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    膜結構知識

      膜結構(Membrane Structure),也即張拉膜結構(Tesioned Membrane Structure),是依靠膜材自身的張拉力和特殊的幾何形狀而構成的穩定的承力體系。膜只能承受拉力而不能受壓和彎曲,其曲面穩定性是依靠互反向的曲率來保障,因此需制作成凹凸的空間曲面,故習慣上又稱空間膜結構。

      其主要特點有:

      1.藝術性

      膜結構以造型學、色彩學為依托,可結合自然條件及民族風情,根據建筑師的創意建造出傳統建筑難以實現的曲線及造型。膜結構&mdash;&mdash;建筑師的浪漫設想,享受大自然般浪漫空間。

      2.經濟性 

      對于大跨度空間結構來說,如果采用膜結構,其成本只相當于傳統建筑的二分之一或更少,特別是在建造短期應用的大跨度建筑時,就更為經濟。而且膜結構能夠拆卸,易于搬遷。 

      3.節能性

      由于膜材本身具有良好的透光率(10-20%),建筑空間白天可以得到自然的漫射光,可以節約大量用于照明的能源。

      4.自潔性 

      膜材表面加涂的防護涂層(如PVDF、PTFE等),具有耐高溫的特點,而且本身不發粘,這樣落到膜材表面的灰塵可以靠雨水的自然沖洗而達到自潔的效果。

      5.大跨度無遮擋的可視空間 

      膜結構一改傳統建筑材料而使用膜材,其重量只是傳統建筑的三十分之一。而且膜結構可以從根本上克服傳統結構在大跨度(無支撐)建筑上實現時所遇到的困難,可創造巨大的無遮擋的可視空間。

      6.工期短

      膜建筑工程中所有加工和制作均在工廠內完成,可減少現場施工時間,避免出現施工交叉,相對傳統建筑工程工期較短。

      膜結構材料的特性:

      PTFE膜材料的特點:

      1.強度高、耐久性好、防火難燃、自潔性好,而且不受紫外光的影響,其使用壽命在20年以上。

      2.具有高透光性,并且透過膜材料的光線是自然散漫光,不會產生陰影,也不會發生眩光。

      3.對太陽能的反射率高,所以熱吸收量很少。即使在夏季炎熱的日光的照射下室內也不會受太大影響。正是因為這種劃時代性的膜材料的發明,才使膜結構建筑從人們想象中的帳篷或臨時性建筑發展成現代化的永久性建

      ETFE膜材料的特點:

      乙烯-四氟乙烯共聚物,耐擦傷性、耐磨性、耐高溫、耐腐蝕,絕緣性、高安全性材料。超輕重量:膜材薄輕??拐鹦詢炘?,施工便利。

      耐久性好:氣候適應:-200~150攝氏度,15年以上惡劣氣候,力學和光學性能不改變。

      抗拉強度高:破斷伸長率達300%以上。高安全性:阻燃材料,熔后收縮但無滴落物。如遇火災其危害性較小,冰雹氣候,即使玻璃碎了,ETFE也僅留下小小凹痕。表面非常光滑,極佳自潔性能,灰塵、污跡隨雨水沖刷而除去。

      PVC膜材料的特點:

      1.PVC膜材料的強度及防火性與PTFE相比具有一定差距,PVC膜材料的使用年限一般在7到15年。為了解決PVC膜材料的自潔性問題,通常在PVC涂層上再涂上PVDF(聚偏氟乙酸樹脂)稱為PVDF膜材料。

      2.另一種涂有Tio2(二氧化鈦)的PVC膜材料,具有極高的自潔性。

     

      膜結構發展簡史:

      據考證,帳篷是遠古時代人類較早的居所,開始完全用天然材料構筑,如用獸皮、樹皮等作帷幕,用石材、樹干等作支承,逐漸發展為天然合成材料,如棉紗、毛紡、帆布等?,F代膜結構則發展為使用鋼材、鋁合金、木材等作結構件,用精細化工織物膜或氟化物薄膜作為覆蓋帷幕。

      膜結構發展可概括為兩個方面:膜材發展和膜結構體系發展,兩者相互依存、互為促進。膜材發展推動膜結構的發展與廣泛應用,并促進新的結構體系誕生;反過來,新的膜結構體系和技術發展,促進新型膜材技術的發展與應用。

      1.1.1膜材發展概況

      膜材主要是隨現代精細化工科技的進步而不斷發展。早期的膜材,以聚氯乙烯為表面涂層、聚酯纖維為基布的膜材為主,現稱C類膜(PVC/PES),建筑與結構受力性能不理想。同時,以玻璃纖維為基布氯丁橡膠為涂層膜和棉紗天然纖維膜亦有較少應用。

      1960年代,玻璃纖維織物膜技術得到發展,并在較大范圍應用,但表面涂層材料仍為聚乙烯基類(現稱為B類膜)。膜材強度較高、模量大、徐變小,但建筑自潔性、耐久性仍不理想。同期,c類膜材制造技術不斷進步,結構與建筑特性逐漸改善。

      1970年代初,具有優異建筑性能的聚四氟乙烯(化學名FIFE,商品名Teflon,1938)表面涂層材料由NASA研制成功,同時B紗、DE紗玻璃纖維織物膜技術日趨成熟,使得以玻璃纖維為基布PTFE為涂層的現代織物膜材問世,現稱A類膜,并開始工程應用[z]。新型聚酯類纖維(Kevla等)不斷被研制,氟化物涂層逐漸應用在c類膜。

      1980年代,由于航天科技發展與需求,精細化工技術發展,氟化物纖維(PTFE、FEP、PFA等)、碳纖維(CF)、聚酯纖維(PBO、PET等)等織物膜相繼研制問世,這些膜材具有高強、高比強、高模量、耐強輻射、耐原子氧化、性態穩定,但目前主要應用于航空航天、半導體電子工業等特殊領域,很少應用在

      建筑工程領域。

      A類膜材發展趨勢:提高柔韌性、改善制成工藝、使用環保材料、增加性價比。c類膜材發展趨勢:研制新型高性能合成纖維、改善基布編織工藝、提高受力穩定性,研制新型環保涂層材料,提高建筑自潔性、耐久性。

      新型膜材及其應用技術研究是膜結構發展的基石。氟化物熱塑性薄膜(ET-FE、THV、FEP等)、相應織物膜材問世和應用技術的解決,促進了新的膜結構技術的發展[9,11]。

      雖然目前有眾多膜材應用于膜建筑,但以玻璃纖維(B、DE紗)為基布PT-邢為涂層的A類膜材和以聚酯纖維為基布聚乙烯基類為涂層(PVC類,主要為PVDF/PVF/Acrylie)的C類膜材仍然被認為是標準的建筑膜材。

      LL2 膜結構體系發展概況

      隨建筑制作安裝技術、計算機、設計數值分析理論與方法的發展,膜結構體系不斷演變進化,包括充氣膜、張拉膜、以及新型膜結構體系。

      (1)氣承式充氣膜

      1917年,英國人W.Lanehester發明了一種充氣膜作為野外醫院建筑屋面,這是一種安裝便捷、造價經濟的屋面體系,但他本人并未建成[2]。

      1946年,美國人WalterBird建成現代充氣膜結構,多譜勒雷達穹頂(DopplerRadome),直徑15m,矢高18.3m,采用以玻璃纖維為基布氯丁二烯橡膠為涂層的膜材。1950-1970年間,相繼在美國、德國等地建造大量類似穹頂,直徑達到60mt[2,4]。

      1970年,日本大阪世博會(EXPO&rsquo;70)為膜結構發展提供了契機。因日本多地震,且展館多位于軟土地基,因此,展館宜采用輕結構體系。由DavidGei&mdash;get完成結構設計的美國館,建成了大跨低輪廓(小矢高)氣承式膜,平面為139mx78m橢圓,B類膜。

      1972-1984年,由David Geiger設計,Birdair公司在美國建成銀色穹頂(SilverDome,220mxl59m)等7座大型氣承式膜結構,但多數膜穹頂被證明難以有效抵抗惡劣氣候條件而維持正常使用。1985年,銀色穹頂因強風和暴雪幾乎完全毀壞。

      1988年,日本建成東京穹頂(ToykoDome)。雖然氣承式膜結構技術達到了一個新的臺階,但之后世界各地再也沒建造大型氣承式公共膜建筑[2,4,10]。

      氣承式膜結構在索穹頂體系出現之前,創造了一段大跨建筑的輝煌發展史。

      (2)氣囊式充氣膜

      與氣承式充氣膜在大跨建筑取得的成就相比,氣囊式充氣膜對膜建筑發展以及對大跨建筑的貢獻顯得&ldquo;渺小&rdquo;。EXPO&rsquo;70日本富士館為氣囊拱構成屋面. 

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