关键词：膜结构；膜材料；体育场馆；展览建筑；膜结构的类型
中图分类号：TU502文献标识码：A文章编号：1009-237416-0195-02
薄膜结构的产生与发展深受Fuller“少费多用”思想的影响,即在建筑中充分发挥材料自身特性,追求着用最少的物质材料建造最大容积的建筑。它迥异于传统的结构,以性能优良的柔软织物为材料,由膜内空气压力支承膜面,或利用柔性钢索,或刚性支承结构使膜面产生一定的预张力,从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。
一、膜材料的类型及特点
膜材料的类型
膜结构的发展与膜材料的研发和应用密不可分。常见的膜材有PVC、PTFE、ETFE膜材。目前应用的建筑膜材主要包括涂层织物类膜材和热塑化合物类膜材两大类。
涂层织物类膜材是由高强度纤维织成的基材和聚合物涂层构成的复合材料。其中基层是受力构件,起承受并传递荷载的作用,其品种有聚酯纤维、玻璃纤维等；涂层有聚四氟乙烯、硅酮、聚氯乙烯等。
热塑化合物类膜材主要指乙烯-四氟乙烯共聚物。
膜材料的特点
膜材料的建筑物理性能主要包括耐候性能、光学性能、声学性能、热学性能以及防火性能等多方面。
膜材的耐候性能包括使用寿命、耐老化、自洁性以及强度衰减等。PTFE膜的抗紫外线、耐老化、耐腐蚀等化学特性优于PVC膜,其使用寿命可达25年以上,一般用于永久性建筑。
膜材的透光性好,且能虑除大部分紫外线。透射光在结构内部产生均匀的漫射光,无阴影,无眩光,无显著方向性,光线柔和均匀。
膜材料的回声和吸声特性综合决定了膜结构建筑内空间音响品质和隔音效果。膜材织物对声波振动具有很强的反射性,这种反射性增加膜结构建筑内部的噪音水平。通常需要采取相应的建筑构造措施改善膜结构的建筑声学环境。比如在膜内加装轻质、多孔的织物衬垫,悬挂隔声屏,采用专用吸声膜内衬等方法。
膜结构建筑的保温隔热性能较差。当对建筑物的保温隔热性能有较高要求时,可采用双层或多层膜结构,但这样会影响到膜结构的透光性。另外膜面内部的冷凝结露也是需要考虑的问题。
膜材具有较好的防火性能。实验表明,PTFE的防火性能优于PVC,但从火灾情况下膜结构的实际反应看,PVC膜材更好一些。
二、膜结构的特点和类型
膜结构的特点
膜结构自重轻,跨度大,建筑造型丰富,施工方便；但其抵抗局部荷载作用能力差,容易出现褶皱、局部破损甚至整体破坏等问题。
薄膜结构具有和施工相关性的如下力学特点：结构形状及刚度与施工方法和过程间有相关性；结构的荷载敏感性；结构成型前的弱刚度性。柔性的薄膜材料只有当被赋予适当的预张力时才具有确定的形状和抵抗外荷载的刚度,也才成为结构。初平衡状态下的形状确定及预应力分布是张拉结构中最关键的问题。预应力的大小和分布决定了结构的刚度和形状。
膜结构的类型
我国《膜结构技术规程》根据膜材及相关构件的受力方式把膜结构分成四种形式：整体张拉式膜结构、骨架支承式膜结构、索系支承式膜结构和空气支承膜结构。
空气支承膜结构,即充气膜结构是利用膜内外空气的压力差为膜材施加预应力,使膜面能覆盖所形成的空间。有气承式和气囊式两种。
张拉膜结构通过给膜材直接施加预拉力使之具有刚度并承担外荷载。整体张拉式膜结构,通过膜面内力直接将荷载传递给边缘构件,应用在跨度较小的膜结构当中。钢索和膜结合形成张拉索-膜结构可应用于较大跨度的膜结构。
以上两种形式中钢索的作用不尽相同,在充气膜中,钢索主要起加劲作用；在张拉膜结构中,钢索与膜材都是主要受力构件。
骨架支承式膜结构是指由钢构件或其它刚性构件作为承重骨架,在骨架上布置按设计要求张紧的膜材。索系支承式膜结构的主要形式是索穹顶结构,索穹顶结构是以连续的拉索和不连续的压杆组成的预应力空间结构体系。这类结构使用薄膜作为覆盖材料,其中的膜材是传力构件而非主要受力构件,主要作用是围护。
三、工程中的膜结构
膜与索、钢架的组合结构是大跨度空间结构的一个主要形式。表1是参考文献中所统计的部分国际上超过1万m2膜结构的相关资料。
与世界先进水平相比,中国在膜结构方面的差距,无论是理论研究还是实际应用都是十分明显的。但是随着经济的发展,以及奥运、世博等大型体育项目和展览项目在中国的举办,我国的膜结构在应用方面近年来也开始呈现比较活泼的势头。
上海为迎接八运会于1997年建成的八万人体育场是我国首次在大型建筑上采用膜结构。其挑篷采用以径向悬挑钢桁架和环向桁架组成的大跨度空间结构,上覆伞形膜结构,总覆盖面积36100m2。32榀桁架将结构分成57个锥形单元,锥体单元的高点由飞柱提供。32榀桁架中,最小悬臂21m,最大73.5m,桁架锚固在相距24m的巨型混凝土柱上。桁架侧向支撑由空间环向桁架提供。锥体设置4根脊索、4根下拉索。之后的上海虹口体育场采用了鞍形大悬挑空间索桁架支承的膜结构。这二个体育场所用膜材是进口的,施工安装也由外国公司进行。
青岛颐中体育场是我国第一个自行设计和安装,采用整体张拉式索膜结构的体育场工程。其挑篷是由60个锥形索膜单元组成的脊谷式张拉膜结构,每个单元由一个立柱支撑,通过谷索、脊索、内外边索的张拉作用成形。建筑长轴为266m,由86m长的直线段和两端半径为90m的半圆弧组成,短轴为180m。立柱顶点标高42.5m,内环索标高约36.5m,篷盖悬挑沿周边均约40m。膜覆盖面积约30000 m2。
国家游泳中心“水立方”是2008年奥运会标志性建筑之一,其建筑围护结构采用了ETFE膜结构。相比2006年德国世界杯慕尼黑安联体育场的ETFE气枕式外墙,规则排列的单层气枕,覆盖6万m2,水立方的中心屋面、立面和内部隔墙均由双层ETFE充气枕构成,且几乎没有形状相同的两个气枕,单个最大气枕面积90m2,表面覆盖面积达10万m2。水立方是国内首个ETFE膜结构,目前世界上规模最大的膜结构工程,也是惟一一个完全由膜结构来进行全封闭的大型公共建筑。
近年来我国的膜结构项目基本上沿两条主线发展：一是大型体育场馆和展览中心,另一条是膜结构小品建筑。超过1万m2或接近1万m2的其它膜结构项目,比如威海市体育中心场挑篷、浙江省义乌市体育中心、郑州航海体育场、广西南宁国际会展中心主厅、广州新白云机场航站楼屋面采光带、门厅及连接楼屋面、嘉峪关体育场、武汉体育中心、广州黄埔体育场等。膜结构小品建筑包括住宅小区的公共设施、加油站、露天剧场等。
四、结语
膜结构具有强大的生命力。随着新材料、新形式的不断出现,膜结构除了应用在体育建筑和展览建筑之外,还将更多地被应用于那些需要天然采光的公共建筑以及敞开或半敞开建筑。另外,将膜结构和折叠结构、可展结构等结合起来,形成的开闭式屋盖又是一种富有建筑感染力的结构形式。
参考文献
董石麟,罗尧治,赵阳,等. 新型空间结构分析、设计与施工,2006,．
李阳.建筑膜材料和膜结构的力学性能研究与应用.上海：同济大学,2007．
刘凯,高维成,刘宗仁. 薄膜结构体系设计与施工中的一些问题．低温建筑技术,2006,．
石井一夫. 世界膜构造Membrane Design and Structures in the 张拉膜结构的工程研究. 广州：华南理工大学,2003．
作者简介：庞崇安,女,浙江台州人,浙江同济科技职业学院建筑系助教,研究方向：建筑结构。
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