文档介绍：18 索膜结构工程
、类型及材料
索膜结构体系起源于远古时代人类居住的帐篷,但真正意义上的膜结构是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式,是一种建筑与结构完美结合的结构体系。它是用高强度的柔性薄膜材料(PVC或PTFE)与一定的支撑及张拉系统(钢架、钢柱或钢索等) 相结合,通过预张力使膜形成具有一定刚度的空间稳定曲面,从而达到能承受一定外荷载,并满足造型效果和使用功能的一种空间结构形式。它集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学、计算机技术等为一体,具有很高技术含量。其曲面可以随着建筑师的设计需要任意变化,结合整体环境,建造出标志性的形象工程。
膜结构从20世纪90年代以来在我国也得到了飞速的发展,目前已经建设了数十个大型膜结构体育建筑、文化娱乐建筑、商业建筑、交通运输建筑及其他标志性建筑。图18- 1是国内已建的代表性膜结构工程。
(c) (d)
图18-1国内膜结构工程(α)上海八万人体育场;(W青岛颐中体育场;(c)郑州杂技馆;id)大连金石滩影视艺术中心
膜材表面的涂层PTFE或PVDF均为惰性材料,具有较高的不燃性和稳定的化学性
能,并且耐腐蚀。惰性涂层不与灰尘微粒结合,长久不褪色,所以膜结构建筑表面经雨水冲刷即能自洁,经过长年使用仍然保持外观的洁净及室内的美观。
膜材是半透明的织物,并且热传导性较低,对自然光具有反射、吸收和透射能力,其透光率随类型不同而异,可达4%〜18%。经膜材透射的光呈漫反射状,光线柔和宜人无眩光,给人一种开敞、明亮的感觉。膜材的透光性既保证了适当的自然漫散射光照明室内,又极大程度上阻止了热能进入室内,因此膜结构在节能方面有它的独特效果。
大跨度
膜结构建筑中所使用的膜材重量轻,常用膜材质量为0. 5〜2. 5kg/m2,并且膜结构是张力结构体系,能够充分发挥材料的抗拉性能,因此膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度建筑上所遇到的困难,它能创造出巨大的无遮挡可视空间,有效增加空间使用面积。
膜材料与其他建筑材料相比要轻得多。不管在施工阶段还是在使用阶段,对膜面而言,风荷载均是主要荷载,故要特别注意施工阶段膜面和结构的安全。
5防火性和耐久性
采用PTFE膜材料的膜结构建筑具有耐热性、耐气候性、耐药物性、高强度、防火等特性,而且不易老化,经过长期使用仍能保持其最初时的强度,PTFE膜寿命在30年以上,PVDF膜寿命也有15年。
膜面常与索结构结合,通过施加应力,形成结构刚度。合理施加预应力是涉及索膜结构安全的关键要素。其安装工效较高,只需投入较简便的施工机械,且较少影响屋顶以下分部工程的施工。但由于多为悬空作业,安全操作设施需要因工程不同特点而作特殊考虑。
索膜结构类型可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。张拉式膜结构是通过支承结构或钢索张拉成型,其造型非常优美灵活。图18-2为索膜结构的分类图。
充气膜结构又分为气承式膜结构和气肋式膜结构两# (图18-3),气承式膜结构靠室内外压力差
(室内气压>室外气压)形成和维持稳定膜面形态, 图18-2索膜结构的分类
并承受外荷载作用,可支撑于其他建筑或自成独立
建筑。气承式膜结构适合建造平面为圆形、椭圆形(长短轴比小于2)、正多边形的穹顶结构。气肋式膜结构是向特定形状的封闭气囊内充入一定压力的气体以形成具有一定刚度和形状的构件,再由这些构件相互连接形成建筑空间。
充气式膜结构需要不间断地充气,运行与维护费用高,空压机与新风机的自动控制系统和融雪热气系统的隐含事故率高。此外,气承式膜结构中室内的超压也会使人略感不适。这些缺点使人们对充气式膜结构的前途产生怀疑,因此美国自1985年以来在建造大跨度建筑时再也没有使用这种膜结构形式。但近年来,采用近乎全透明无基材膜材ETFE
⑷ Φ)
图18-3充气膜结构的基本形式(a)气承式;(6)气肋式
的气肋(枕)式膜结构因其特殊的建筑光学效果得到了相当程度的应用(图18-4α),最新的应用实例是2008北京奥体游泳馆(图18-4W。总体而言,张拉膜结构的应用远多于充气膜结构。
⑷(*)
图18-4 ETFE气枕膜结构(a)气肋(枕)式膜结构;(W北京奥体游泳馆
张拉膜结构以钢索、钢结构构件等为边界,通过张拉边界或顶升飞柱等手段给膜面施加张力,维持设计的形状并承受荷载。张拉膜结构的基本外形有马鞍形、圆锥形(伞形)、拱支承形、脊谷式等,见图18-5。应用于实际工程的张拉膜结构常常是这些基本外形的组合。
图18-5张