大跨度空間結(jié)構(gòu)

目錄摘要……………（2）一．膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)…………………（3）二．膜結(jié)構(gòu)種類及發(fā)展歷史……（5）三．膜材的分類…………………（8）四．膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)………………（9）五．中國(guó)膜結(jié)構(gòu)發(fā)展前景和方向………………（10）六．參考文獻(xiàn)…………………（12）摘要大跨度空間結(jié)構(gòu)是指橫向跨越60米以上空間的各類結(jié)構(gòu)形式的建筑結(jié)構(gòu)，它往往是衡量一個(gè)國(guó)家或地區(qū)建筑技術(shù)水平的重要標(biāo)志其結(jié)構(gòu)形式主要包括網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)等五大空間結(jié)構(gòu)及各類組合空間結(jié)構(gòu)。形態(tài)各異的空間結(jié)構(gòu)在體育場(chǎng)館、會(huì)展中心、影劇院、大型劇場(chǎng)、工廠車間等建筑中得到了廣泛的應(yīng)用其中膜結(jié)構(gòu)膜結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)中期發(fā)展起來的一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式，是由多種高強(qiáng)薄膜材料(PVC或Teflon)及加強(qiáng)構(gòu)件(鋼架、鋼柱或鋼索)通過一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生一定的預(yù)張應(yīng)力以形成某種空間形狀，作為覆蓋結(jié)構(gòu)，并能承受一定的外荷載作用的一種空間結(jié)構(gòu)形式。在近幾年來，由于膜結(jié)構(gòu)造型非常優(yōu)美靈活、適合覆蓋大跨度空間、良好的耐火性和抗震性，使其在大型現(xiàn)代化建筑中受到了越來越多人的親睞。一、膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（優(yōu)、缺點(diǎn)）1．輕質(zhì)張力結(jié)構(gòu)自重小的原因在于它依靠預(yù)應(yīng)力形態(tài)而非材料來保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。從而使其自重比傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)的小得多，但卻具有良好的穩(wěn)定性。2．較高的透光性（降低能源消耗）透光性是現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)最被廣泛認(rèn)可的特性之一。膜材的透光性可以為建筑提供所需的照度，這對(duì)于建筑節(jié)能十分重要。對(duì)于一些要求光照多且亮度高的商業(yè)建筑等尤為重要。通過自然采光與人工采光的綜合利用，膜材透光性可為建筑設(shè)計(jì)提供更大的美學(xué)創(chuàng)作空間。夜晚，透光性將膜結(jié)構(gòu)變成了光的雕塑,透光性的缺點(diǎn)如果室內(nèi)陽光照射時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)使得室內(nèi)溫度驟然升高，影響人在建筑物內(nèi)的正?；顒?dòng)。3．良好的柔性張拉膜結(jié)構(gòu)不是剛性的，其在風(fēng)荷載或雪荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生變形。膜結(jié)構(gòu)通過變形來適應(yīng)外荷載，在此過程中荷載作用方向上的膜面曲率半徑會(huì)減小，直至能更有效抵抗該荷載4．造型優(yōu)美且適用于大型無柱空間由于膜為織物材料自重較輕，且擁有較好的韌性，所以可塑性很大，多變的支撐結(jié)構(gòu)和柔性膜材使建筑物造型更加多樣化，新穎美觀，同時(shí)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)之美，且色彩豐富，可創(chuàng)造更自由的建筑形體和更豐富的建筑語言。同時(shí)，它也可以實(shí)現(xiàn)大跨度無柱空間。5．安全性由于輕型結(jié)構(gòu)自重較輕，即使發(fā)生意外坍塌，其危險(xiǎn)性也較傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)小。膜結(jié)構(gòu)發(fā)生撕裂時(shí)，若結(jié)構(gòu)布置能保證桅桿、梁等剛性支承構(gòu)件不發(fā)生坍塌，其危險(xiǎn)性會(huì)更小。良好的自潔性及對(duì)積水、積雪自動(dòng)下滑對(duì)策由于膜結(jié)構(gòu)多為突出弧形或半球形結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)上面有積水或者積雪時(shí)，這樣的結(jié)構(gòu)形式有利于雪、水可自動(dòng)下滑，在下滑過程中自動(dòng)的進(jìn)行了對(duì)膜結(jié)構(gòu)表面的清潔。施工周期短膜工程中所有加工和制作依設(shè)計(jì)均可在工廠內(nèi)完成，在現(xiàn)場(chǎng)只進(jìn)行安裝作業(yè)。相比傳統(tǒng)建筑的施工周期，它幾乎要快一倍耐久性差。膜材在持續(xù)的張力狀態(tài)下容易發(fā)生蠕變，預(yù)應(yīng)力損失，膜面發(fā)生褶皺，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的承載力下降，無法保持原有的形狀，另外，長(zhǎng)期風(fēng)、雪等動(dòng)荷載作用下，輕質(zhì)膜材容易發(fā)生振動(dòng)，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性將受到影響。在溫差較大的區(qū)域，受天氣影響較大。而且現(xiàn)在的膜結(jié)構(gòu)的使用年限非常短，一般只可使用10到25年左右。

高度的紫外線照射會(huì)引起膜材的褪色。在紫外線照射較強(qiáng)的區(qū)域膜材不應(yīng)采用鮮艷的色彩。充氣式膜結(jié)構(gòu)充氣式膜結(jié)構(gòu)是將膜材固定于屋頂結(jié)構(gòu)周邊，利用送風(fēng)系統(tǒng)讓室內(nèi)氣壓上升到一定壓力后，使屋頂內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，以抵抗外力，因利用氣壓來支撐，及鋼索作為輔助材，無需任何梁，柱支撐，可得更大的空間，施工快捷，經(jīng)濟(jì)效益高，但需維持進(jìn)行24小時(shí)送風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在持續(xù)運(yùn)行及機(jī)器維護(hù)費(fèi)用的成本上較高。世界上第一座充氣膜結(jié)構(gòu)建成于1946年，設(shè)計(jì)者為美國(guó)的沃爾特?勃德。1967年在德國(guó)斯圖加特召開的第一屆國(guó)際充氣結(jié)構(gòu)會(huì)議，無疑給充氣膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展注入了興奮劑。隨后各式各樣的充氣膜結(jié)構(gòu)建筑出現(xiàn)在1970年大阪世界博覽會(huì)上。其代表建筑有1988年在日本建成的‘東京巨蛋'，又稱東京棒球館（圖1），我國(guó)在08年奧運(yùn)會(huì)建成的‘國(guó)家游泳中心'又稱水立方（圖2）等圖1東京巨蛋（東京棒球館）圖圖1東京巨蛋（東京棒球館）圖2國(guó)家游泳館（2008）張拉式膜結(jié)構(gòu)以膜材、鋼索及支柱構(gòu)成，利用鋼索與支柱在膜材中導(dǎo)入張力以達(dá)安定的形式。除了可實(shí)踐具創(chuàng)意，創(chuàng)新且美觀的造型外，也是最能展現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)精神的構(gòu)造形式.近年來，大型跨距空間也多采用以鋼索與壓縮材構(gòu)成鋼索網(wǎng)來支撐上部膜材的形式。因施工精度要求高，結(jié)構(gòu)性能強(qiáng)，且具豐富的表現(xiàn)力，所以造價(jià)略高于骨架式膜結(jié)構(gòu)。張拉形式膜結(jié)構(gòu)的先行者是德國(guó)的奧托，他在1955年設(shè)計(jì)的張拉膜結(jié)構(gòu)跨度在25m左右，用于聯(lián)合公園多功能展廳。由于張拉膜結(jié)構(gòu)是通過邊界條件給膜材施加一定的預(yù)張應(yīng)力，以抵抗外部荷載的作用，因此在一定初始條件（邊界條件和應(yīng)力條件）下，其初始形狀的確定、在外荷載作用下膜中應(yīng)力分布與變形以及怎樣用二維的摸材料來模擬三維的空間曲面等一系列復(fù)雜的問題，都需要有計(jì)算來確定，所以張拉膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展離不開計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和新算法的提出,因此計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展為張拉膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用開辟了廣闊的前景，而特氟隆摸材料的研制成功也極大地推動(dòng)了張拉膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。其代表建筑有日本的‘白龍穹頂'、美國(guó)新丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)（圖3）以及我國(guó)在1997年建成的上海的‘八萬人體育場(chǎng)'（圖4）等。

圖3圖3丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)圖4上海八萬人體育場(chǎng)1997)骨架式膜結(jié)構(gòu)骨架式膜結(jié)構(gòu)是指鋼構(gòu)或是集成材構(gòu)成的屋頂骨架，在其上方張拉膜材的構(gòu)造形式,下部支撐結(jié)構(gòu)安定性高，因屋頂造型比較單純,開口部不易受限制，且經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)，廣泛適用于任何大,小規(guī)模的空間。具有代表性的骨架式膜結(jié)構(gòu)的建筑有日本秋天的‘天穹'（圖5a5b）等。圖5a‘天穹'結(jié)構(gòu)示意圖圖5a‘天穹'結(jié)構(gòu)示意圖圖5b天穹'外觀圖索穹頂（組合膜結(jié)構(gòu)）索穹頂是由預(yù)應(yīng)力鋼索、鋼桿件以及薄膜組合而成的組合膜結(jié)索穹頂是由預(yù)應(yīng)力鋼索、鋼桿件以及薄膜組合而成的組合膜結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)大量采用預(yù)應(yīng)力鋼索，壓桿少而短，所以能充分發(fā)揮鋼材的抗拉強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)效率極高。自從20世紀(jì)末問世以來，便以其新穎的造型、合理的受力、經(jīng)濟(jì)的造價(jià)、快速的施工，贏得了工程師

們的親睞，并被成功地應(yīng)用在一些大跨度、超大跨度建筑的屋蓋設(shè)計(jì)中，是近年來國(guó)內(nèi)外空間結(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn)之一。早期的索穹頂結(jié)構(gòu)是在1988年由美國(guó)工程師Geiger在韓國(guó)所設(shè)計(jì)的韓國(guó)漢城奧運(yùn)會(huì)體操館，之后美國(guó)工程師Levy對(duì)Geiger設(shè)計(jì)的索穹頂中索網(wǎng)平面外剛度不足、容易失穩(wěn)等缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn),將輻射狀脊索變?yōu)槿腔?lián)方型布置脊索,成功設(shè)計(jì)了1996年亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)的主體育館‘喬治亞穹頂'，此后由于技術(shù)方面日漸成熟與完善，索穹頂如雨后春筍一般在世界各地出現(xiàn)，當(dāng)中具有代表性的索穹頂建筑應(yīng)屬1999年英國(guó)倫敦的‘千年穹頂'（圖6a、6b）,千年穹頂以其獨(dú)特的膜結(jié)構(gòu)，顯示了當(dāng)今建筑技術(shù)與材料科學(xué)的發(fā)展水平。圖6a千年穹頂（1999圖6a千年穹頂（1999） 圖6b千年穹頂結(jié)構(gòu)示意圖膜材的分類目前建筑膜材廣泛認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)是日本JISA-93所規(guī)定的A（PTFE）、B、C三類，是根據(jù)其防火性能的優(yōu)劣來劃分的。A類最好，以玻璃纖維織物為基材涂PTFE（永久膜材）與我國(guó)的國(guó)家游泳中心（水立方）外墻所采用的膜材ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）為主。PTFE膜材：在超細(xì)玻璃纖維織物上涂以聚四氟乙烯樹脂而成的材料。這種膜材有較好的焊接性能，有優(yōu)良的抗紫外線、抗老化性能和阻燃性能。另外，其防污自潔性是所有建筑膜材中最好的，但柔韌性差，施工較困難，成本也十分驚人ETFE膜材：由人工高強(qiáng)度氟聚合物（ETFE）制成，具有以下優(yōu)點(diǎn)。其特有抗粘著表面使其具有高抗污，易清洗的特點(diǎn)；使用壽命至少為25-35年，是用于永久性多層可移動(dòng)屋頂結(jié)構(gòu)的理想材料；ETFE膜達(dá)到B1、DIN4102防火等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，燃燒時(shí)也不會(huì)滴落；膜質(zhì)量很輕，每平方米只有0.15-0.35公斤；ETFE膜完全為可再循環(huán)利用材料等。B類次之，以玻璃纖維織物為基材涂PVC而成；C類是三類中最次的，以聚酯（滌綸）織物為基材涂PVC而成。按涂層材料分，有聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、橡膠等，它的壽命因不同的表面涂層而異，一般可達(dá)12—50年。四、膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括體形設(shè)計(jì)、初始平衡形狀分析、荷載分析、裁剪分析等四大問題。通過體形設(shè)計(jì)確定建筑平面形狀尺寸、三維造型、凈空體量，確定各控制點(diǎn)的坐標(biāo)、結(jié)構(gòu)形式，選用膜材和施工方案。初始平衡形狀分析就是所謂的找形分析。由于膜材料本身沒有抗壓和抗彎剛度，抗剪強(qiáng)主芤很差，因此其剛度和穩(wěn)定性需要靠膜曲面的曲率變化和其中預(yù)應(yīng)力來提高，對(duì)膜結(jié)構(gòu)而言，任何時(shí)候不存在無應(yīng)力狀態(tài)，因此膜曲面形狀最終必須滿足在一定邊界條件、一定預(yù)應(yīng)力條件下的力學(xué)平衡，并以此為基準(zhǔn)進(jìn)行荷載分析和裁剪分析。目前膜結(jié)構(gòu)找形分析的方法主要有動(dòng)力松弛法、力密度法以及有限單元法等。膜結(jié)構(gòu)考慮的荷載一般是風(fēng)載和雪載。在荷載作用下膜材料的變形較大，且隨著形狀的改變，荷載分布也在改變，因此要精確計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力要用幾何非線性的方法進(jìn)行。荷載分析的另一個(gè)目的是一確定索、膜中初始預(yù)張力。在外荷載作用下膜中一個(gè)方向應(yīng)力增加而另一個(gè)方向應(yīng)力減少，這就要求施加初始張應(yīng)力的程度要滿足在最不利荷載作用下應(yīng)力不致減少到零，即不出現(xiàn)皺褶。因?yàn)槟げ牧媳容^輕柔，自振頻率很低，在風(fēng)荷載作用下極易產(chǎn)生風(fēng)振，導(dǎo)致膜材料破壞，如果初始預(yù)應(yīng)力施加過高，膜材涂變加大，易老化且強(qiáng)度儲(chǔ)備少，對(duì)受力構(gòu)件強(qiáng)度要求也高，增加施工安裝難度。因此初始預(yù)應(yīng)力的確定要通過荷載計(jì)算來確定。經(jīng)過找形分析而形成的摸結(jié)構(gòu)通常為三維不可展空間曲面，如何通過二維材料的裁剪，張拉形成所需要的三維空間曲面，是整個(gè)膜結(jié)構(gòu)工程中最關(guān)鍵的一個(gè)問題，這正是裁剪分析的主要內(nèi)容。五、中國(guó)膜結(jié)構(gòu)發(fā)展前景和方向一個(gè)國(guó)家膜結(jié)構(gòu)建筑的規(guī)模大小從側(cè)面反映出了一個(gè)國(guó)家的科技文化水平。近年來，中國(guó)膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展規(guī)模是十分鼓舞人心的，從1995年開始，當(dāng)年只造了一個(gè)面積為3300m2的膜結(jié)構(gòu)。從1996至2001年，六年內(nèi)建造的膜結(jié)構(gòu)估計(jì)達(dá)370,000m2。由于一些大型體育場(chǎng)的建成，膜結(jié)構(gòu)的建設(shè)以平均每年20％的速度增長(zhǎng)。2003年建造的膜結(jié)構(gòu)約為180,000m2。當(dāng)膜結(jié)構(gòu)第一次用于上海體育場(chǎng)時(shí)，恐怕有很少人會(huì)看到這在推動(dòng)膜結(jié)構(gòu)發(fā)展的潛力。此后，膜材被用在大小不等的體育場(chǎng)篷蓋上，浙江車棚并占據(jù)了膜結(jié)構(gòu)相當(dāng)大的份額。當(dāng)中最具代表性的應(yīng)當(dāng)屬我們?cè)?008年奧運(yùn)會(huì)期間建成的國(guó)家游泳中心（俗稱‘水立方'）它的建筑面積為79,532m2，整體建筑由3000多個(gè)氣枕組成，氣枕大小不一、形狀各異，覆蓋面積達(dá)到10萬平方米，堪稱世界之最。因此有理由預(yù)測(cè)中國(guó)的膜結(jié)構(gòu)將繼續(xù)以每年15-20％速度增長(zhǎng)。展望將來，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和文化生活的不斷豐富，將建造更多的具有新穎功能、形式多樣的建筑。例如，江蘇車棚按照規(guī)劃需要32體育場(chǎng)館，其中19個(gè)是新建的。08年奧運(yùn)會(huì)已經(jīng)建成的奧林匹克公園將包括國(guó)家體育場(chǎng)、國(guó)家體育館、國(guó)家游泳中心、國(guó)際展覽中心等項(xiàng)目。此外，2010