高層屋頂應(yīng)用張拉式膜結(jié)構(gòu)的研究

高層屋頂應(yīng)用張拉式膜結(jié)構(gòu)的研究

近年來(lái)，世界上開展了三項(xiàng)重大活動(dòng)：2012年5月韓國(guó)水生世界博覽會(huì)、2012年7月英國(guó)倫敦奧運(yùn)會(huì)和2014年巴西踢越世界。圍繞這些活動(dòng)興建了許多建筑,其中不乏優(yōu)秀的膜結(jié)構(gòu)建筑。同時(shí),國(guó)際殼體與空間結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)(IASS)在不到一年的時(shí)間召開了兩次大會(huì):2011年9月IABSE-IASS倫敦大會(huì)上,交流了約800篇論文,2012年5月IASS-APCS首爾大會(huì)上交流了約300篇論文。2012年年初,國(guó)際工業(yè)織物協(xié)會(huì)(IFAI)2011年度33個(gè)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目頒布。本文介紹其中有特點(diǎn)的工程、項(xiàng)目以及關(guān)于膜結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展,從中可以看出膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。1大型工程的應(yīng)用是一樣1.1改擴(kuò)建座席情況美國(guó)休斯頓米切爾表演藝術(shù)中心(圖1)是HorstBerger的收官之作,是典型的張拉式膜結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目1990年建成時(shí)僅3000座席,2009年5月經(jīng)改擴(kuò)建后,達(dá)到6000個(gè)座席。沙特阿拉伯麥加DoKEEP大廈(圖2)7棟大樓頂?shù)倪B體帳篷結(jié)構(gòu)總面積15000m2,帳篷里包含私人房間、酒店設(shè)施及食肆等,是典型的張拉式膜結(jié)構(gòu)。這樣成片的高層樓頂應(yīng)用張拉式膜結(jié)構(gòu)還很少見,工程難度主要是在300m高空的安裝。1.2巴西的河濱高爾夫球場(chǎng)巴西薩爾瓦多的新水源球場(chǎng)(FonteNova),建于1951年,為迎接巴西世界杯進(jìn)行改建,56000個(gè)座位,屋面采用28000m2PTFE膜材(圖3)。巴西東南部貝洛奧里藏特的米內(nèi)羅球場(chǎng)(Mineirao),建于1965年。此次翻新改建為66805座,屋面采用13000m2TiO2/PTFE膜材(圖4)。巴西2014年世界杯在建足球場(chǎng)的資料不多,從方案圖看,翻新改建的里約熱內(nèi)盧87101座的馬拉卡納球場(chǎng)(Maracana)(圖5)和巴西南方阿雷格里港50287座的何塞·皮涅羅(JosePinheiroBorda)河濱競(jìng)技場(chǎng)(圖6)也采用了膜結(jié)構(gòu)。韓國(guó)晉州體育場(chǎng)(圖7)采用懸挑桁架加拱形檁條支承膜覆蓋。該體育場(chǎng)在2010年6月舉行韓國(guó)全國(guó)運(yùn)動(dòng)會(huì)時(shí)建成,可容納20000人。該工程的特點(diǎn)是采用了3種膜材:膜屋面包括72個(gè)單元,內(nèi)部屋頂(田徑場(chǎng)側(cè))采用半透明TS-PTFE膜;主屋面(看臺(tái))采用PTFE膜;墻面采用PTFE網(wǎng)格膜以便通風(fēng)和吸收聲音。1.3加拉塔式膜acp倫敦奧林匹克體育場(chǎng)(圖8)在奧運(yùn)會(huì)和殘奧會(huì)期間是80000座席的體育場(chǎng),賽后轉(zhuǎn)換成一個(gè)25000座席的體育場(chǎng)。人字形柱支承外壓縮環(huán)桁架,內(nèi)張力環(huán)采用索,其間輻射布置雙層徑向索形成索網(wǎng),上覆112片PVC膜材張緊形成罩篷,是典型的索系支承式膜結(jié)構(gòu)。燈塔A形柱立在內(nèi)張力環(huán)主索上,設(shè)后穩(wěn)定索和環(huán)向穩(wěn)定索。阿根廷拉普拉塔足球場(chǎng)(圖9)2003年開放使用,當(dāng)時(shí)已完成屋面環(huán)梁。平面為85m半徑相交的兩個(gè)圓圈,中心距48m,提供給兩個(gè)足球俱樂(lè)部分享,故稱“雙星穹頂”,設(shè)有53000座席。2009年啟動(dòng)穹頂?shù)慕ㄔO(shè),周邊壓縮環(huán)采用三角形鋼桁架(寬9m、高13m),每側(cè)通過(guò)泰氟龍滑動(dòng)軸承釋放支承的徑向位移,以減小溫度應(yīng)力。索穹頂上弦徑向索聯(lián)方形布置,第一環(huán)增加了徑向索,下弦3道環(huán)向索。索定長(zhǎng),用兩個(gè)臨時(shí)塔架,逐環(huán)安裝,屋面覆蓋PTFE。由于常用的PTFE只有16%的透明度,不足以確保天然草生長(zhǎng),首次采用新膜材UltraLUX,透明度為24%,但拉伸強(qiáng)度1710kN/cm,略低5%。已完成兩個(gè)外圈屋面的覆蓋,2011年2月在此舉行了2011年美洲杯的揭幕戰(zhàn)。1.4采用交叉索網(wǎng),但同時(shí)受雪荷載,確保了測(cè)索過(guò)程中不斷加勁韓國(guó)忠州世界武術(shù)節(jié)劇場(chǎng)(2011年9月)由14個(gè)桁架柱支承屋頂,三角形管桁架組成橢圓狀壓縮環(huán)(圖10)。屋面采用透鏡型PTFE氣囊,平面尺寸為30m×53m。氣囊內(nèi)部高5m,體積5630m3,內(nèi)壓350Pa。用索在氣囊上、下部作加勁,短向7根ue78824索,長(zhǎng)向4根ue78824索,考慮雪荷載,長(zhǎng)向不設(shè)上弦。上、下索之間考慮ue78812聯(lián)系索,可減小壓縮環(huán)受力。這個(gè)結(jié)構(gòu)跨度不大,但可取地是嘗試了直接用氣囊做屋蓋結(jié)構(gòu)的一種新形式。美國(guó)新澤西某校園充氣館(圖11)寬58m,長(zhǎng)117m,高24m。全天候用于足球和曲棍球項(xiàng)目,包括4條跑道。采用交叉索網(wǎng)系統(tǒng),以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。據(jù)報(bào)道可承受強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和8kN/m2的雪荷載,值得關(guān)注。用自動(dòng)控制系統(tǒng)保持室內(nèi)溫度。充氣膜夏天可輕松撤下,冬天重新安裝。1.5伸縮式愈合裝置格魯吉亞Batumi夏季音樂(lè)廳(圖12)位于首都第比利斯,平面為橢圓狀,尺寸為147m(長(zhǎng)軸)×105m(短軸),設(shè)9000座席。固定的舞臺(tái)屋蓋為鋼桁架系統(tǒng),有3°傾斜,覆蓋5500m2,8°外傾的周邊柱支承壓縮環(huán)。7900m2伸縮式膜屋頂跨度83m,29根徑向索跨越壓縮環(huán)和舞臺(tái)口的弧形鋼桁架,增加了柔軟劑的單層PVC膜位于徑向索下,膜收起過(guò)程沿徑向索滑動(dòng)進(jìn)入膜庫(kù),冬季膜需要存儲(chǔ)和密封在膜庫(kù)里。膜庫(kù)端15根索降低1.60m,形成折疊式的山脊和山谷線,用于排水并提高屋面剛度。加拿大溫哥華BCPlace體育館(圖13)1986年建成,平面呈橢圓狀,尺寸227m×186m,可容納6萬(wàn)人,曾是世界上最大的氣承式充氣圓頂體育館。因膜材老化2007年曾被大風(fēng)吹壞。2010年奧林匹克冬季運(yùn)動(dòng)會(huì)后,已更換為新的開合屋蓋結(jié)構(gòu)。混凝土結(jié)構(gòu)上高達(dá)47.5m的36根桅桿支承36榀徑向索桁架形成屋蓋主結(jié)構(gòu)。采用性能更好的PTFE纖維膜做成36個(gè)充氣墊,沿下弦徑向索滑動(dòng)構(gòu)成伸縮式屋頂,跨度70m,覆蓋8500m2。永久荷載作用下的氣墊內(nèi)壓是500Pa,如果屋頂受到雪壓將增加到2000Pa。收縮過(guò)程是氣墊首先放氣,然后折疊縮回。最大的問(wèn)題是收縮之前空氣不能完全放掉,為此上層膜設(shè)置直徑70mm的管,以便排風(fēng)機(jī)抽氣,保證折疊到最小的尺寸。固定內(nèi)環(huán)和伸縮式屋頂?shù)倪^(guò)渡區(qū)是鋼環(huán)桁架支承的玻璃頂,邊緣有充氣密封系統(tǒng)。波蘭國(guó)家體育場(chǎng)(圖14)位于首都華沙,平面尺寸280m×245m,覆蓋面積近70000m2,55000座席,為主辦2012年歐洲杯足球賽而建。碗結(jié)構(gòu)周圍72根柱支承下壓縮環(huán),替代上壓縮環(huán)的是斜桿。輻射布置索桁架的徑向索互相交叉,增加傾斜,提高剛度。固定屋蓋54000m2,采用PTFE膜覆蓋看臺(tái),內(nèi)邊緣10m寬為4000m2的熱增強(qiáng)玻璃屋頂。外部上徑向索連接到張力環(huán),支承10m寬懸挑玻璃頂和懸掛伸縮式膜;內(nèi)部下徑向索只用4組索(每組3根),在草地上空對(duì)角線布置,使遮擋場(chǎng)地上空的結(jié)構(gòu)數(shù)目最少。開合屋蓋11000m2,用PVC膜沿著60根內(nèi)部上徑向索跨越中央的樞紐和張力環(huán),覆蓋草坪。自從加拿大蒙特利爾“斜塔”體育館伸縮式開合不成功后,這種形式已經(jīng)很少采用。上面這3個(gè)伸縮式開合膜結(jié)構(gòu)都是Schlaich事務(wù)所的作品,他們?cè)敿?xì)研究了合理的伸縮方式,并且都采用了先進(jìn)的膜材,成功地實(shí)現(xiàn)了包括氣墊在內(nèi)的膜結(jié)構(gòu)伸縮式開合。巴西利亞的馬內(nèi)加林沙(ManeGarrincha)國(guó)家球場(chǎng),70402座席,用膜結(jié)構(gòu)覆蓋屋面和墻面,也采用了伸縮式開合方式。固定屋面采用40000m2TiO2/PTFE膜,伸縮式開合膜屋面為40500m2PTFE網(wǎng)格膜,墻面是4000m2PTFE膜(圖15)。1.6年—超大空間膜結(jié)構(gòu)哈薩克斯坦KhanShatyr娛樂(lè)中心(圖16)位于首都阿斯塔納市,那里有從-40~40℃的極端氣候。娛樂(lè)中心內(nèi)游客可以購(gòu)物、看電影及用餐,設(shè)有慢跑的路徑、微型高爾夫球場(chǎng)。在最高的獨(dú)立屋頂,是熱帶的沙灘和溫暖的泳池。該結(jié)構(gòu)長(zhǎng)軸140m、短軸120m,中央三腳架高150m,屋頂表面積19000m2。從高度70~125m,成對(duì)使用192根直徑38mm的徑向索,輔以環(huán)向索抗扭,外表面使用ETFE完全透明膜氣枕。索與膜需要相對(duì)較高的預(yù)應(yīng)力(需提高10%~20%)以控制變形,控制索最大變形(800mm),鋁框設(shè)計(jì)需適應(yīng)變形。頂環(huán)直徑20m,采用150mm厚鋼板,頂部結(jié)構(gòu)設(shè)百葉窗保證通風(fēng)。低溫下ETFE會(huì)變硬,設(shè)計(jì)中需關(guān)注。膜結(jié)構(gòu)在大型工程中的應(yīng)用多體現(xiàn)在體育場(chǎng)館,展示了膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。圖16則是用膜結(jié)構(gòu)覆蓋超大空間、構(gòu)建人工環(huán)境的一個(gè)成功案例。國(guó)際上已有不少學(xué)者在探討構(gòu)建500~1000m2超大空間的可行性,圖17是用索與膜覆蓋倫敦某街區(qū)的方案。我國(guó)也應(yīng)該多專業(yè)聯(lián)合開展探索性研究,以迎接未來(lái)的挑戰(zhàn)。2世界上最大的投影面韓國(guó)麗水世博會(huì)國(guó)際館屋蓋造型的寓意為麗水的海浪與島嶼,采用鋼結(jié)構(gòu)骨架支承膜結(jié)構(gòu)。屋面上共11個(gè)島嶼,其中7個(gè)的大小和形狀不同(圖18)。最小14m×14m×5.3m,重約95kN;最大22m×18m×7.8m,重約203kN。島嶼既是造型,又在內(nèi)部設(shè)有通風(fēng)口,為下部展廳自然通風(fēng),內(nèi)外均采用半透明的二氧化鈦PVC膜覆蓋。印度德里大型系留氣球(Aerostat)用于2010年英聯(lián)邦運(yùn)動(dòng)會(huì)開幕式和閉幕式,長(zhǎng)80m、寬40m、高12m,22000m3體積內(nèi)充氦氣,使用近10000m2的PVC織物和約5km長(zhǎng)的纜索,創(chuàng)造了世界上最大的投影面(圖19)。主體可拆分成4個(gè)部分,在德里現(xiàn)場(chǎng)組裝。在體育場(chǎng)的最后活動(dòng)和閉幕式之間短短12h內(nèi)重新安裝。設(shè)計(jì)師哈波爾德為卡塔爾多哈2022年足球世界杯設(shè)計(jì)的SheikhZayed體育場(chǎng)開合屋蓋方案,也采用了可驅(qū)動(dòng)的巨型充氣頂(圖20)。德國(guó)柏林東南約100km休閑公園湖邊57m高的Teichland觀光塔,塔內(nèi)是垂直的混凝土樓梯。外表面的創(chuàng)意是凹凸的皮膚,采用約1100m2張力膜實(shí)現(xiàn)。由頂部和底部的兩個(gè)環(huán),固定3片47m高的PTFE膜(TiO2),輔以豎向索(圖21)。韓國(guó)麗水世博會(huì)主題館長(zhǎng)140m,高3~13m,形如一條魚(圖22)。為獲得魚鱗的模擬視覺效果,表面采用108片玻璃鋼百葉,最長(zhǎng)13m,厚9mm。底部邊緣固定,頂部由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伸縮制動(dòng)器推上或降低邊緣,導(dǎo)致百葉彈性彎曲和側(cè)旋轉(zhuǎn)。通過(guò)電腦控制總線系統(tǒng)控制制動(dòng)器以達(dá)到同步,也可以單獨(dú)處理每個(gè)百葉窗,并鏈接到互聯(lián)網(wǎng)。13m長(zhǎng)百葉窗的開放過(guò)程需要旋轉(zhuǎn)60°和移動(dòng)450mm,一次打開/關(guān)閉進(jìn)程大約30s。日落之后可打開LED燈,獲得不同角度的效果。這里采用的雖然不是膜材,但這種應(yīng)用理念很值得借鑒。藝術(shù)家AnishKapoor在法國(guó)巴黎系列展中展出了大海獸(Leviathan)。這是一個(gè)充氣膜結(jié)構(gòu)藝術(shù)品,72000m3充氣雕塑,高35m,寬33m,長(zhǎng)72m,形如3個(gè)相互關(guān)聯(lián)的球形“燈泡”,最大挑戰(zhàn)是凸起的中央穹頂和通往燈泡的狹窄區(qū)(圖23)。新西蘭奧克蘭機(jī)場(chǎng)毛利樹,投影尺寸28m×21.6m,高9m,為樹頂環(huán)型桁架結(jié)構(gòu),懸掛PTFE織物,表面積577m2,表面是投影連續(xù)的360°圖像(圖24)。還有諸如膜結(jié)構(gòu)在克羅地亞機(jī)場(chǎng)航站樓中的應(yīng)用(圖25),ETFE膜材用于地鐵出入口(圖26)、墻面(圖27)等實(shí)例,均表明膜結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入了藝術(shù)與裝飾領(lǐng)域,應(yīng)用更為廣泛。3新制度的研究和發(fā)展3.1聚乙烯繩網(wǎng)抗風(fēng)荷載作用蔬菜水培種植是一種新技術(shù),種子在圓盤中部種植,隨著蔬菜生長(zhǎng)螺旋移動(dòng)到外部。日本為蔬菜水培研制了標(biāo)準(zhǔn)化圓頂綠色建筑物,直徑30m、高5m的雙層ETFE氣承式膜結(jié)構(gòu)(外部60μm、內(nèi)部100μm),增加了聚乙烯繩網(wǎng)抵抗風(fēng)荷載,連接到36個(gè)1.5m高鋼桁架邊墻。氣壓由桁架墻上風(fēng)機(jī)提供;冬季屋頂排風(fēng)關(guān)閉,雙層膜可以保溫;夏季屋頂排風(fēng)打開,熱氣容易向外擴(kuò)散(圖28)。英國(guó)RUBB建筑體系,采用熱浸鋅鋼管預(yù)制、螺栓連接的桁架拱結(jié)構(gòu),便于裝卸。內(nèi)外覆以PVC雙層膜(圖29)。按英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),可承受基本風(fēng)速46m/s,基本雪載750kN/m2,已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化的體系。應(yīng)該注意英國(guó)沒(méi)有抗震要求,如果采用該體系需進(jìn)行抗震驗(yàn)算。3.2面料關(guān)聯(lián)的耦合動(dòng)力風(fēng)荷載法國(guó)一個(gè)研究組提出由鉸鏈開合鋼骨架和紡織面料關(guān)聯(lián)形成跨越17~50m的折疊傘膜結(jié)構(gòu)(圖30),復(fù)雜的靜態(tài)折疊可行性和耦合動(dòng)力風(fēng)荷載經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬認(rèn)為是可行的。3.3膜結(jié)構(gòu)透氣性能日本一個(gè)研究組研制了一種臨時(shí)救災(zāi)房屋的簡(jiǎn)易建設(shè)體系。采用事先制作好的膜結(jié)構(gòu)充氣為胎,現(xiàn)場(chǎng)充氣后自行抹砂漿建造(圖31)。試驗(yàn)表明利用殼結(jié)構(gòu)受力體系,底部厚90mm,頂部只需45mm厚,包括平整場(chǎng)地、備料在內(nèi)施工只需2d。膜結(jié)構(gòu)充氣胎還可用于制作“冰殼”(圖32)。日本在具有足夠的雪和低溫的北海道,用膜和繩子作成充氣胎。通過(guò)吹雪和噴水形成厚6~7cm的冰,可制作直徑15~30m的“冰殼”,室內(nèi)在白天具有完全自然光線的半透明氣氛,可以作為滑雪勝地的休閑康樂(lè)設(shè)施。3.4利用hybrid膜結(jié)構(gòu)拱結(jié)構(gòu)瑞士Airlight公司和EMPA組合結(jié)構(gòu)研究中心從2003年開始研究Tensairity梁,也有了工程應(yīng)用,近年又研究了T