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膜结构---21世纪的建筑

日期:2015-6-2 9:55:49 | 阅读:704

 膜结构(Membrane)是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式,是由多种高强薄膜材料(PVC或Teflon)及加强构件(钢架、钢柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状,作为覆盖结构,并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式.膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类.充气膜结构是靠室内不断充气,使室内外产生一定压力差(一般在10㎜~30㎜水柱之间),室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力,从而实现较大的跨度.张拉摸结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型,其造型非常优美灵活. 

  膜结构所用膜材料由基布和涂层两部分组成.基布主要采用聚酯纤维和玻璃纤维材料;涂层材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材为聚酯纤维覆聚氯乙烯(PVC)和玻璃纤维覆聚聚四氟乙烯(Teflon)。PVC材料的主要特点是强度低、弹性大、易老化、徐变大、自洁性差,但价格便宜,容易加工制作,色彩丰富,抗折叠性能好。为改善其性能,可在其表面涂一层聚四氟乙烯涂层,提高其抗老化和自洁能力,其寿命可达到15年左右。Teflon材料强度高、弹性模量大、自洁、耐久耐火等性能好,但它价格较贵,不易折叠,对裁剪制作精度要求较高,寿命一般在30年以上,适用于永久建筑。 
  世界上第一座充气膜结构建成于1946年,设计者为美国的沃尔特·勃德(W.Bird),这是一座直径为15的充气穹顶。1967年在德国斯图加特召开的第一届国际充气结构会议,无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂。随后各式各样的充气膜结构建筑出现在1970年大阪世界博览会上。其中具有代表性的有盖格尔设计的美国馆(137m×7m8卵形),以及川口卫设计的香肠形充气构件膜结构。后来人们认为70年大阪博览会是把膜结构系统地、商业性地向外界介绍的开始。大阪博览会展示了人们可以用膜结构建造永久性建筑。而70年代初美国盖格尔-勃格公司(Geiger-Berger Associates)开发出的符合美国永久建筑规范的特氟隆(Teflon)膜材料为膜结构广泛应用于永久、半永久性建筑奠定了物质基础。之后,用特氟隆材料做成的室内充气式膜结构相继出现在大中型体育馆中,如1975年建成的密歇根州庞蒂亚克“银色穹顶”(椭圆形220×159m),1988年建成的日本东京体育馆(室内净面积4,6767㎡)。 
  张拉形式膜结构的先行者是德国的奥托(F.Otto),他在1955年设计的张拉膜结构跨度在25m左右,用于联合公园多功能展厅。由于张拉膜结构是通过边界条件给膜材施加一定的预张应力,以抵抗外部荷载的作用,因此在一定初始条件(边界条件和应力条件)下,其初始形状的确定、在外荷载作用下膜中应力分布与变形以及怎样用二维的摸材料来模拟三维的空间曲面等一系列复杂的问题,都需要有计算来确定,所以张拉膜结构的发展离不开计算机技术的进步和新算法的提出。目前国外一些先进的摸结构设计制作软件已非常完善,人们可以通过图形显示看到各种初始条件和外荷载作用下的形状与变形,并能计算任一点的应力状态,使找形(初始形状分析)、裁剪和受力分析集成一体化,使得膜结构的设计大为简便,它不但能分析整个施工过程中各个不同结构的稳定性和膜中应力,而且能精确计算由于调节索或柱而产生的次生应力,完全可以避免各种不利荷载式况产生的不测后果。因此计算机技术的迅猛发展为张拉膜结构的应用开辟了广阔的前景。而特氟隆摸材料的研制成功也极大地推动了张拉膜结构的应用。比较著名的有沙特阿拉伯吉达国际航空港、沙特阿拉伯利雅得体育馆、加拿大林德塞公园水族馆、英国温布尔登室内网球馆、美国新丹佛国际机场等. 
  膜结构的设计主要包括体形设计、初始平衡形状分析、荷载分析、裁剪分析等四大问题。通过体形设计确定建筑平面形状尺寸、三维造型、净空体量,确定各控制点的坐标、结构形式,选用膜材和施工方案。初始平衡形状分析就是所谓的找形分析。由于膜材料本身没有抗压和抗弯刚度,抗剪强主芤很差,因此其刚度和稳定性需要靠膜曲面的曲率变化和其中预应力来提高,对膜结构而言,任何时候不存在无应力状态,因此膜曲面形状最终必须满足在一定边界条件、一定预应力条件下的力学平衡,并以此为基准进行荷载分析和裁剪分析。目前膜结构找形分析的方法主要有动力松驰法、力密度法以及有限单元法等。膜结构考虑的荷载一般是风载和雪载。在荷载作用下膜材料的变形较大,且随着形状的改变,荷载分布也在改变,因此要精确计算结构的变形和应力要用几何非线性的方法进行。荷载分析的另一个目的是一确定索、膜中初始预张力。在外荷载作用下膜中一个方向应力增加而另一个方向应力减少,这就要求施加初始张应力的程度要满足在最不利荷载作用下应力不致减少到零,即不出现皱褶。因为膜材料比较轻柔,自振频率很低,在风荷载作用下极易产生风振,导致膜材料破坏,如果初始预应力施加过高,膜材涂变加大,易老化且强度储备少,对受力构件强度要求也高,增加施工安装难度。因此初始预应力的确定要通过荷载计算来确定。经过找形分析而形成的摸结构通常为三维不可展空间曲面,如何通过二维材料的裁剪,张拉形成所需要的三维空间曲面,是整个膜结构工程中最关键的一个问题,这正是裁剪分析的主要内容。 
  膜结构在我国也不乏工程实例,其中规模最大、最具影响力的膜结构要数1997年竣工的上海八万人体育场看台罩棚张拉膜结构工程。但该膜结构为美国Weidlinger公司设计制作,由此也可以看出我国在该领域与国外先进国家的差距很大。目前影响我国膜结构广泛应用的主要因素有:国产膜材料性能差,而进口膜材料价格高;尚无商业性的膜结构计算南辅助设计系统;人们对膜结构缺乏足够的认识等。
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