(shí)代的開始，其中索膜結(jié)構(gòu)是此工程的重點(diǎn)內(nèi)容，44個(gè)獨(dú)立的膜結(jié)構(gòu)單元體和鋼結(jié)構(gòu)采用牽拉方式連接，面材為法國法拉利公司生產(chǎn)的型號為1002T。目前十三頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點(diǎn)北京雕塑展覽中心目前十四頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點(diǎn)大連五彩城風(fēng)箏放飛場目前十五頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點(diǎn)帆船酒店目前十六頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點(diǎn)表1我國2000左右完成的大型膜結(jié)構(gòu)體育館

體育館名稱膜材投影面積(萬/m2)膜材類型施工單位建成時(shí)間上海八萬人體育館3．6PVC膜材Bjrdaj公司1999

上海虹日俸育館2．6PVC膜材Bima公司1999

廣州黃埔體育館1．0PVC膜材光翌空間膜結(jié)構(gòu)技術(shù)工程公司2000

浙江義鳥體育館1．6PVC膜材紐曼帝膜建筑技術(shù)公司2001

青島最中體育館3．0PVC膜材紐曼帝膜建筑技術(shù)公司2001

武秘體育中心3．0PVC膜材琢翻矗公司2001

威海體育中心2．5PVC膜材光翌空間膜結(jié)構(gòu)技術(shù)工程公司2001

煙臺體育館1．6PVC膜材紐曼帝膜建筑技術(shù)公司2001鄭州航海體育館2．0PVC膜材紐曼帝膜建筑技術(shù)公司2001目前十七頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點(diǎn)5.問題與展望

我國在建筑膜材開發(fā)中需解決的核心問題有：

(1)建筑膜材基布的織造。國內(nèi)生產(chǎn)的基布都是平紋組織結(jié)構(gòu)。還沒有廠家開發(fā)出可用于建筑膜材的結(jié)構(gòu)的基布。(2)涂層工藝。采用的都是常規(guī)的單向張拉工藝，雙向拉伸工藝未能開發(fā)。(3)