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膜结构 第九章 10城规 19组 杨博弈 演讲人 帖慧超陈曦 膜结构概述 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 膜结构可分为两种 充气膜结构 充气结构是向膜内充气 用空气压力支撑膜面 包括气压式 气承式 混合式 气枕式 如图 1970日本世博富士馆 支承膜结构 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 有柔性支承膜 刚性支承膜 如图 威海体育馆 膜结构建筑特点简要分析 膜结构建筑具有轻盈 纤薄 柔软的质感 给人耳目一新的感觉 薄膜结构轻质 柔软 不透气 不透水 耐火性好 防污自洁 透光率好 多用于体育建筑 商场 展览会场交通服务设施等大跨度建筑中 膜结构特点 优点 1 膜材料具有优良的力学特性2 膜结构透光自洁 减少能源消耗 降低维护费用3膜结构使用范围广 可拆卸 容易运输 适用于广阔的地域 缺点 1 耐久性差2 薄膜张力差 局部破坏会造成整个膜结构垮掉3 隔声和隔热效果较差 优点详解 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 优点详解 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 优点详解 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 优点详解 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LaVerne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 优点详解 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 优点详解 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 优点详解 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 优点详解 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 优点详解 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 薄膜材料的组成和分类 1 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 2 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 3 改进后PVC建筑膜材PVF特点改进后 寿命可达到15年 PVF具有高效防止沾污 耐久性的特点 但是加工性和施工性与防火性都不佳 所以使用途受到限制 目前用量较大的事PVDF膜材 其基本达到了难燃的水平 4 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 充气膜结构 充气膜结构分为气压式 七承式 混合式和气枕式 其区别主要在于其工作原理 结构和使用特点 气压膜结构 气压式膜结构也称为气囊式膜结构或气胀式膜结构 它是在若干充气肋或充气被的密闭空间内保持高于大气压的空气压力 以保证其支承能力的结构 其工作原理与轮胎 救生圈相似 气压式膜结构课直接落地构成建筑空间薄膜裁剪制作成传统结构的构架形式 如 梁 柱 拱等 气压式膜结构有两种型式 即气肋结构和气被结构 气肋结构 向特定形状的封闭式气囊内充入一定压力的气体 使之形成具有一定刚度和形状的结构或构件 再由这样的构件相互联结形成使用空间 气被式 在双层的薄膜之间充入空气 两层薄膜用线或隔膜连接器来 这种型式的结构中可以充入较大的凄凉 其适用跨度比棋类结构大得多 安徽芜湖体育场膜结构罩篷 芜湖体育场篷盖工程 可容纳6万多名观众 膜结构投影面积20791平方米 采用张拉整体式索膜结构形式 由主桁架拱 斜撑桁架 中心环索及斜拉索组成完整的空间受力体系 而膜单元则通过谷索 脊索和边索的张拉作用成型 由高到底共40个单元 主桁架拱跨度达254米 最大跨高67米 最大前挑出长度31米 气承式膜结构 气承式膜结构是靠不断地向壳体内鼓风 在较高的室内气压作用下使其自行撑起 以承受自重和外荷载的结构 其工作原理和热气球相似 一般采用沿周边布置砂包 或沿四周及对角线方向布置拉索的方法 来保证屋盖结构的整体稳定性 气承式膜结构优点 优点 建造速度快 结构简单 使用安全可靠 价格低廉 其对材料的气密性要求不高 在内部安装拉索的情况下起跨度和面积可以无限制地扩大 主要用于修建仓储设施和体育馆屋顶 有用于展览馆和建筑安装工地顶盖 气承式膜结构的承载能力依赖于支撑薄膜的气压 与地面锚固的手段及进出建筑的方式 气承式重启结构需要长期不间断地向室内送风 以保证适当的室内外气压差 因此需要有一整套加压送风的机械 控制系统和长期的能源消耗 另一方面 又要沿充气结构四周设砂包加压或设拉索拉锚 以保证充气结构的稳定性 在出入口要进行适当的布置 以防止空气从出入口泄露 这就使得结构设计复杂化 也给使用带来不便 在覆盖面积较大时 要求膜材有很高的强度 而是提高薄膜强度 掩之新型材料 在技术上是可行的 但经济上不可行 较合理的方法是增加拉索系统 拉索布置应考虑覆盖面积 平面形状 支撑结构的型式等因素 可以是单向也可以是双向 相互交叉的钢索构成正方形或菱形网格 东京巨蛋 日语 東京 TokyoDome 位于日本东京文京区 是一座有55 000个座位的多功能体育馆 也是日本第一座巨蛋型球场 同时是日本职棒读卖巨人的主场 曾经举办过篮球与美式足球比赛 还有职业摔角 综合武术 K 1赛事或音乐表演 其蛋型屋顶为具弹性的薄膜 一般会把巨蛋内的气压控制在比巨蛋外高0 3 以维持蛋顶外型 东京充气棒球馆 混合式充气膜结构混合式结构有两种形式 第一种是将气压式膜结构与气承式膜结构混合 这样既发挥了气承结构的跨度大的优点又利用了双层薄膜性能好的特点 由于是从两个方面获得结构的稳定 结构防止倒塌的安全性有所提高 第二类是将充气结构与其他传统的建筑结构相结合 其变化是无穷的 熊本县民综合运动公园陆上竞技场是一个位于日本熊本的多用途体育馆 熊本县民综合运动公园陆上竞技场目前主要用于举办足球比赛 有时也举办橄榄球顶级联赛 熊本县民综合运动公园陆上竞技场目前是日本职业足球联赛的熊本罗亚素足球俱乐部的主场 熊本县民综合运动公园陆上竞技场能够容纳32000名观众 熊本罗亚素足球俱乐部 熊本 RoassoKumamoto 是位于熊本县熊本市的足球会 在夺得日本足球联赛亚军后 球会得到升级资格并会在2008年的日本职业足球乙级联赛中作赛 球队的主色为红色 1 气枕式膜结构 气枕结构是充气膜结构的一种 他是由上下两膜片及内部气体构成 气枕的内压是薄膜产生张力 生成初始形状并提供气枕刚度 承受外荷载的作用 外部荷载作用在上膜片 通过对气枕内压的影响将何在作用传递到下膜片 实现气枕结构的整体作用 气枕结构的受力性能气枕所受外荷载主要为风荷载 雪荷载 此外还收到温度变化及徐变等作用 有理想气体状态方程PV nRT可知 在奇珍内没有充气或放气时 内压P与体积V的乘积与温度T成正比 水立方 水立方 不仅是一幢优美和复杂的建筑 她还能激发人们的灵感和热情 丰富人们的生活 为人们提供记忆的载体 因此设计中不仅利用水的装饰作用 同时还利用其独特的微观结构 采用在整个建筑内外层包裹的ETFE膜 乙烯 四氟乙烯共聚物 是一种轻质新型材料 具有有效的热学性能和透光性 可以调节室内环境 冬季保温 夏季散热 而且还会避免建筑结构受到游泳中心内部环境的侵蚀 更神奇的是 如果ETFE膜有一个破洞 不必更换 只需打上一块补丁 它便会自行愈合 过一段时间就会恢复原貌 国际上在建筑使用膜结构时 多用的是PTFE膜 这是一种纤维材料 特点是不透明 但是 使用技术比较成熟 而 水立方 使用的是ETFE膜 这是一种透明膜 能为场馆内带来更多的自然光 在国内对这种薄膜结构的理论研究几乎就是空白 2006年德国世界杯主要赛场之一的慕尼黑安联体育场也使用了ETFE气枕式外墙 但与水立方相比 两者的区别在于 德国安联体育场的气枕覆盖面积为6万平方米 而水立方则达到为10万平方米 安联运动场是单层气枕并且是规则排列的 水立方则是双层气枕 并且几乎没有形状相同的两个气枕 按照设计方案 水立方的内外立面膜结构共由3065个气枕组成 其中最小的1 2平方米 最大的达到70平方米 覆盖面积达到10万平方米 展开面积达到26万平方米 是世界上规模最大的膜结构工程 也是惟一一个完全由膜结构来进行全封闭的大型公共建筑 无论对设计还是施工 使用都是一个极大的挑战 对ETFE膜的材料 通风空调 防火 声 光 电的控制等技术提出了一个难度很大的课题 支承膜结构 1 柔性支承膜结构 2 刚性支承膜结构 沙特阿拉伯法赫德国际体育馆 上海八万人体育馆 柔性支承膜结构 柔性支承膜结构又称为张拉式膜结构或者悬挂式膜结构 是从帐篷结构得到启发发展而来的 它采用桅杆 拱 拉索等支撑结构将薄膜张挂起来 利用柔性索向膜面十佳张力将膜绷紧 形成稳定的薄膜屋盖 造型新颖 适合于中小跨度的建筑物 结构示意图 威海体育中心体育场 刚性支承膜结构 刚性支承膜结构又称为骨架支承膜结构 它是利用拱 钢架 空间网格结构 张拉整体结构等刚性骨架来支撑薄膜 实际上是以膜材料作为上述屋盖结构的屋面覆盖层 使屋面自重可以大大减轻 而且构造也比较简单 适合于各类大跨度建筑 结构示意图 上海八万人体育场 膜结构案例分析 坐落在海边的迪拜酒店宛如一