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充气式膜结构(Pneumatic Membrane)

日期:2015-6-17 14:57:58 | 阅读:876

       充气式膜结构包括气承式膜结构(Air supported membrane)和气囊式膜结构(Air Inflated Membrane)[1][3][5]。
充气式膜结构是将膜面周围边缘固定于闭合刚性支承结构或基础,利用风机对膜建筑室内持续送风达到一定气压力,保持一定的内气压,逐渐鼓起膜面至设计空间曲面。内外压力差使膜面受拉,确保膜面具有足够的刚度和持续稳定的形态,抵抗外部荷载与作用。
       充气式膜结构利用气压差作为结构受力支承平衡体系,无需任何梁柱支承构件,从而获得更大的建筑空间,室内简洁美观,安装快捷,但持续运行及机器维护费用较高。膜外部造型必须为穹顶形式,相对单一。内外压差,以及外部作用(风压、雪)引起内力的变化对人的舒适感有一定的影响。
      早期的气承式膜结构矢高大,为球面形状。第一个现代冲气膜结构为1946年由W.Bird建造的多谱勒雷达穹顶(Doppler Radome),如图2.1a,在康耐尔大学研制而成,其直径15m,矢高18.3m,采用玻璃纤维基布氯丁二烯橡胶涂层膜(B类膜)。焊合缝75mm宽,与膜材等强,膜材安全系数3.0倍。随后在美国、德国建造了一批相似膜结构,跨度达到60mm。Radome膜安装迅速,直径50m左右穹顶仅用3~4小时即完成,可重复安装应用,但其矢高太大,不适宜一般建筑,特别是大跨膜结构,60m至100m跨以上。
        1970年日本大阪世博览会美国馆是充气式膜结构发展历史上的一个里程碑,平面呈椭圆形,139mX76m,首次在充气式膜结构采用斜向交叉(夹角600)的稳定钢丝绳,实现了低轮廓矢高小(6.1m)气承式膜穹顶,膜为EC3玻璃纤维基布涂层为聚氯乙烯树脂(B类膜)。
         Geiger-Berger公司在70年代发展了气承式膜结构,以及PTFE涂层玻璃纤维膜(A类膜)的应用,在美国、日本出现了许多特大气承式膜结构。1970年,首个特大型(220m×168m)低矢高膜穹顶(Silver Dome)在Pontiac城建成,为拥有八万坐席的多功能体育娱乐设施。八十年代,美国共建7个。1983年在Indianapolis建成Hoosier穹顶,如图2.1b所示。之后停止了新建的气承式膜穹顶。日本1988年建成Tokyo Dome,展示了现代膜结构的各种技术,如 膜材建筑防火、荷载分析、气压控制、安全度以及安装等,得到了广泛的认同。
       大型公共建筑气承式膜结构,膜材一般要求采用A、B类膜,稳定索间距10~15m,最小气压为1.5~2.0psf(0.07177~0.095697kN/m )。
 
(a)多谱勒雷达穹顶(Doppler Radome)(7)(b)Hoosier穹顶(8)
图2.1  气承式膜结构
        气囊式膜结构为自立式双层膜,在双层膜面之间充气加压形成具有一定刚度和稳定形态,依靠双层膜整体来承受外部荷载。气囊式膜与外部支承结构体系容易组合成为各种造型的综合建筑和单独景观。虽然,气囊式膜内气压比气承式膜结构略高,但一般仍为0.08~0.30kN/m 。双层膜气囊可作为复杂建筑体的基本单元或独自作为建筑主体。
       1992年塞维利亚世博会德国馆为双层膜气囊。现在ETFE非织物膜为双层、三层或多层气囊式膜。采用ETFE非织物膜,气囊式膜可作为飞船着陆缓冲气囊、高低空飞艇、宇航空间天线、宇宙生活舱、儿童玩具、广告载体等,但不同应用领域对材料特性、气压控制水平、设计思想有所差异。
        由气囊构成结构部件,借以减少充气维护,减小气囊对整体结构的影响,是气囊式膜结构发展的趋势,如ETFE 膜的建筑设计思想,以及瑞典为庆祝新千年在斯德哥尔摩老城Gamla Stan岛建设的千年拱,如图2.2,取神似于悉尼歌剧院,由7个自立拱组成,总长100m,主拱11.5m高,18.0m跨,分三段拱50.0m长(1.2t),端拱12.5m长(135kg),高低错落,现场组装充气。由英国Lindstrand公司制作完成,并获IAF2003杰出成就工程奖,该公司主业飞艇,但完成了一系列富有个性特征的自立充气膜结构工程。
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