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膜结构体系的发展过程

日期:2015-5-25 10:48:42 | 阅读:444

    膜结构体系包括气承式膜结构、气枕(囊)式膜结构和张拉膜膜结构。
    从工程的角度来讲,膜结构是由厚度不变的薄膜组成的,依靠其曲面形状和固有的大变形能力来承受荷载,并通过施加适当的预应力来保证其刚度。
不管仅充当维护功能的膜结构还是兼有承载力和维护双重作用的膜结构,膜材都必须施加预应力。因此,从这种意义上来说,膜结构的演变过程就是如何对膜材施加预应力的过程。当然这个过程与膜材工艺的发展,以及建筑安装技术、计算机技术、设计数值分析理论与方法的发展分不开。
1、气承式膜结构
    气承式膜结构是有膜面内外压差来稳定形状的正高斯张力曲面的膜结构。内外压差可通过鼓风机向气密膜材覆盖的空间内送风而实现。气承结构不需要诸如墙、柱、拱等刚性构件做为支撑,从而使其成为建筑史上最轻质、最简约的人工结构,其理论跨度可以达到几千米。
1917年,英国人W.Lanchester发明了一种充气膜作为野外医院建筑屋面,这是一种安装便捷、造价经济的屋面体系,但他本人并未建成。
    1946年,美国人Walter Bird建成第一个现代充气膜结构,多普勒雷达穹顶,直径15M,矢高18.3m,采用以玻璃纤维为基布氯丁二烯橡胶为涂层的膜材。1950~1970年间,相继在美国、德国等地建造大量类似穹顶,最大直径达到60m。
    1970年,日本大阪世博会为膜结构发展提供了契机。因日本多地震,且展馆多位于软土地基,因此,展馆宜采用轻结构体系。由D avid  Geiger设计,Birdair公司在美国建成银色穹顶等7座大型气承式膜结构,美国馆是一个椭圆形充气膜结构,139×78m无柱大厅的屋面由32根沿对角线交叉布置的钢索和膜布索覆盖。整个工程只用不到10个月时间就完成了,该设计不仅表现了膜结构非凡的跨越能力,而且表现了其优良的经济性。
2、气囊(枕)式膜结构
    气枕式膜结构是靠膜面内外压差来承载的,气枕式膜结构需要双层膜,在双层膜之间充气,达到一定气压才具有稳定的形状,并承受外部荷载与作用。气枕及其组合主要用做屋面或立面等维护结构。为了使气枕屋面具有良好的透光性和保温效果,一般采用ETFE膜。在气枕内部增加内膜以减少气体的对流,从而提供其保温效果。
    ETFE膜用于建筑,拓展了气枕膜的设计思想、形式与应用领域,已经成功用于屋面、体育场罩棚等。气枕小型化、网格化、独立或局部并列、低轮廓(浅矢高),与其他结构体系有机结构,如刚性骨架、柔性索网、半刚性悬挂体系等,这是气枕膜发展应用趋势。
3、张拉膜结构
    张拉膜结构是通过继续方式在膜面内沿着其边界张拉而产生预应力的负高斯曲面的膜结构。
现代膜结构始于Frei Otto在德国园艺展设计建成的帐篷,经典马鞍形双曲抛物面,采用棉纱纤维膜,由φ10平行钢丝嵌套膜加劲,边索φ16,桅杆5m。
     1957年在Cologne建成一个较复杂张拉膜,展览场舞厅,高低点相间隔,对称各6个点,高点桅杆10.4m,低点拉索锚固,跨度约33m,膜张力1.2KN/M,膜材选用1mm厚棉纱纤维膜。
    按现在的技术来看,这是两个十分简单的膜结构,但它标志着张拉膜的开始。
    随后,Otto将张拉索膜结构技术又向前推进了一步,把索网引入张拉膜结构中,1967年设计完成的加拿大Montreal博览会的德国馆就是其中一例。该建筑的平面就是沿着湖边自由蜿蜒伸展,建筑物和景观之间的严格分界近乎消失-建筑本身就是一道风景。由于平面不规则,索网挂在不同高度和斜度的桅杆上,桅杆端部的集中力通过索网平面内的环形索巧妙的予以截断和承担,索网的维护结构是1万㎡的张拉PVC涂层聚酯纤维膜材。、
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