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          膜結構工程的發展及應用


          作者:admin 發布時間:2017-03-03 18:01?
            1970年日本大阪萬國博覽會的美國館與富士山館由于采用了膜結構工程,引起了與會者和游人的濃厚興趣,也引起了世界建筑界的轟動。隨后幾十年里,膜結構工程建筑在美國、加拿大等發達國家迅速發展起來。我國內地自上世紀70年代以來,一些科研、設計單位與高等院校開始對膜結構工程進行研究。一些關鍵技術如膜結構工程的找形分析、荷載分析、裁剪分析等的研究也獲得了一定的進展,為我國的膜結構工程的開發、應用建立了一定的技術儲備。
            2. 膜結構工程建筑特點
            膜結構工程(Membrane Structure)是用輕質高強度柔軟膜材料與支撐體系相結合形成的具有一定剛度穩定曲面、可承受一定荷載、能覆蓋大空間的結構形式,習慣上又稱空間膜結構工程。由于充分發揮了材料抗拉強度高的特性,使得膜結構工程建筑具有以下優點:
            1.1結構重量輕
            膜材本身輕,支承膜材的鋼桿、鋼材與鋼索比相應的鋼筋混凝土也減輕不少重量。1970年日本大阪世界博覽會中的美國館,屋面重量每平方米僅1122g。
            1.2 跨度大
            由于自重輕,膜結構工程建筑可以不需要內部支撐而大跨度覆蓋空間,這使人們可以更有創意、更靈活的設計和使用空間。目前充氣結構建筑的無內柱空間跨度可做到200m以上。
            1.3施工方便
            膜結構工程的材料可以在工廠預制成卷材成品與鋼材一樣便于工業化生產,便于運輸安裝,施工時也不需搭建腳手架,工期較短。1979年能容納5萬人的美國卡里阿體育館,只用了一年多,現在建造較大的膜結構工程建筑,只需幾個月就能完工。
            1.4造型美觀
            多變的支撐結構和柔性的膜材使建筑物造型更加多樣化,新穎美觀,同時體現結構美,具有一般建筑無法比擬的表現力,加上膜材的顏色可以任意選擇,更加強了藝術感染力。
            1.5費用低
            膜建筑屋面重量僅為常規鋼屋面的1/30,這就降低了墻體和基礎的造價。膜材本身是裝修材料,可減少建筑的二次裝修費用;膜結構工程建筑屋面膜材透光性好,能透過大量柔和的自然光,降低白天的照明費用以及整個建筑的供熱與空調費用。對于同等大小的建筑,采用膜結構工程,其成本至相當于傳統建筑的二分之一或是更少。特別是建造短期應用的大跨度建筑時,就更為合算。如今,膜結構工程已廣泛應用于各類建筑結構中,如:體育場館、游泳館、商場、大面積溫室、公共建筑、廠房設施等。
            3. 膜結構工程建筑常用的結構形式
            膜結構工程屬于空間結構體系,它不同于一般的鋼、木、磚和鋼筋混凝土結構,是繼網架、薄殼、懸索結構之后新崛起的一個結構體系。近三十年來,預應力索在結構體系中的作用和優勢已為工程師所充分認識,各種新型索和膜結構工程體系得到廣泛的研究和應用。從膜結構工程的構造和受力特點可將膜結構工程分為框式膜結構工程、張拉膜結構工程和充氣膜結構工程三大類。
            3.1框式膜結構工程(Frame Supported Structure)
            框式膜結構工程中的膜面僅僅起到對框架結構的維護作用,框架結構可以是傳統的剛性結構,也可以是各類索結構??蚴侥そY構工程廣泛用于任何大、小規??臻g。
            3.2張拉式膜結構工程(Tension Suspension Structure)
            張拉膜結構工程是通過邊界條件給膜材施加一定預張應力,膜既是建筑的圍護體又作為結構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力分布與變形以及怎樣用二維的膜材料來模擬三維空間等一系列復雜問題,都通過計算確定,張拉膜結構工程的發展離不開計算機的進步和新算法的提出。但張拉膜結構工程因施工精度要求高,結構性能強,且具有豐富的表現力,所以造價略高于框式膜結構工程。
            3.3充氣膜結構工程(Pneumatic Structure)
            氣承式膜結構工程依靠曲面內外氣壓差來維持膜曲面的形狀。氣承式膜結構工程是在膜結構工程構成的室內沖入空氣,保持室內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來抵抗荷載及外力的構造形式。充氣膜結構工程分為單層結構和雙層結構,單層結構如同肥皂泡,單層膜的內壓大于外壓。此結構具有大空間、重量輕、建造簡單特點,但需要不斷輸入超壓氣體及需日常維護管理。雙層結構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構,而且進出口可以敞開,但其在持續運行及機器維護費用的成本上較高。
            4. 膜材料
            21世紀建筑領域發展趨勢之一是采用新材料。膜結構工程的建筑開發與應用,擺脫結構對鋼材、木材、混凝土等傳統材料的依賴,為建筑帶來一場新的革命。用于膜結構工程建筑的膜材料是在用纖維織成的基布上涂覆樹脂或橡膠等制成的,高強度聚酯纖維是膜材的基質,保證膜材的強度;高分子聚合物涂層保證膜材的密實性;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げ牧系目估?、抗撕裂等力學特性及防火性、耐久性、自潔性、染色性及膜材料與膜材料的融合性等特性。
            目前,膜材料建筑中最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類膜材料商品名叫特氟?。═eflon),是在玻璃纖維布基上敷聚四氟乙烯樹脂(簡寫PTFE),樹脂含量大于90%,PTFE膜的特性是耐久性、防火性與防污性高。但PTFE膜與PVC膜比較,材料費與加工費高,且柔軟性低,在施工上為避免玻璃纖維被折斷,必須有專用的工具與施工技術。   PVC類膜材料的布基織物為聚酯或聚氨酯等,涂層為PVC樹脂,或氯丁橡膠類物質,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,且具有材質柔軟、易施工的優點,但在強度、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,近年來已研發出以氟素系樹脂于PVC涂層材的表面處理上做涂層。
            為了解決PVC膜材的自潔性,在PVC涂層上再涂上PVDF膜材料。PVDF是聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride)的簡稱,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,抵抗發霉。PVDF膜與一般的PVC膜比較,耐用年限可達7~10年左右,耐火性基本上達到了難燃級水平。
            PVF膜材是在PVC膜的表面處理上以PVF樹脂做薄膜狀薄片(laminate)加工,比PVDF膜的耐久性更佳,且具有防油污的優點。但因加工性、施工性與防火性不佳,使用受到一定的限制。
            5. 膜結構工程的應用前景
            隨著工業的發展與計算技術的進步,膜結構工程也從臨時建筑邁向永久性建筑行列,并成為當代充滿活力的一種新型大跨度空間結構體系。在許多國家舉辦奧運會、世博會的場館建設中,膜結構工程以其絢麗的色彩和豐富的造型贏得了人們的關注和認同。1995年建成的北京房山游泳館(跨度33m,1100m2)與鞍山農委游泳館(跨度30m,1000m2)是我國正式應用于工程的空氣支承膜結構工程,標志我國開始啟動膜結構工程的工程建設。1997年通過引進國外膜結構工程技術建成上海八萬人體育場看臺挑棚后,又相繼建成了青島頤中體育場挑棚膜結構工程、杭州游泳館、網球館雙層膜結構工程等二百余項膜結構工程工程,年增長率達20%以上。隨著膜結構工程應用的日趨廣泛,專業膜結構工程企業及相關配套產品的廠商也大量涌現,實力強勁的日本太陽工業集團和德國的Skyspan公司已加入到我國內地膜結構工程市場,臺商膜結構工程企業也相當活躍,這對于促進我國內地膜結構工程的發展都起到了積極作用。
            目前膜結構工程除了用于體育館、體育場等體育設施之外,還廣泛應用于商業、教育、交通運輸設施等。由于膜結構工程新穎美觀的造型和多變的色彩,還可用于標志性建筑,例如城市與地方的標識等。然而,目前膜結構工程在我國尚處于小范圍試驗階段,但隨著我國經濟實力的增強,新工藝、新材料、新設備的出現,膜材料建筑將成為我國21世紀空間結構的發展主流。
            自重輕,跨度大,造價低,可以最大限度發揮材料特性,有利于防震;造型新穎美觀,色彩多變,可為文化、體育、旅游、商業設施提供最佳的形象包裝;具有較好的防水、透光性能,建設周期短,可做永久性建筑,也可移動搬遷,有利于城建景觀及房地產項目的開發??梢灶A見,21世紀中國經濟突飛猛進,膜結構工程價格建筑將在未來大型建筑中展現新、奇、輕、美的特點,因此膜結構工程建筑的研究與開發有著廣泛的發展情景。
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