膜結(jié)構(gòu)水立方的分析

1、尊沏力喊才子防建筑結(jié)構(gòu)選型結(jié)課論文對于膜結(jié)構(gòu)建筑一一“水立方”的分析姓 名：謝昆柱學(xué) 號：1401102-07所在院系：建筑與城市規(guī)劃學(xué)院學(xué)科專業(yè)：城鄉(xiāng)規(guī)劃指導(dǎo)教師：張弘日 期：二零一六年十二月二十五日對于膜結(jié)構(gòu)建筑一一“水立方”的分析膜結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的應(yīng)用晚于國外近 50年，但近十幾年來，膜結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展速度高于世界任何地區(qū)。目前，膜結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于大型體育館，展覽中心，航空和鐵路交通，文化娛樂等公共建筑中。膜結(jié)構(gòu)是一種古老的結(jié)構(gòu)型式，它具有輕盈，纖薄，柔軟的質(zhì)感， 與傳統(tǒng)的混凝土有明顯的區(qū)別，常常能給人以耳目一新的藝術(shù)感受。 膜結(jié)構(gòu)屬于柔性材料，膜材本身的受彎剛度幾乎為零，但通過不同的

2、支撐體系可以使薄膜結(jié)構(gòu)承受張力，從而形成具有一定剛度的穩(wěn)定曲 面。膜結(jié)構(gòu)能夠從根本上克服傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在大跨度建筑上實(shí)現(xiàn)所遇到的 困難，可建造出巨大，明亮，無遮擋的可視大空間。膜結(jié)構(gòu)突破了傳 統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)形式，可形成各種自由空間曲面，不重復(fù)，多變化。這 也是薄膜結(jié)構(gòu)更具有藝術(shù)性的一個(gè)原因。例如在上海世博會世博軸膜 屋面正是應(yīng)用了這種特性，才建出了輕質(zhì)大跨度的結(jié)構(gòu)。除了這些在 建筑結(jié)構(gòu)上的特性，還有以下在物理與在實(shí)際生活上的特點(diǎn)。具有優(yōu)良的力學(xué)特性。膜結(jié)構(gòu)的受力為單純受拉，膜材只承受沿 膜面的張力，因而可充分發(fā)揮材料的受拉性能。 它是跨度重量比最大 的一種結(jié)構(gòu)，且單位面積的結(jié)構(gòu)自重與造價(jià)不會隨跨度的增

3、加而明顯 地增加。膜結(jié)構(gòu)透光自潔，減少能源消耗，降低維護(hù)費(fèi)用。膜結(jié)構(gòu)是半透 明的織物，透光率一般可達(dá) 4%16%,能夠滿足大跨度建筑在平時(shí) 使用時(shí)利用自然光的采光要求，白天幾乎不需要人工照明。但是冬季 太陽光對于膜結(jié)構(gòu)屋蓋內(nèi)部的氣溫升高效應(yīng)不大， 而夏天卻相反，膜 結(jié)構(gòu)的室內(nèi)氣溫比室外高出510度，有時(shí)會使人感到明顯的不適。 因此，膜結(jié)構(gòu)多采用反射能力強(qiáng)的淡色材料。使用范圍廣，可拆卸，易運(yùn)輸。從氣候條件看，它適用于廣闊的 地域；從規(guī)模上看，可以小到花園小品，大到覆蓋幾萬，幾十萬平方 米的建筑。膜結(jié)構(gòu)可作巡回演出，展覽等臨時(shí)建筑，具拆卸和安裝所 需時(shí)間短。綜上所述，膜結(jié)構(gòu)建筑外觀雅致飄逸，空間開

4、闊靈秀，結(jié)構(gòu)輕盈， 透光阻燃，經(jīng)久自潔，安裝快捷，節(jié)能建耗，造價(jià)適中，維修簡便。 但是膜結(jié)構(gòu)也有缺點(diǎn)，主要就是耐久性較差，早期的織物薄膜不僅強(qiáng) 度低而且只有510年的壽命，因此膜結(jié)構(gòu)常常被認(rèn)為只能用于臨時(shí) 性建筑。雖然由于近年來高強(qiáng)，防火，透光，耐久性好，性能穩(wěn)定的 膜材的出現(xiàn)和應(yīng)用，膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命可達(dá) 20年以上。而膜結(jié)構(gòu)存 在的另一個(gè)問題是，由于薄膜張力的連續(xù)性，局部的破壞就會造成整 個(gè)膜結(jié)構(gòu)垮掉。止匕外，膜材隔聲和隔熱效果較差，也限制了膜結(jié)構(gòu)的 應(yīng)用范圍。在中國有一個(gè)膜結(jié)構(gòu)的完美體現(xiàn)一一水立方?！八⒎健笔鞘澜缟?最大的膜結(jié)構(gòu)工程，除了地面之外，外表都采用了月!結(jié)構(gòu) ETFE 材料，藍(lán)

5、色的表面出乎意料的柔軟但又很充實(shí)。 “水立方”不僅是一 幢優(yōu)美和復(fù)雜的建筑，她還能激發(fā)人們的靈感和熱情，豐富人們的生活，為人們提供記憶的載體。因此設(shè)計(jì)中不僅利用水的裝飾作用，同時(shí)還利用其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)。采用在整個(gè)建筑內(nèi)外層包裹的 ETFE膜（乙烯-四氟乙烯共聚物）是一種輕質(zhì)新型材料，具有有效的熱學(xué)性 能和透光性，可以調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，冬季保溫、夏季散熱，而且還會避 免建筑結(jié)構(gòu)受到游泳中心內(nèi)部環(huán)境的侵蝕。更神奇的是，如果 ETFE 膜有一個(gè)破洞，不必更換，只需打上一塊補(bǔ)丁，它便會自行愈合，過 一段時(shí)間就會恢復(fù)原貌！這種膜結(jié)構(gòu)的保溫隔熱構(gòu)造不同于普通的 保溫構(gòu)造方式。通常，建筑的保溫隔熱通過墻體附加保

6、溫隔熱層來實(shí) 現(xiàn)，ETFE膜結(jié)構(gòu)的保溫構(gòu)造原理類似于中空玻璃幕墻，熱量從室外 向室內(nèi)傳遞要經(jīng)過以下過程：室外空氣一外層玻璃外表面一外層玻璃 一外層玻璃內(nèi)表面一中間空氣層-內(nèi)層玻璃外表面-內(nèi)層玻璃-內(nèi) 層玻璃內(nèi)表面一室內(nèi)空氣。由于經(jīng)過多層阻隔，室外的熱空氣經(jīng)過消 耗，從而達(dá)到隔熱的效果。相同，當(dāng)室外空氣溫度低于室內(nèi)空氣時(shí)， 室內(nèi)溫度較高的空氣傳出室外也會經(jīng)歷相似的過程，從而有效的減少了室內(nèi)熱量想歪散失，從而達(dá)到保溫效果。這種材料的運(yùn)用，明顯可 以使建筑顯得輕盈和通透，這也是其他材料無法媲美的。而“水立方”結(jié)構(gòu)幾何體的基本模型是基于優(yōu)化改良的多面體 組合建立起來的。其幾何體是這樣形成的：首先生成一

7、個(gè)比水立方建 筑的的更大 的多面體陣列，再把這個(gè)陣列圍繞（0,0,0）（1,1,1）矢量軸旋轉(zhuǎn) 60 ,在多面體陣列中切出176.5389mx 176.5389mX29.3789m立方體的建筑外形。然后在立方體的內(nèi)部挖去內(nèi)部使用空 間，這樣便切出了屋蓋和墻體結(jié)構(gòu)。多面體單元在兩個(gè)切割平面上切 出的屋蓋結(jié)構(gòu)的上弦、下弦桿件和墻體結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面弦桿， 兩個(gè)切割 平面之間的多面體棱邊便為結(jié)構(gòu)的腹桿?！八⒎健币策\(yùn)用了新型的多面體空間鋼架結(jié)構(gòu)， 這種新結(jié)構(gòu)則由 復(fù)雜的類WP多面體單元填充的實(shí)體減去不需要的空間而得到， 基本 類WP多面體單元一個(gè)角點(diǎn)（即結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)）上只有四條邊（即結(jié)構(gòu) 中的桿件）與之相連，而傳統(tǒng)網(wǎng)架一個(gè)節(jié)點(diǎn)上至少有6根桿件與之相連, 角點(diǎn)形式只有三種，一共只有四種邊長，類 WP多面體陣列經(jīng)旋轉(zhuǎn)、切割形成結(jié)構(gòu)的屋面和墻面后，與表面上節(jié)點(diǎn)相連的桿件數(shù)最多為 6 根。這種幾何構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系當(dāng)桿件之間較接時(shí)幾何可變，不能承受外荷 載，因此多面體空間剛架結(jié)構(gòu)的桿件之間必須剛接 ，才能形成結(jié)構(gòu)承受 外力，其桿件內(nèi)力除了與普通網(wǎng)架一樣有軸力外 ，還有雙向彎矩、雙 向剪力和扭矩，與剛架桿件相似，因此稱之為剛架。以上是我對膜結(jié)構(gòu)的一些了解和案例分析，從這個(gè)過程中我體會到了膜結(jié)構(gòu)的魅力