膜结构详解.ppt

第十三章 膜结构,膜结构,膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式，它以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。自从1970年代以来， 膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中。 膜结构已成为结构设计选型中的一个主要方案。成为化纤纺织品应用的一个重要领域。近年来在中国建筑 结构中也有长足的进展。,膜结构,膜结构的概念 膜结构的分类 膜结构的结构与构造 膜结构的计算 膜结构的优缺点 膜结构的特点 膜结构的应用与工程案例,膜结构的概念,膜结构(membrane)是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式,是由多种高强薄膜材料(pvc或teflon)及加强构件(钢架、钢柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状,作为覆盖结构,并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。,膜结构的分类,索系支承式膜结构 骨架支承式膜结构 张拉膜结构 充气膜结构,充气膜结构,充气膜结构是靠室内不断充气,使室内外产生一定压力差(一般在10 -30水柱之),室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力,从而 实现较大的跨度.张拉膜结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型,其造型 非常优美灵活。充气膜结构是指在以高分子材料制成的薄膜制品中充入空 气后而形成房屋的结构。充气式结构又可分为气承式膜结构（air- supported membrane structure）和气胀式膜结构（或叫气肋式膜结构） （inflated membrane structure）。气承式膜结构（索膜结构）是通过 压力控制系统向建筑物内充气，使室内外保持一定的压力差，使覆盖膜体 受到上浮力，并产生一定的预张应力，以保证体系的刚度。室内设置空压 自动调节系统，来及时地调整室内外气压，以适应外部荷载的变化。由于 跨中不需要任何支撑，因此适用于超大跨度的建筑，一般用于大型体育 馆。气胀式膜结构是向单个膜构件内充气，使其保持足够的内压，多个膜 构件进行组合可形成一定形状的一个整体受力体系，这种结构对膜材自身 的气密性要求很高，或需不断地向膜构件内充气。,充气膜结构展示,东京棒球场,广岛巨浪馆,张拉膜结构,张拉膜结构，英文(tesioned membrane structure)，是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索 共同构成机构体系。在阳光的照射下，由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光，无强反差的著光面与阴影的区分，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。 张拉膜结构特别适合用来建造城市标志性建筑的屋顶，如体育与娱乐性场馆，需有广告效应的商场、餐厅等。,威海体育馆,骨架支承式膜结构,上海八万人体育场,骨架支承式膜结构，由钢构件或其它刚性构件（如拱、刚架）作为承重骨架，在骨架上布置按设计要求张紧的膜材，后者主要起围护作用。,索系支承式膜结构,索系支承式膜结构由空间索系作为主要承重结构，在索系上布置按设计要求张紧的膜材。这种膜结构主要由索、杆和膜构成，三者共同起承重作用。在通常所称的张拉整体（tensegrity）结构中，如采用膜材，即属于索系支承膜结构。另外，比较流行的索穹顶结构也属于此类。,生比特斯堡“雷声穹顶”,亚特兰大体育馆,膜结构的结构与构造,结构示意图,膜结构的计算,（一）非线性有限元基本方程 有限单元法是对工程结构进行数值分析的最有效方法，特别是在计算机应用越来越普及的今天。膜结构实际设计中，索及桁架等加强、边缘构件的应用是必不可少的，因此本文程序中包含了膜单元，索单元，杆单元，梁单元。其中空间膜单元定义为三结点的三角形等参元，考虑节点的三个方向的位移，但只计及面内的正应力x、y和剪应力z xy。应用法列式，可以得结构有限元基本迭代方程为： 其中r为外荷载向量；f为时刻单元应力节点等效力向量；kl为线性应变增量刚度矩阵；knl为非线性应变增量刚度矩阵，非线性方程组的求解，采用增量形式的 full newton-raphson 法。,膜结构的计算,（二）初始形态设计 本文这里使用了“形态”这个词汇，所谓的“形”就是几何意义上的形状，所谓的“态”就是结构的内力分布状态。一种“形”对应一种“态”；反之亦然，一种“态”必然有一种“形”与它对应。膜结构这类柔性结构有一个显著的特点，即结构材料本身不具有刚度，由这些材料组成的构造体系还只是机构，只有当对其施加了预张力，它才具有了抵抗外荷载的结构刚度。这里应强调的是，不同的张力分布对应着不同的平衡形状。这就是本文所说的“形”和“态”。当然，这是一个动态跟踪过程，对这个过程的研究就是初始形态设计。这是膜结构与传统刚性结构计算的一个显著区别，也膜结构设计计算中的一个关键问题。 膜结构的设计中，在找到初始形态之前，并不能准确确定膜结构的初始形状和与之对应的预张力分布状态，也就是说这时有两个未知数：一个是初始形状，一个是预张力分布状态。这时我们会给定其中的一个而求解另一个，从而产生两种思路。第一种思路产生比较自然，是将初始形状作为已知数，把初始预张力作为外荷载施加到结构上，求解达到平衡时的状态。此法求解比较直接方便，普通的静力计算程序就可以适用，并可以得到与设计者给定的曲面形状相近的结果。但是它最大的缺点是最终得到的预张力分布不再是设计给定的，当膜结构曲面比较复杂不规则时，预张力的分布将会非常不均匀，造成施工安装的困难和对受力性能的不利。,膜结构的计算,（三）静力性能分析 在推导得到含空间膜单元的非线性有限元基本方程后，膜结构的静力性能分析就变得简单了，直接应用式（1）即可，但需要指出的是，由于膜材为非抗压性材料，为此本文引入了由单元主应力判断褶皱的方法。设单元主应力为1、2，且12，则： 10，2 0，单元正常工作。 10，2 0，单元为单向受拉，以转换的应力和刚度代入方程重新迭代。,膜结构的计算,（四）风振响应分析 膜结构质量很轻且刚度较弱，因此非线性风振响应分析将是其设计计算中的又一个关键问题、难点问题。本文应用随机模拟法的思路，发展建立了一种可以适用于大型膜结构非线性风振响应分析的方法。该方法的思路是，首先将膜结构离散化，根据风的概率统计特性，将风速模拟成时间的函数，即人工仿真生成风速时程。然后利用风的空间相关特性，将在结构各个结点处生成的不相关的风速转换成空间相关的风速场。应用morison公式将风速转变为风压，合理地确定风荷载，并作用于相应的单元结点上，利用有限元法在时间域内直接求解运动微分方程并求得结构的响应。在推导有限元基本方程的迭代公式时，在每一时间步长中考虑了结构的非线性特性、风与结构相互耦合作用的影响、风压分布系数（体型系数）等等因素。由响应值中求得所要的统计信息，如结构振动的位移、速度、加速度的均值和均方差，以及相应的功率谱，并从中获得膜结构的风振响应特性。,膜结构的计算,对工程结构设计计算来说，风作用的大小一般以风压来表示，本文采用morison公式来计算风荷载，它可更合理地反映物体的表面压力。当不考虑风与结构耦合作用时的风荷载公式为： （3） 式中第一项与第二项之和是加速流中静止的弹性结构所受到的总惯性力，总称为惯性项。式中 是空气质量密度，a为面积，h为膜厚度， 为风压分布系数， 为风速，包含了平均风速和脉动风速。可以看出，morison公式比一般公式增加了开头的两项，如果忽略前两项，则即为我们通常所说的风荷载公式。如果考虑风与结构的耦合作用，则上式变为： （4） 分别为结构振动的位移、速度和加速度，而结构的运动方程为： （5）,膜结构的计算,文中质量矩阵m采用集中质量矩阵，阻尼矩阵c采用rayleigh阻尼，非线性的刚度矩阵k如前文所述，而荷载项p采用式（4）。显然，这是一个复杂的非线性动力方程组，不仅刚度矩阵是随位移变化而变化的，而且荷载项里还包含了结构的加速度和速度项。为此本文利用newmark法和newton-raphson迭代法的思想，推导了膜结构在风荷载作用下，考虑风与结构耦合作用的非线性动力增量平衡方程，最终整理得： （6）,膜结构的计算,（五）裁剪设计计算 膜结构的曲面经初始形态设计得到，一般为复杂不规则、不可展的空间曲面形式，而且是由有限元的离散节点构成。因此，这里存在一个如何将平面的膜材料拼接成空间曲面的裁剪设计问题。裁剪设计是膜结构设计中的一个关键问题。裁剪下料图的准确与否直接关系到施工安装后的平整度，也就是膜结构的静、动力计算的前提初始形态设计得到的初始状态与实际施工安装后是否吻合，进而影响静动力的计算结果。 本文发展建立了一种应用广义泛函变分取极值，得到膜结构曲面上的测地线，然后依据测地线计算裁剪线从而生成裁剪图的方法。具体方法详见文献1，其过程一般如下： 1、由初始形态设计程序求得膜结构的空间曲面离散点坐标。 2、根据建筑和结构上的要求确定测地线控制点的位置，计算出测地线轨迹坐标。这里建筑上的要求指的一是测地线的布置要美观；二是相邻两条测地线间距离要控制在膜材幅宽的范围内。而结构上的要求是要尽量避免结构在受荷时拉力大的方向与测地线方向垂直。 3、依据测地线求出裁剪线。 4、生成裁剪图。当然，最终的施工下料图还要考虑绳边索套，焊缝宽度及初始预张力、温度应力、徐变等因素的影响。,膜结构的优缺点,膜结构优点： 索膜结构是用高强度柔性薄膜材料经受其它材 料的拉压作用而形成的稳定曲面，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，节能、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。,膜结构的优缺点,膜结构优点： 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。,膜结构的优缺点,膜结构优点： 张拉膜结构(tesioned membrane structure) ， 是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索 共同构 成机构体系。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-广西北海度假村680 方开阔和谐。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。张 拉膜结构特别适合用来建造城市标志性建筑的屋 顶，如体育与娱乐性场馆，需有广告效应的商场、 餐厅等。城市的交通枢纽是城市命脉的关键性建 筑，使用功能要求建筑物各组成单元的标志明确。,膜结构的优缺点,膜结构优点： 因而近来年，这类建筑越来越多采用膜结构。建筑膜材料的 使用寿命为 25 年以上。在使用期间，在雪或风荷载作用下 均能保持材料的力学形态稳定不变。建成于 1973 年的美国 加州 la verne 大学的学生活动中心是已有 23 年历史的 张拉膜结构建筑跟踪测试与材料的加载与加速 气候变化 的试验，证明它的膜材料的力学性能与化学稳定性指标下降 了 20 至 30 ，但仍可正常使用。膜的表层光滑，具有 弹性，大气中的灰尘、化学物质的微粒极难附着与渗透，经 雨水的冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层与透光性。,膜结构的优缺点,膜结构优点： 张拉式膜结构 张拉整体结构（ tensegrity ）是由 一组连续的拉杆和连续的或不连续的压杆组合而成的 自应力、自支撑的状杆系结构，其中“不连续的压杆” 的含义是压杆的端部互不接触，即一个节点上只连接 一个压杆。 tensegrity 是美国建师 r.b.fuller 首 先提出的一种结构思想，他认为宇宙的运行就是按照 张拉整体的原理进行的，即万有引力是一个平衡的张 网，各个星球是这个网中的一个个 孤立点。这种结 构体系中的索网就相当于宇宙中的万有引力，独立的 受压杆件 相当于宇宙中的星球 20 世纪 60 年代随 着现代柔性建筑材料的发展，建筑师们从帐篷着一最 古老的简单建筑 结构出发，构造出了魔般的形式 膜结构。,膜结构的优缺点,膜结构优点： 它可以构成单曲面，多曲面等不同建筑结构形式，满足 了建筑师们对建筑与美学高度统一的要求。 柔性材料 具有透光和防紫外线功能，在一些室外建筑和环境小品 中得到广泛的应用。正是由于这一特征，夜间的灯光设 计使膜结构具有鲜明的环境标志特征。 优美造型的膜 材，不锈钢配件和紧固件加上设计轻巧合理，表面处理 严格的钢结构支撑，塑造出形式美观，设计合理的膜结 构，在当今世界范围内的建筑环境设计中占有举足轻重 的地位。,膜结构的优缺点,膜结构缺点： 主要缺点：耐久性差。 （现在的设计寿命可达年以上，处于临时性建筑永久性建筑的转变时期） 另一缺点：由于薄膜张力的连续性，局部的破坏就会造成整个薄膜结构的垮掉。,膜结构的特点,ptfe建筑膜材特点 etfe建筑膜材特点 玻纤pvc建筑膜材特点 膜结构建筑的特性,膜结构建筑的特点,膜结构建筑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，用膜结构可以创景观膜结构建筑造出传统建筑体系无法实现的设计方案。,膜结构建筑的特点,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、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。,膜结构建筑的特点,3、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。,膜结构建筑的特点,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。夜晚的灯光使膜结构建筑表现出强烈的雕塑感，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。,膜结构建筑的特点,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。,膜结构建筑的特点,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。,膜结构建筑的特点,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。,膜结构建筑的特点,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。,膜结构建筑的特点,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。,各建筑膜材特点的比较,玻纤pvc建筑膜材特点 纤有机硅树脂建筑膜材。有机硅树 脂具有优异的耐高、低温、拒水、 抗氧化等持点，该膜材具有高的抗 拉强度和弹性模量，另外还具有良 好的透光性。由于成本太高，现在 厂家很少使用。玻纤合成橡胶建筑 膜材。合成橡胶（如丁腈橡胶，氯 丁橡胶）韧性好，对阳光、臭氧、 热老化稳定，具有突出的耐磨损 性、耐化学性和阻燃性，可达到半 透明状态，但由于容易发黄，故一 般用于深色涂层。,ptfe建筑膜材特点 ptfe建筑膜材的最大特点是：重量轻、 强度高、防火难燃、自洁性好，不受紫 外线影响、抗疲劳、 耐扭曲、耐老 化、使用寿命长。具有高透光率，热吸 收量很少。正是因为这种跨时代的膜材 料的发明，使膜结构建筑成为现代化的 永久性建筑。 建筑膜材广泛应用于大 型公共设施：体育场馆的屋顶系统、机 场大厅、展览中心、站台、景观亭蓬 等。,各建筑膜材特点的比较,etfe建筑膜材特点 由etfe（乙烯-四氟乙烯共聚物）生料直接制成。etfe不仅具有 优良的抗冲击性能、电性能、热稳定性和耐化学腐蚀性，而且机械强度高，加工性能好。近年来，etfe膜材的应用在很多方面可以取代其他产品而表现出强大的优势和市场前景。这种膜材透光性特别好，号称“软玻璃”，质量轻，只有同等大小玻璃的1%；韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂，延展性大于400%；耐候性和耐化学腐蚀性强，熔融温度高达200；可有效的利用自然光，节约能源；良好的声学性能。自清洁功能使表面不易沾污，且雨水冲刷即可带走沾污的少量污物，清洁周期大约为5年。另外，etfe膜可在现成预制成薄膜气泡，方便施工和维修。etfe也有不足，如外界环境容易损坏材料而造成漏气，维护费用高等，但是随着大型体育馆、游客场所、候机大厅等的建设，etfe更突显自己的优势。目前生产这种膜材的公司很少，只有asahi（日本旭硝子）（agc）、德国科威尔等少数几家公司可以提供etfe膜材，这种膜材的研发和应用在国外发达国家也不过十几年的历史。,膜结构的应用与工程案例,膜结构的应用 膜结构工程案例水立方 膜结构工程案例上海体育馆,膜结构的应用,膜结构广泛应用领域： （a）体育设施：体育场、游泳馆、网球馆、溜冰场等； （b）交通设施；公路收费站、加油站、停车场、人行天桥、地铁入口等； （c）文化设施：表演场、会展中心、俱乐部等； （d）娱乐设施：公园入口、舞台、音乐广场、渡假村、海豚表演馆； （e）商业设施：商业步行街、商业广场、商场入口； （f）景观小品及标志性建筑：绿化带小品、海滨休闲小品、花园小品等。,膜结构工程案例水立方,膜结构建筑是21世纪最具代表性的一种全新的建筑形式，至今已成为大跨度空间建筑的主要形式之一。它集建筑学、结构力学、精细化工、材料科学与计算机技术等为一体，建造出具有标志性的空间结构形式，它不仅体现出结构的力量美，还充分表现出建筑师的设想，享受大自