1970年日本大阪萬國博覽會(huì)的美國館與富士館由于采用了膜結(jié)構(gòu)建筑,引起了與會(huì)者和游人的濃厚興趣,也引起了..建筑界的轟動(dòng)。隨后的 幾十年里,膜結(jié)構(gòu)建筑在美國、加拿大等發(fā)達(dá)..迅速發(fā)展起來。我國內(nèi)地自上世紀(jì)70年代以來,一些科研、設(shè)計(jì)單位與高等院校便開始對(duì)膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)如膜結(jié)構(gòu)的找形分析、荷載分析、裁剪分析等的研究也獲得了一定進(jìn)展,為我國膜結(jié)構(gòu)的開發(fā)、應(yīng)用建立了一定的技術(shù)儲(chǔ)備。本文主要介紹膜結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)、類型、設(shè)計(jì)施工以及在我國的應(yīng)用情況。陜西膜結(jié)構(gòu)
一、膜結(jié)構(gòu)建筑特點(diǎn)

膜結(jié)構(gòu)建筑是用輕質(zhì)高強(qiáng)度柔性薄膜材料與支撐體系相結(jié)合形成的具有一定剛度的穩(wěn)定曲面、可承受一定荷載、能夠覆蓋大空間的結(jié)構(gòu)形式。由于充分發(fā)揮了材料抗拉強(qiáng)度高的特性,使得膜結(jié)構(gòu)建筑具有以下優(yōu)點(diǎn):

1：跨度大：據(jù)有關(guān)資料推測,跨度越大的建筑,采用膜結(jié)構(gòu)越能體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性。目前充氣結(jié)構(gòu)建筑的無內(nèi)柱空間路度可做到200m以上。

2：結(jié)構(gòu)重量輕：膜材本身質(zhì)輕,支承膜材的鋼桿、鋼架與鋼索比相應(yīng)的鋼筋混凝土也..不少重量。1970年日本大阪..博覽會(huì)中的美國館,屋面重量每平方米僅1122kg。

3：施工方便：膜材可以在工廠預(yù)制成卷材成品,與鋼材一樣便于工業(yè)化生產(chǎn),便于運(yùn)輸安裝,施工時(shí)也不需搭建腳手架,工期較短。1979年能容納5萬人的美國卡理阿體育館,只用了十幾個(gè)月,現(xiàn)在建造較大型的膜結(jié)構(gòu)建筑,只需幾個(gè)月就能完工。

4：造型美觀：膜結(jié)構(gòu)建筑由于結(jié)構(gòu)組合形式的多樣性,其造型也極為豐富,它具有一般建筑無法比擬的表現(xiàn)力,加上膜材的顏色可以任意選擇,更加強(qiáng)了藝術(shù)感染力。

5：費(fèi)用低：膜材本身就是裝修材料,可減少建筑物二次裝修費(fèi)用;膜結(jié)構(gòu)建筑屋面的膜材透光性好,能透過大量柔和的自然光,降低白天的照明費(fèi)用以及整個(gè)建筑的供熱與空調(diào)費(fèi)用。對(duì)于同等大小的建筑,采用膜結(jié)構(gòu),其成本只相當(dāng)于傳統(tǒng)建筑的二分之一或更少。特別是建造短期應(yīng)用的大跨度建筑時(shí),就更為合算。如今,膜結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于各類建筑結(jié)構(gòu)中,如:體育場館、游泳館、商場、大面積溫室、公共建筑、廠房設(shè)施等。

二、膜結(jié)構(gòu)建筑常用結(jié)構(gòu)型式

膜結(jié)構(gòu)屬于空間結(jié)構(gòu)體系,它不同于一般的鋼、木、磚和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),是繼網(wǎng)架、薄殼、懸索結(jié)構(gòu)之后新崛起的一個(gè)結(jié)構(gòu)體系。近三十年來,預(yù)應(yīng)力 索在結(jié)構(gòu)體系中的作用和優(yōu)勢已為工程師所充分認(rèn)識(shí),各種新型索和膜結(jié)構(gòu)體系得到了廣泛的研究和應(yīng)用。從膜結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和受力特點(diǎn)可將膜結(jié)構(gòu)分為張拉膜結(jié)構(gòu)、充氣膜結(jié)構(gòu)和框式膜結(jié)構(gòu)三大類。

1：張拉膜結(jié)構(gòu)：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,膜既是建筑物的維護(hù)體又作為結(jié)構(gòu)以抵抗外部荷載的作用,因此在一定的初始條件下,其形狀的確定、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膜材料來模擬三維的空間曲面等一系列復(fù)雜的問題,都需通過計(jì)算確定,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。

2：充氣膜結(jié)構(gòu)：氣承式膜結(jié)構(gòu)依靠曲面內(nèi)外氣壓差來維持膜曲面的形狀。氣承式膜結(jié)構(gòu)是在由膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成的室內(nèi)充入空氣,保持使室內(nèi)的空氣壓力始終大于室外的空氣壓力,由此使膜材料處于張力狀態(tài)來抵抗負(fù)載荷及外力的構(gòu)造形式。充氣膜結(jié)構(gòu)分為單層結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu),單層結(jié)構(gòu)如同肥皂泡,單層膜的內(nèi)壓大于外壓。此結(jié)構(gòu)具有大空間,重量輕,建造簡單的特點(diǎn)。但需要不斷輸入超壓氣體及需日常維護(hù)管理。雙層結(jié)構(gòu)是雙層膜之間充入氣體,和單層相比可以充入高壓空氣,形成具有一定剛性的結(jié)構(gòu),而且進(jìn)出口可以敞開。

3：框式膜結(jié)構(gòu)：框式膜結(jié)構(gòu)中膜面僅僅起到對(duì)框架結(jié)構(gòu)的維護(hù)作用,框架結(jié)構(gòu)可以是傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu),也可以是各類索結(jié)構(gòu)。

三、膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工

膜結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)計(jì)算通常由計(jì)算機(jī)完成,其復(fù)雜型體的整體空間作用和繁雜的抗風(fēng)計(jì)算是從事一般建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程師難以完成的。國外 各大從事膜結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)和安裝的專業(yè)公司,都各自開發(fā)了大型的專業(yè)軟件,但為了控制市場都嚴(yán)格保密。目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)的諸如上海八萬人體育場等少數(shù)膜結(jié)構(gòu)建筑,也都是外國公司設(shè)計(jì)的。我國自行設(shè)計(jì)的大型膜結(jié)構(gòu)還很少,國內(nèi)也尚無成熟的理論計(jì)算方法及相應(yīng)的計(jì)算設(shè)計(jì)程序,制約了膜結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展、應(yīng)用與研究。 

傳統(tǒng)膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括體形設(shè)計(jì)、找形分 析、荷載分析、裁剪分析等。

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。找形分析又稱為初始形態(tài)分析,主要是尋找并確定一個(gè)既滿足膜內(nèi)力平衡條件又接近設(shè)計(jì)者預(yù)想造型的曲面。由于膜材料本身沒有抗壓和抗彎剛度,抗剪強(qiáng)度也很差,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)張應(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.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。膜結(jié)構(gòu)的荷載一般是風(fēng)載和雪載,荷載作用下膜材料的變形較大,要..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,要求施加初始張應(yīng)力滿足.不利荷載作用下應(yīng)力不致減少到零,即不出現(xiàn)皺褶。剪裁分析是在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的曲面形體上尋求合理的裁剪線位置及其分布,然后按照一定的方法將三維曲面展開為二維平面。膜材料輕柔、自振頻率很低,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,膜材徐變加大,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。

初始預(yù)應(yīng)力要通過荷載計(jì)算來確定。經(jīng)過找形分析而形成的膜結(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)工程中的關(guān)鍵問題,是裁剪分析的主要內(nèi)容。

施工時(shí),應(yīng)根據(jù)膜面的尺寸和施工場地的條件,認(rèn)真確定膜材的結(jié)合位置,以及膜材的捆包、搬運(yùn)和展開。

四、膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景

隨著工業(yè)的發(fā)展與計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步,膜結(jié)構(gòu)也從臨時(shí)建筑邁入..性建筑行列,并成為當(dāng)代充滿活力的一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)體系。在許多..舉辦奧運(yùn)會(huì)、世博會(huì)的場館建設(shè)中,膜結(jié)構(gòu)以其絢麗 的色極和豐富的造型贏得了人們關(guān)注、認(rèn)同。1995年建成的北京房山游泳館(跨度33m,1100m2 )與鞍山農(nóng)委游泳館(跨度30m,1000m2 )是我國正式應(yīng)用于工程的空氣支承膜結(jié)構(gòu),標(biāo)志我國開始啟動(dòng)膜結(jié)構(gòu)的工程建設(shè)。1997年通過引進(jìn)國外膜結(jié)構(gòu)技術(shù)建成了上海八萬人體育場看臺(tái)挑棚后,又相繼建成了青島頤中體育場挑棚膜結(jié)構(gòu)、杭州游泳館、網(wǎng)球館雙層膜結(jié)構(gòu)等二百余項(xiàng)膜結(jié)構(gòu)工程,年增長率達(dá)20%以上 [7] 。目前膜結(jié)構(gòu)除了用于體育館、體育場 等體育設(shè)施之外,還廣泛應(yīng)用于商業(yè)、教育、交通運(yùn)輸設(shè)施等。由于膜結(jié)構(gòu)新穎美觀的造型和多變的色 彩,還可用于標(biāo)識(shí)性建筑,例如城市與地方的標(biāo)識(shí)、公園入口標(biāo)識(shí)、展覽會(huì)標(biāo)識(shí)、行業(yè)與會(huì)議標(biāo)識(shí)等。然而,目前膜結(jié)構(gòu)在我國尚處于小范圍的試驗(yàn)階段,但隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng),新工藝、新材料、新設(shè)備的出現(xiàn),膜結(jié)構(gòu)建筑將成為我國21世紀(jì)空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展主流。

自重輕,跨度大,造價(jià)低,可以.大限度發(fā)揮材料特性,有利防震;造型新穎美觀,色彩多變,可為文化、體育、旅游、商業(yè)設(shè)施提供.佳的形象包裝;具有較好的防水、透光性能,建設(shè)周期短,可做..性建筑,也可移動(dòng)搬遷,有利于城建景觀及房地產(chǎn)項(xiàng)目的開發(fā)?？梢灶A(yù)見,21世紀(jì)中國的經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn),膜結(jié)構(gòu)建筑將在未來大型建筑中展現(xiàn)新、奇、輕、美的特點(diǎn),因此膜結(jié)構(gòu)建筑的研究與開發(fā)有著廣泛的發(fā)展前景。

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