建筑膜結構(土木工程)

建筑膜結構制作：Susanye硬件支持：目前一頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點1.膜結構的定義

膜結構也稱為織物結構，是世紀中葉發(fā)展起來的一種新型空間結構形式，它以性能優(yōu)良柔軟織物為材料，由膜內空氣壓力支撐膜面，或利用柔性鋼索或剛性支撐結構使膜面產生一定的預張力，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大空間的結構體系。

膜結構的起源可追溯至遠古時代人們利用牛皮或布等制作的帳篷結構。但是長期以來由于技術原因，這種結構發(fā)展并不快。1970年日本大阪世界博覽會，由美國工程師蓋格爾(DavidGeiger)

設計的美國館，其屋頂采用空氣支撐膜結構，平面尺寸達到83.5m×142m，采用以聚氯乙烯(PVC)涂層的玻璃纖維織物建造。通常被認為是第一個現(xiàn)代意義上的大跨度膜結構。

雖然現(xiàn)代膜結構出現(xiàn)僅有幾十年時間，但發(fā)展迅速。既可應用于大型大跨度的公共建筑，如體育場館、機場大廳、展覽中心、購物中心，也適用于規(guī)模較小而造型各異的休閑景觀設施、建筑小品等。目前二頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點2.膜結構的特點與傳統(tǒng)結構相比，膜結構有以下幾個特點：1）自重輕、跨度大、抗震性能好。薄膜結構與傳統(tǒng)結構相比自重有數(shù)量級的差別約為后者的?？梢暂p易地跨越較大的跨度，且單位面積的自重與造價未明顯增加。由于自重輕，膜結構建筑具有良好的抗震性能。2）建筑造型自由豐富。膜結構建筑造型豐富多彩、新穎獨特，富有時代氣息，可為建筑師提供較大的想象和創(chuàng)作空間。3）施工方便。膜材料的裁剪、熔接等工作主要在工廠完成，現(xiàn)場主要是將膜成品張拉就位安裝。與傳統(tǒng)建筑相比，施工程序簡單，施工周期大為縮短。4）透光性。膜材具有良好的透光性，透光率約47%~16%。白天陽光形成自然漫射，幾乎無需人工采光，節(jié)約能耗，而晚上室內燈光透過膜面而給夜空增添夢幻般的夜景。5）自潔性。膜材的表面涂層、特別是聚四氟乙烯涂層，具有良好的非粘著性，大氣中的灰塵及臟物不易附著，表面灰塵也會被雨水沖刷干凈，常年使用后仍能保持外觀潔凈與室內美觀。

除了以上優(yōu)點，膜結構也有一定的不足。如耐久性、保溫隔熱性能以及隔音效果都不及傳統(tǒng)的磚石、鋼筋混凝土等材料，仍有待研究。目前三頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點3.膜結構的分類

根據不同的支撐方式，通常將膜結構分為空氣支撐式、張拉式及骨架支撐膜結構大類。目前四頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點

空氣支撐式膜結構

空氣支撐膜結構是利用薄膜內外的空氣壓差來穩(wěn)定膜面以承受外荷載。又可分為氣承式和氣囊式兩類。氣承式是通過壓力控制系統(tǒng)向建筑物室內充氣，使室內外保持一定的壓力差，膜體產生一定的預張力從而保證體系的剛度。氣囊式是向單個膜構件通常為管狀構件內充氣，使其保持足夠的內壓。由多個膜結構進行組合形成一定形狀的整體結構。目前五頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點張拉式膜結構

張拉式膜結構是由索網結構發(fā)展而來的，依靠薄膜自身的預張應力與拉索、支柱共同作用構成的結構體系。張拉式膜結構中，薄膜材料既承載結構，又起到圍護功能，充分發(fā)揮了膜材的結構功能。結構造型也較為豐富，可以說是最具創(chuàng)意的膜結構形式。但對施工精度要求較高，工程造價相對較高。目前六頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點骨架支撐膜結構

骨架支撐膜結構是指以剛性結構通常為鋼結構為承重骨架、并在骨架上敷設張緊的膜材的結構形式。剛性骨架是主要受力體系，膜材僅作為圍護結構，故設計、制作比較簡單，工程造價相對較低。但未發(fā)揮出膜材料本身的結構承載力，跨度也受支撐骨架的限制。目前七頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點4.膜材料的物理性能

膜材屬于柔性極大的高分子化學建材，其物理性能也與一般傳統(tǒng)建材有很大差別。1）力學性能。中等強度的PVC膜，厚度僅0.61mm，但它的拉伸強度相當于鋼材的一半。中等強度的PTFE膜，厚度僅0.8mm，但它的拉伸強度已達到鋼材的水平。膜材的彈性模量較低，這有利于膜材形成復雜的曲面造型。2）光學性能。膜材料可濾除掉大部分紫外線，防止內部物品褪色。其對自然光的透射率可達225%，透射光在結構內部產生均勻的漫射光，無陰影，無眩光，具有良好的顯色性，夜晚在周圍環(huán)境光和內部照明的共同作用下，膜結構表面發(fā)出自然柔和的光輝，令人陶醉。3）聲學性能。一般膜結構對于的低頻幾乎是通透的，對于有特殊吸音要求的膜結構可以采用360Hz具有吸聲裝置的膜材料。4）防火性能。如今廣泛使用的膜材料能很好地滿足對于防火的需求，具有卓越的阻燃和耐高溫性能，達到法國、德國、美國、日本等多國標準。5）保溫性能。單層膜材料的保溫性能與磚墻相同，優(yōu)于玻璃。同其他材料的建筑一樣，膜建筑內部也可以采用其他方式調節(jié)其內部溫度。例如：內部加掛保溫層，運用空調采暖設備等。6）自潔性能。膜材經過特殊表面處理如加

TiO2涂層(TiO2涂層的膜材具有很好的自潔性能），雨水會在其表面聚成水珠流下，使膜材表面得到自然清洗。目前八頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點5.膜材料

以高強纖維織物為骨架材料、表面涂覆高性能涂層材料，并具有良好的阻燃．耐老化．抗風雪載及自潔性能，可廣泛用作展覽，體育，交通、休閑等建筑物的屋頂材料并承載應力的新一代復合材料，人們稱之為現(xiàn)代建筑膜結構材料。

當前常用的膜材料一般由兩部分組成：基材編織物和涂層。涂層

其材料的強度和彈性性能主要取決于基材，而進一步的性能，如防火、防水、抗紫外線侵蝕以及對機械、化學等因素的不敏感性，都必須依靠涂層來加強。

目前九頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點基材

基材基本上為一種織布，織布是由纖維構成?；牡倪x擇是保證膜結構品質的關鍵。

常用的建筑膜材按基材可分為兩類。一類是以聚酯織物為基材，表面進PVC涂層的產品，另一類是以玻璃纖維織物為基材、表面進行聚四氟乙烯涂層的產品．

前者一般用于使用年限在15年以下的幅時性或半永久性建筑，后者常用于永久性建筑。1）尼龍(Nylon)。其耐磨性和強度較高，抗拉力較聚酯類好，但其剛度較低，使得在載重情況下可能造成皺褶的概率大為升高，易受濕度變化的影響，使得在裁剪前后產生誤差。另外，易受紫外線影響而逐漸失去抗拉力。若溫度較高，可能發(fā)生氧化而變黃、變脆。2）聚酯類（Polyester）。又稱為滌綸，抗拉力較尼龍稍差，但其具有良好的耐久性、抗紫外線性能。目前十頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點6.膜結構建筑案例國家游泳中心（俗稱“水立方”）位于北京奧林匹克公園內，2008年北京奧運會標志性建筑物之一。“水立方”是世界上最大的膜結構工程，建筑外圍采用世界上最先進的環(huán)保節(jié)能ETFE(四氟乙烯)膜材料。“水立方”整體建筑由3000多個氣枕組成，氣枕大小不一、形狀各異，覆蓋面積達到10萬平方米，堪稱世界之最。目前十一頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點大連金石灘影視藝術中心為骨架式雙層膜結構，主體膜結構為半個橢球鋼網殼上面直接覆蓋膜材料，橢球網殼平面長軸60米、短軸45米、高16米；為提高其保溫隔熱性能，本工程采用了雙層膜，膜層間距475米。該項目榮獲中國空間結構優(yōu)秀工程三等獎。目前十二頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點天津保稅區(qū)區(qū)標時至今日，完成于1998年5月14日的天津保稅區(qū)區(qū)標膜結構工程，已經成為中國膜結構業(yè)界的里程碑，它標志著中國膜結構劃時代的開始，其中索膜結構是此工程的重點內容，44個獨立的膜結構單元體和鋼結構采用牽拉方式連接，面材為法國法拉利公司生產的型號為1002T。目前十三頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點北京雕塑展覽中心目前十四頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點大連五彩城風箏放飛場目前十五頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點帆船酒店目前十六頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點表1我國2000左右完成的大型膜結構體育館

體育館名稱膜材投影面積(萬/m2)膜材類型施工單位建成時間上海八萬人體育館3．6PVC膜材Bjrdaj公司1999

上海虹日俸育館2．6PVC膜材Bima公司1999

廣州黃埔體育館1．0PVC膜材光翌空間膜結構技術工程公司2000

浙江義鳥體育館1．6PVC膜材紐曼帝膜建筑技術公司2001

青島最中體育館3．0PVC膜材紐曼帝膜建筑技術公司2001

武秘體育中心3．0PVC膜材琢翻矗公司2001

威海體育中心2．5PVC膜材光翌空間膜結構技術工程公司2001

煙臺體育館1．6PVC膜材紐曼帝膜建筑技術公司2001鄭州航海體育館2．0PVC膜材紐曼帝膜建筑技術公司2001目前十七頁\總數(shù)十九頁\編于二十三點5.問題與展望

我國在建筑膜材開發(fā)中需解決的核心問題有：

(1)建筑膜材基布的織造。國內生產的基布都是平紋組織結構。還沒有廠家開發(fā)出可用于建筑膜材的結構的基布。(2)涂層工藝。采用的都是常規(guī)的單向張拉工藝，雙向拉伸工藝未能開發(fā)。(3)