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景观张拉膜结构的材料特性与概念设计 南京师范大学美术学院09环艺陈骋 12090750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。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。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。建成於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著与渗透，经雨水的冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层与透光性。“只有正确表达结构逻辑的建筑才有强大的说服力与表现力”这句话揭示了张拉膜结构的精髓。对于张拉膜结构，任何附加的支撑和修饰都是多余的，其结构本身就是造型；换句话说，不符合结构的造型是不可能的，因为那样的薄膜不是飘动的就是缺乏稳定性的。张拉膜结构的美就在于其“力”与“形”的完美结合。 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）。要了解张拉膜，就首先了解一下膜材与膜结构。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”。膜材本身受压不大，抗弯也不是很好，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。同时膜材又是一种耐用、高强度的 涂层织物，由织物和涂层复合而成，具有质地柔韧、厚度小、重量轻、透 光性好的特点。对自然光有反射、吸收和透射能力，它不燃、难燃或阻燃， 具有良好的耐久、防火、气密等特性；表面经过氟素处理的膜材抗老化性 好，具有较好的自洁性能。1、建筑造型优美：膜结构建筑是 21 世纪最具代表性与充满前途的建筑形 式。它打破了纯直线建筑形式的模式，以其独有的优美曲面造型，简洁、 明快、刚与柔、力与美的完美组合，呈现给人以耳目一新的感受，同时给 建筑设计师提供了更大的想象和创造空间。 2、具有良好的透光性与自洁性：膜材料表面采用 PVDF（聚偏二氟乙烯） 涂层，具有较好的隔热性能，对太阳热能可反射掉 70%，膜材本身吸收了 17%，传热仅 13%，而透光率却有 20%，自洁性能很好。经过 10 年的太 阳光直接照射，其辉度仍能保留 70%。3、 能覆盖大跨度空间： 膜结构中所使用的膜材料每平方米重量仅有一公斤 左右，由于自重轻，加上钢索、钢结构高强度材料的采用，与受力体系简 洁合理力大部分以轴力传递，故使膜结构能跨越大空间而形成开阔的 无柱大跨度结构体系4、 防火性与抗震性： 膜结构建筑所采用的膜材具有卓越的阻燃性和耐高温 性，故能很好的满足防火要求。由于结构自重轻，又为柔性结构且有较大 变形能力，故抗震性能好。 5、 施式周期短：膜材裁剪、拼合成形及骨架的钢结构、钢索均在工厂加工制作，现场仅需组装，施工简便，故施工周期比传统建筑短。6、应用领域广泛。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。下面就要开始关于张拉膜结构整体结构的介绍。“张拉整体”（Tensegrity）概念是美国著名建筑师富勒（R.B.Fuller）的发明，这旨“张拉”（tensile）和“整体”（integrity）的缩合。一社概念的产生受到了大自然的启发。富勒认为宇宙的运行是按照张拉一只析原理进行的，即万有引力是一个平衡的张力网，而各个星球是这个网中的一个个孤立点。按照这个思想张拉整体结构可定义为一组不连续的受压构件与一套连续的受拉单元组成的自支承、自应力的空间网格结构。这种结构的刚度由受拉和受压单元之间的平衡预应力提供，在施加预应力之前，结构几乎没有刚度，并且初始预应力的大小对结构的外形和结构的刚度起着决定性作用。由于张拉整体结构固有的符合自然规律的特点，最在限度地利用了材料和截面的特性，可以用尽量少的钢材建造超大跨度建筑。对于张拉整体结构的研究开始于40多年前，从最初的设想到工程实践大约经历了以下几个阶段：想象和几何学、拓扑和图形分析、力学分析及试验研究。其中力学分析包括找形、自就历程准则、工作机理工科稳步力作用下的性能等。张拉整体结构的几何形状同时依赖于构件的初始几何形状、关联结构（拓扑）及形成一定刚度的自应力的存在。另外这种结构在外力作用下的变形（与自应力的效果不同）也提出了其它结构问题，首先它属于临界类体系，结构在外荷载过程中刚度不断发生变化，传力途径也就随之改变；其次这种结构只能在考虑了几何非线性甚至材料非线性时才能分析。张拉膜结构的设计。由于其自身的特点不同于一般传统结构形式，技术上必须经过如下四个步骤：1 建筑方案设计(Architecture design)，建筑师根据业主的意图、功能要求、环境条件等初步确定建筑的平面形状尺寸、空间形式及三维造型、净空体量等，基本确定各控制点的坐标。考虑经济和施工工艺等技术条件，与膜结构工程师、业主及施工技术人员等一起确定经济合理的初步设计方案。2 找形分析（Form-finding）， 预应力值及对于索膜结构而言，在没有施加预应力之前，是没有结构刚度的，也就是说膜结构任何时候不存在无应力状态。由于膜材料本身没有抗弯刚度，其曲面形状与预应力值的大小和分布是一一对应的，因此在控制点坐标确定后，给定一合理的预应力值及其分布，才能确定合适的膜曲面形状。预应力值的大小与分布是需根据多方面的条件进行反复调整后综合确定的，这个过程叫做找形分析。此过程与方案设计过程往往密不可分，往往需反复调整方可即满足建筑形状的要求又保证结构的经济合理及安全可靠。3 荷载分析(Load-analysis)，膜结构的控制荷载通常是风载和雪载。在荷载作用下膜结构的变形较大，因此精确计算结构的变形和应力分布要用几何非线性的方法进行。根据不同工况下计算出的索、膜、梁、杆等结构构件中的内力分布的最不利节点做法及构造措施等。因此，经济安全的索膜建筑必须经过仔细的内力分析后才能完成，不是凭经验拍脑袋就能确定得了的。荷载分析的另一目的是检验确定索、膜中初始预应力，一般来说在找形分析时先根据经验假定一预应力值及其分布，然后经荷载分析来判定其合理性，即预应力的大小与分布应使在最不利工况下必须满足使用要求、整体和局部位移要求及排水功能等要求。4 剪裁分析(Patterning or Cutting)，剪裁分析就是在预应力状态下的曲面形体上寻求合理的裁剪线位置及其分布，然后按照一定的方法将三维曲面展开为二维平面。为物尽其用，一般要按照膜材料幅宽进行裁剪，但要兼顾到膜曲面曲率变化情况。由于膜材料具有双向异性性质，故裁剪线的布置要与计算时所设定的膜材经纬向一致，才能保证计算结果与实际相符。膜材料的裁剪下料通常是在无应力状态下进行的，如何在预应力的形体上进行无应力状态下的裁剪分析，国内外学者都已进行了较为深入的研究，提出了诸如几何法、最小二乘法、动态规划法与平面热应力原理相结合的有限单元法等多种方法。张拉膜安装施工的方案结构施工。首先是现场拼装前的准备工作，第一在第一节准备发运前一周将工厂自备的工具设备运输到现场，并实现水通、电通、路通。第二是将同车运到的配套胎架划线、定位、复验并焊接固定。其次是构件现场验收依据设计图纸和有关规范、构件进入安装现场后，应对其标记、数量、外观质量进行仔细检查，并做好检查验收记录。对不合格的构件，决不允许验收和进入安装工序。构件临时堆放。构件进场验收合格后，应选择平实较高的地段作为临时堆放的场地。放置构件时，在下面垫上足够数量的垫木，以防产生变形。构件要分类堆放，以便于查找。构件的二次倒运。把构件由堆放场地向拼装场地进行二次倒运时，要选择合理的吊点并采取必要的措施，以免损伤或损坏构件。再者安装工艺方案，地面工作平台进行现场安装的工作。第一各构件或组件在安装前，要对其标记、几何尺寸、安装孔距等进行认真的检查，确认无误后，方可安装;第二校核测量预埋件的埋设精度是否与设计图纸一致；第三将配套胎架和临时吊装支架吊装上楼顶并配置到位；第四将桅杆分段及其它散件用汽车吊吊上；第五在安装好桅杆上的膜张紧装置后刚性连接牢固；第六将中间的与桅杆相连的桅杆和临时吊装支架安装到位，然后将其它两道横向桁架拼装成型，用临时支架固定在各自的预定位置；第七从中部开始向两边，逐次将纵向架安装到位并点焊定位。在精确测量位置、形状、相对距离等参数无误后进行定位焊接；第八待全部焊接工作结束24小时后，进行整个构架的完工测量并向甲方监理人员报检。第二大块涂装工艺，本工程采用新型特种防腐涂料无溶剂液体环氧重防腐涂料。无溶剂液体环氧重防腐涂料除具有溶剂型环氧煤沥表优良的抗微生物腐蚀，优异的化学稳定性外，具有以下突出特性：第一良好抗渗透性，吸水率极低；第二粘结强度大，耐阴极剥离性能优异；第三施工中无溶剂挥发，有效消除针孔弊病；第四一次成膜厚，施工效率高； 第五涂料为非易燃、易爆品，施工安全卫生。为了缩短施工周期。采用钢桁架加工厂进行整体涂装，运输、安装完毕后在进行补漆。1、除锈要求为了获得良好的漆膜保护性能和表面处理效果，焊接后先行做以下工作：（1）.金属表面应无油污，喷砂除锈表面应达到Sa25级，锚纹深度50m左右；若限于条件，也可手工除锈，但必须达到St3级。清除钢铁面灰尘。混凝土表面应用钢丝刷处理，要求达到无粉尘、无油污、无水分、无碱性。修补咬边，清除焊接飞溅、焊渣。（2）.切割边、钻孔、冲孔的尖锐棱角打磨，圆角半径2mm。（3）.切割边、钻孔、冲孔的尖锐棱角打磨，圆角半径2mm。（4）.塔架表面应无凸起、无孔洞、无压痕，适于喷漆。（5）.喷砂处理前钢材表面的油污和其他污物清理干净。2、涂装施工（1）.涂料配制：BH100涂料为双组分，A组分为涂料的主要成分，B组分为固化剂。该涂料A、B组分按比例搅拌均匀以后即可进行施工。 将原固定配比包装的涂料双组分混合搅拌在一起，充分搅拌均匀后即可涂刷；或按使用量多少以A组分：B组分=100：1015进行混配搅匀。根据气温情况，静置0-30分钟后进行涂刷。（2）.涂装施工：涂料可采用高压无气喷涂，刷涂等方法涂装。下一道漆应在一道漆表干后涂敷。涂料应在规定时间内用完，涂料粘度过大时可加入不超过3的溶剂稀释。或如果漆膜完全固化，应打毛后再涂刷下一道漆。（3）.整个涂装过程中钢板表面温度最低应高于露点温度3以上，空气的相对湿度不超过85。（4）.喷漆前焊缝等难以喷到的位置应先预涂，以保证漆膜厚度达到规定要求。（5）.油漆的施工及施工条件应严格按涂料生产厂家产品说明书的技术要求实施。（6）.涂装后道油漆前，如超过规定的最大重涂间隔时间，应用砂纸将表面拉毛后清洁表面，然后再喷涂下一道油漆。（7）.每个架涂装完成后，必须等油漆干硬后才可进行吊运，或允许工人进行其他作业。3、涂层修补（1）.在运输或装配过程中造成的涂层损坏应在抵达现场适当时间内修补。（2）.现场修补时的天气情况、油漆的各项技术参数应符合油漆说明书要求或遵从油漆技术代表指导。（3）.涂装质量要求及检验方法（4）.涂装表面不能出现气泡、小孔、废渣，运输过程不能出现刮伤、剥落现象。（5）.面漆的光泽度为3040。（6）.施工单位应对涂装的全过程进行记录，其中包括：涂装环境、表面处理等级、施工方法、干膜厚度、工作时间、施工日期及操作者等等。三、膜布安装工艺流程1、施工准备（1）.检查现场的机器设备是否安全；（2）.召集现场工人讲话，讲解安装步骤及注意事项；（3）.清理工作场所和中心地带为膜布张开做准备；（4）.检查钢结构上的中心楔眼是否与膜布的模型相吻合；（5）.封闭接近现场道路，如需要可放置栅栏：（6）.检查场地上的新材料，是否分门别类，放在清洁通风的地方；（7）.审查材料，保证所有的材料完全合格到达现场，同时清除不合格的材料2、架设脚手架根据现场施工情况架设脚手架至距顶1米处；3、膜布准备（1）.把膜布打开放在清洁的防潮布上；（2）.把膜对折在半个纵带上，然后夹住膜布使其成自由状；（3）.膜材临时就位。（4）.保证所有的调整都有利；（5）.把索系在较低的底部，以保证绳索系索具的末端：（6）.插入边缘绳索，与膜布相配合；（7）.把绳索系在膜布的角上；（8）.把绳索系在较高点的一头，让这些绳索超过膜布；（9）.使钢结构上的插销与膜布上的金属板相配合：（10）.检查所有的插销是否达到了设计上的要求；（11）.检查所有的支索、设备及附件是否爪确；（12）.清洗膜布；（13）.落实审查所有的零件是否到位，同时清理杂物。4、铺膜（1）.将膜吊至铺装位置。（2）.用索扣固定牢固，保持织物的松持状态。（3）.将松散的膜和脊索分别拉至四周的接点处。（4）.连接四周的接点板并安装索扣将其固定牢固。注意膜保持在松持的状态5、张拉（1）.检查接触表面、所有的钢膜结构部位是否连接牢固。（2）.将膜铺至指定位置，同时注意配合协调，保持其稳定性（3）.完毕后，用索扣将其牢固固定。（4）.最后戴上压条。张拉膜结构还需要定期进行维护。需要维护的频度由设计、 功能、 美观、 材料和场地环境等许多因素决定， 维护的频度从“几乎不用维护”到“定期维护”不等。为了满足客户需求，维护的概念 设计应该纳入到统一的设计过程中。一年一次的目测检查和恶劣天气之后的随时检查应 该满足的最低要求。 需要考虑的六种典型维护要求如下面各小节所述。 清洁膜面上污垢的堆积与当地的环境条件、膜材特性和膜面的形状有关。从技术的角度看，膜结构不一定需要清洗。对于大多数膜材而言，清洗不能延长其工作寿命，相反， 不恰当的清洗还会缩短其寿命。