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张拉膜

膜结构又称为索 膜结构张拉膜、张力膜亦或是空间膜。它是一种建筑与结构完美结合的结构体系。它是用高强度柔性薄膜材料与支撑体系相结合形成具有一定刚度的稳定 曲面,能承受一定外荷载的空间结构形式。其造型自由、轻巧、柔美,充满力量感,阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点,因而使它在世界各 地受到广泛应用。

  膜结构建筑作为新的建筑形式于本世纪五十年代 在国际上开始出现,至今已有四十多年的历史,特别是到了七十年代以后,膜结构的应用得到了迅速发展。膜结构的出现为建筑师们提供了超出传统建筑模式以外的 新选择。
膜结构一改传统建筑材料而使用膜材,其重量只是传统建筑的三十分之一。而且膜结构可以从根本上 克服传统结构在大跨度(无支撑)建筑上实现时所遇到的困难,可创造巨大的无遮挡的可视空间。其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用 安全等优点,因而使它在世界各地受到广泛应用。另外值得一提的是,在阳光的照射下,由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光,无强反差的着光面与阴影的区分, 室内的空间视觉环境开阔和谐。夜晚,建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空,建筑物的体型显现出梦幻般的效果。这种结构形式特别适用于大型体育场馆、入口廊 道、小品、公众休闲娱乐广场、展览会场、购物中心等领域
膜材料是指以聚酯纤维基布或PVDF、PVF、PTFE等不同的表面涂层,配以优质的PVC组 成的具有稳定的形状, 并可承受一定载荷的建筑纺织品。它的寿命因不同的表面涂层而异,一般可达成12—50年

张拉膜概念性的设计

一种新的结构形式出现,必然遵循一定的理论规律,也就是首先是概念性的设计,初步的规划.整体的划分,形成块,再具体到细 部.

  一、从结构方式上大致可分为骨架式、张拉式、充气式膜结构3种形式

 

  

1.骨架式膜结构(

Frame Supported Structure)

 

  以钢构或是集成材构成的屋顶骨架后,在其上方张拉膜材的构造形 式,下部支撑结构安定性高,因屋顶造型比较单纯,开口部不易受限制, 且经济效益高等特点,广泛适用于任何大,小规模的空间。

 

  

2.张拉式膜结构

(Tension Suspension Structure)

 

  以膜材、钢索及支柱构成,利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安 定的形式。除了可实践具创意,创新且美观的造型外,也是最能展现膜结 构精神的构造形式。 近年来,大型跨距空间也多采用以钢索与压缩材构成 钢索网来支撑上部膜材的形式。因施工精度要求高,结构性能强,且具丰 富的表现力,所以造价略高于骨架式膜结构。

 

  

3.充气式膜结构

(Pneumatic Structure)

 

  充气式膜结构是将膜材固定于屋顶结构周边,利用送风系统让室内气 压上升到一定压力后,使屋顶内外产生压力差,以抵抗外力,因利用气压 来支撑,及钢索作为辅助材,无需任何梁,柱支撑,可得更大的空间,施工 快捷,经济效益高,但需维持进行24小时送风机运转,在持续运行及机器 维护费用的成本上较高。

 

  二、膜材料用于膜结构建筑中的膜材是一种具有强度,柔韧性好的薄膜材料,是由纤维编织成

织 物基材

,在其基材两面以树脂为涂层材所加工固定而成的材料,中心的织物基材分为聚酯纤维及玻璃纤维,而作为

涂层材

使用的树脂有聚氯 乙烯树脂(PVC),硅酮(silicon)及聚四氟乙烯树脂(PTFE),在力学上织物基材及涂层材分别具有影响下列的功能性质。

 

  织物基材——抗拉强度,抗撕裂强度,耐热性,耐久性,防火性。

 

  涂 层 材——耐候性,防污性,加工性,耐水性,耐品,透光性。

 

  三、膜材的正确选定用于建筑膜结构的膜材,依涂层材不同大致可分为

PVC

膜与

PTEF

膜, 膜材的正确选定应考虑其建筑的规模大小、用途、形式,使用年限及预算等综合因素后决定。

 

  

PVC

膜(PVC-Coated Polyester)

 

  

PVC

膜材在材料及加工上都比PTFE膜便宜,且具有材质柔软,易施工的优点。 但在强度、耐用年限、防火性等性能上较PTFE膜差。PVC膜材是由聚脂纤维织物加上PVC涂层(聚氯乙烯)而成,一般建筑用的膜材,是在PVC涂层材的 表面处理上,涂以数micron厚的压克力树脂(acrylic),以改善防污性。但是,经过数年之后就会变色、污损、劣化。一般PVC膜的耐用年限,依 使用环境不同在5~8年。为了改善PVC膜材的耐侯性,近年来已研发出以氟素系树脂于PVC涂层材的表面处理上做涂层,以改善其耐侯性及防污性的膜材。

 

  

PVDF PVDF

是二氟化树脂(Polyvinylidene Fluoride)的略称,在PVC膜表面处理上加以PVDF树脂涂层的材料称为PVDF膜。PVDF膜与一般的PVC膜比较,耐用年限改善至7~10年 左右。

 

  

PVF PVF

是一氟化树脂(Polyvinyl Fluoride)的略称。PVF膜材是在PVC膜的表面处理上以PVF树脂做薄膜状薄片(laminate)加工,比PVDF膜的耐久性更佳,更具有防 沾污的优点。但因为加工性、施工性与防火性都不佳,所以使用用途受到限制。

 

  

PTFE

膜(PTFE Coated Fiberglass)

 

  

PTFE

膜是在超细玻璃纤维织物上,涂以聚四氟乙烯树脂而成的材料。PTFE膜 最大的特微就是

耐久性

防火性

防污性

高。但PTFE膜与PVC膜比较,材料费与加工费高,且柔软性低,在施 工上为避免玻璃纤维被折断,须有专用治工具与施工技术。

 

  

耐久性

:涂层材的PTFE对酸、硷等化学物质及紫外线非常安定,不易发生变色或 破裂。玻璃纤维在经长期使用后,不会引起强 度劣化或张力减低。膜材颜色一般为白色、透光率高,耐久性在25年以上。

 

  

防污性

:因涂层材为聚四氟乙烯树脂,表面摩擦系数低,所以不易污染,可藉由雨水 洗净。

 

  

防火性

:PTFE膜符合近所有国家的防火材料试验合格的特性,可替代其它的屋顶 材料做同等的使用用途。

 

  四、工程应用体育设施—体育场馆、健身中心等交通设施—机场、火车站、公交车站、高速公路收费 站、加油站等文化设施—展览/会议中心、剧场、博物馆、动物园、水族馆等景观设施—建筑入口、泳池小品、小区长廊、户外广场、公园小品、标识性建筑等商业 设施—购物中心、餐厅、步行街等工业设施—工厂、仓库、污水处理中心、物流中心、温室等。

 

  

张拉膜结构的基本组成单元通常有:膜材、索与 支承结构(桅杆、拱或其他刚性构件)。

  

膜材

一种新兴的建筑材料,已被公认为是继砖、石、混凝土、钢和木材之后的“第六 种建筑材料”。膜材本身不能受压也不能抗弯,所以要使膜结构正常工作就必须引入适当的预张力。此外,要保证膜结构正常工作的另一个重要条件就是要形成互反 曲面。传统结构为了减小结构的变形就必须增加结构的抗力;而膜结构是通过改变形状来分散荷载,从而获得最小内力增长的。当膜结构在平衡位置附近出现变形 时,可产生两种回复力:一个是由几何变形引起的;另一个是由材料应变引起的。通常几何刚度要比弹性刚度大得多,所以要使每一个膜片具有良好的刚度,就应尽 量形成负高斯曲面,即沿对角方向分别形成“高点”和“低点”。“高点”通常是由桅杆来提供的,也许是由于这个原因,有些文献上也把张拉膜结构叫做悬挂膜结 构(suspension membrane)。

 

  

作为膜材的弹性边界,将膜材划分为一系列膜片,从而减小了膜材的自由支承长 度,使薄膜表面更易形成较大的曲率。有文献指出,膜材的自由支承长度不宜超过15米,且单片膜的覆盖面积不宜大于500平米。此外,索的另一个重要作用就 是对桅杆等支承结构提供附加支撑,从而保证不会因膜材的破损而造成支承结构的倒塌。

 

  

膜结构设计主要包括以下内容:

  1,初始态分析:确保生成形状稳定、应力分布均匀的三维平衡曲面,并能够抵抗各种可能的荷载工 况;这是一个反复修正的过程。

 

  2,荷载态分析:张拉膜结构自身重量很轻,仅为钢结构的1/5,混凝土结构的1/40;因此膜 结构对地震力有良好的适应性,而对风的作用较为敏感。此外还要考虑雪荷载和活荷载的作用。由于目前观测资料尚少,故对膜结构的设计通常采用安全系数法。

 

  3,主要结构构件尺寸的确定,及对支承结构的有限元分析。当支承结构的设计方法与膜结构不同 时,应注意不同设计方法间的系数转换。

 

  4,连接设计:包括螺栓、焊缝和次要构件尺寸。

 

  5,剪裁设计:这一过程应具备必要的试验数据,包括所选用膜材的杨氏模量和剪裁补偿值(应通过 双轴拉伸试验确定)。

 

  

膜结构在方案阶段需要考虑的问题有

 

  1,预张力的大小及张拉方式;

 

  2,根据控制荷载来确定膜片的大小和索的布置方式;

 

  3,考虑膜面及其固定件的形状以避免积水(雪);

 

  4,关键节点的设计,以避免应力集中;

 

  5,考虑膜材的运输和吊装;

 

  6,耐久性与防火考虑。

 

  

在膜结构设计阶段所要考虑的要点有:

  1,保证膜面有足够的曲率,以获得较大的刚度和美学效果;

 

  2,细化支承结构,以充分表达透明的空间和轻巧的形状;

 

  3,简化膜与支承结构间的连接节点,降低现场施工量。

 

  

 

  

张拉膜结构的特性

  张拉膜结构作为一种建筑体系所具有的特性主要取决于其独特的形态及膜材本身的性能。恰由于此, 用膜结构可以创造出传统建筑体系无法实现的设计方案。

 

  1、 轻质:张力结构自重小的原因在于它依靠预应力形态而非材料来保持结构的稳定性。从而使其自重比传统建筑结构的小得多,但却具有良好的稳定性。建筑师可以利 用其轻质大跨的特点设计和组织结构细部构件,将其轻盈和稳定的结构特性有机地统一起来。

 

  2、 透光性:透光性是现代膜结构最被广泛认可的特性之一。膜材的透光性可以为建筑提供所需的照度,这对于建筑节能十分重要。对于一些要求光照多且亮度高的商业 建筑等尤为重要。通过自然采光与人工采光的综合利用,膜材透光性可为建筑设计提供更大的美学创作空间。夜晚,透光性将膜结构变成了光的雕塑。

 

  

膜 材透光性是由它的基层纤维、涂层及其颜色所决定的。标准膜材的光谱透射比在10%~20%之间,有的膜材的光谱透射比可以达到40%,而有的膜材则是不透 光的。膜材的透光性及对光色的选择可以通过涂层的颜色或是面层颜色来调节。

 

  通过膜材和透光保温材料的适当组合,可以使含保温层的多层膜具有透光性。即使光谱透射只有几个 百分点,膜屋面对于人眼来说依然是发亮和透光的,具有轻型屋面的观感。

 

  3、柔性:张拉膜结构不是刚性的,其在风荷载或雪荷载的作用下会产生变形。膜结构通过变形来适 应外荷载,在此过程中荷载作用方向上的膜面曲率半径会减小,直至能更有效抵抗该荷载。

 

  张拉结构的灵活性使其可以产生很大的位移而不发生永久性变形。膜材的弹性性能和预应力水平决定 了膜结构的变形和反应。适应自然的柔性特点可以激发人们的建筑设计灵感。

 

  不同的膜材的柔性程序也不相同,有的膜材柔韧性极佳,不会因折叠而产生脆裂或是破损,这样的材 料是有效实现可移动、可展开结构的基础和前提。

 

  4、 雕塑感:张拉膜结构的独特曲面外形使其具有强烈的雕塑感。膜面通过张力达到自平衡。负高斯膜面高低起伏具有的平衡感使体型较大的结构看上去像摆脱了重力的 束缚般轻盈地雕塑般的质感令人激动飘浮于天地之间。无论室内还是室外这种雕塑般的质感都令人激动。

 

  张拉膜结构可使建筑师设计出各种张力自平衡、复杂且生动的空间形式。在一天内随着光线的变化, 雕塑般的膜结构通过光与影而呈现出不同的形态。日出和日落时,低入射角度的光线将突现屋顶的曲率和浮雕效果,太阳位于远地点时,膜结构的流线型边界在地面 上投入弯弯曲曲的影子。利用膜材的透光性和反射性,经过设计的人工灯光也可使膜结构成为光的雕塑。

 

  5、 安全性:按照现有的各国规范和指南设计的的轻型张拉膜结构具有足够的安全性。轻型结构在地震等水平荷载作用下能保持很好的稳定性。

 

  由于轻型结构自重较轻,即使发生意外坍塌,其危险性也较传统建筑结构小。膜结构发生撕裂时,若 结构布置能保证桅杆、梁等刚性支承构件不发生坍塌,其危险性会更小。

 

  膜结构的柔性使其在任一荷载作用下均以最有利的形态承载。当然,结构的布置和形状要根据荷载情 况来进行设计和调整。设计要确何膜面与其辅助结构协调工作,以避免力在膜面或辅助结构上集中而达结构破坏的临界值。

 

  6、 功能:由于张拉膜结构的自身特性,其可以满足从简单遮阳结构到功能复杂的大型建筑等许多不同的建筑功能要求,并形态极具表现力且对于有些功能要求只有它才 是最为适合的。

 

  7、 极具表现力的建筑形态:具有特定功能的建筑都可通过立意得以表达,张拉膜结构的独特外形体现了建筑自身的自然美感。

 

  这些建筑形态本身和与其相协调的传统建筑一起构成了令人兴致盎然的地面标志性建筑。优秀的膜结 构设计是结构与外形的有机融合,使其显得了类拔萃,同时与自然环境、历史及现代的城市景观有机结合。

 

  轻型结构可以看成是大型的雕塑作品,可为其周边空间增添活力,成为周围环境的补充和焦点。

 

  8、 抵御天气的影响:膜屋面的一个重要作用就是抵御各种天气变化(如日晒、雨淋、风雪等)对其内部空间的影响,保持建筑物内部的舒适性。选择膜面的形态和材料 时要考虑到所有可能的天气状况,并尽可能利用建筑本身等被动方法来减少能量的消耗。

 

  多孔膜材可用作遮蔽结构。它可以控制光的透射和反射,使室内拥有散射光,并且促进自然通风,使 屋面温度与周围环境的温度相同,并避免向下的热辐射。

 

  为了抵挡风雪,膜面的外形应使排水通畅使捷,避免在其上形成水兜或雪的堆积。在施加预应力前的 安装成形阶段,张拉膜结构对这些荷载十分敏感。为了能将雨水排除,膜材和接缝须密封防水,膜边缘也必须进行特殊的细部设计,以防止雨水进入室内。

 

  9、 可移动性和临时性:与其它结构相比的另一个突出优势是轻型结构对环境的影响具有可调和性。另外它还有两个重要的特性,即可移动性和灵活性。

 

  结构可以在不同的地点反复拆建,这就是张拉膜结构的可移动。它将游牧式与定居式的建筑融为一 体。膜材轻柔的特点使其方便运输,且易于迅速搭建,而闲置时占用空间很小。这种特性使膜结构十分适于用作临时性可移动建,特别是在发生突然灾难或遇到紧急 情况而需要在短时间内为大量人员提供庇护所的时候。

 

  另一方面,可移动薄膜结构除具有与永久建筑相媲美的舒适性外,它还引入了建筑行业的一个新概 念,即将房屋的所有权与土地的所有权相分离。建筑不再是不可移动的,而是可移动的。这种可移动性和可重复使用的特点对加速现代城市的发展和建筑功能在某些 特殊领域中的转变具有重要的意义。

 

  10、 可展性和自适应性:可展结构可以看作是一种人造的自适应体系,同许多自然有机体一样,可根据需要改变自身的形式。它们的空间布置和对天气变化的反应具有灵 活性和自适应性。通过控制自然光和内部温充可达到主动节能的目的。可展结构即可开敞也可闭合,它的灵活性使其可以改变空间的属性。精心设计的可展屋盖的优 雅滑动体现了人与自然的和谐。它被称作是一种创造,轻型与可展性的充分结合形成了“免施工房屋”的概念,这种结构任何需要的时间或地点均可实现。



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