气膜建筑结构的设计与发展(2013-6-8).doc

气膜结构建筑形式的设计与发展作者 焦亮有一大类建筑形式是应用气体冲压进入一个柔性的封闭材料里，使其成为坚硬和稳定的建筑结构，一般这种形式都归属于“冲压气膜建筑结构”。如：单层的或是气球一样的结构里面充满气体并始终保持与外部环境微量的压力差，这种建筑结构一般称为气承式膜结构。双层膜组成的如管柱式或小隔室组成的不同形状承压的膜结构形式，(一般应用空间是不承压的)通常叫做气肋式膜结构。这篇文章主要讨论单层式的气承式膜结构， 这种结构包换四个基本组成部分：围护结构、锚固结构、充气装置、建筑用门（图1）。这些组件的选择和配备应严格符合设计标准，只有这样才能保证运营和操作的安全性。Figure 1. Typical single-wall air-supported structure气膜建筑的发展史1917年英格兰人F. W. Lanchester首选申请了气膜建筑的一个专利1946年美国空军需要一种新式装备在北极区应用于雷达天线罩。航空专家Walter Bird带领他的团队设计、建造了并成功实验出样品，这种被称作气膜式雷达天线罩。到1954年上百个这种雷达天线罩分布在美国和加拿大。十年之后1956年初，Walter Bird和他的一些同事成立了一个加工公司专门促进气膜建筑的研发和商业应用。随着其他竞争对手的加入，一个新的工业协会在美国成立了，他就是ASMSA（气膜建筑加工和应用协会），这个协会随后促进并编写了第一个气膜建筑的行业标准。气膜建筑的主要应用由于重量的原因气膜建筑是最高效的建筑结构形式之一，不仅仅是建造成本低廉，而且由于柔性材料的巨大张力决定了气膜建筑建设周期的快捷性。但是气膜建筑也有自己的弱点，如必须保证充气装置的24小时电源连通性，人员和货物进出必须通过一套气锁门才能进出；建筑膜材的寿命只有30年，短于一般建筑材料。大跨度建筑体系中只有气膜建筑能够实现无梁无柱完全纯净空跨度达到180米。完全依靠气压支撑不需要柱和梁作辅助支撑，这种结构可以达到超常的高度。在美国马萨诸塞州安多弗、缅因州都有高度超过16层楼高的气膜建筑结构。气承式膜结构建筑除了应用于天线的围护结构(天线罩)、临时的仓库、就地储存库、物料遮盖仓库、建筑的围护结构、游泳馆以及其他体育娱乐馆、展览馆、室内避难场所等。这些应用一般都是应用了气承式膜结构的基本特性，便携式、可移动和速度快和拆解容易。气承式膜结构建筑结构外形和设计外形必须清楚认识到气膜建筑外形的局限性。气膜建筑外部结构的每一个点的受力须保持均衡，这样才能保证气膜建筑在外部荷载的作用下不会发生跨塌。如果这些条件在设计和构造过程中无法满足的情况下，气承式膜结构体上会出现皱褶，整体会变形直致新的建筑平衡实现。建筑结构的变形不仅仅是建筑外形难看这么简单，更重要的是应力集中（stress concentrations）现象的发生会直接导致气膜建筑围护结构的破裂和解体。最常见的气承式膜结构的外形是半球体或者半圆柱体两边是四分之一球体。其实只要建筑主体依同一轴线设计气承式膜结构建筑可以适用于任何形状。结构气承式膜结构的围护体上所承受的核载主要有内部充气压力和风压(空气动力)核载。产生在围护结构体上的压力梯度变化主要依据烟囱效应进行分布。但是这种现象只发生在寒冷冬季里气承式膜结构体室内部温度很高的情形下。很多气承式膜结构都是依照能满足最严酷的环境条件进行设计的，设计容余指标都需要设定很高才能保证五十年以上风核载作用下气膜建筑安全运营。为了保证建筑结构的经济性和安全性，需要进行更精确的应力分析。膜体的应力分布情况需要借助风洞实验来测试不同点的压力变化，试验出适用于不同形状下的膜材指标。美国人已在1964到1969年已在风洞中有了相关的试验数据，我们可以直接引用。应力值直接反映出风核载。所选择的膜材一定要适应设计的应力值，其他指标也要满足建筑结构的需求，比如：膜材受力强度的一致性、耐温性、拉伸强度、应力变化范围和抗撕裂强度等。这部分指标一般膜材的生产厂家会提供。气承式膜结构的不稳定因素有，偏转、摆动等带来的气膜建筑整体的移动，解决这方面的问题需要了解膜材的孔隙变化和围护结构的内部压力之间的关系。通过试验提示出当内部压力等于或大于动态或风驻点的风压时，整体结构就会表现出高度的稳定性和抗偏转能力。材料膜材的指标高低决定了气承式膜结构建筑质量的好坏。膜材的某些指标必须满足气膜建筑30年跨度的要求这些指标包括：经纬度的拉力系数、撕裂强度、涂层的耐老化程度、耐温性、包括紫外线的反射率、耐磨性和长时间暴露在环境中的物理特性、膜材的焊接强度、耐火实验确定的指标、透光性等。充气装置气膜建筑只需要很小的压力就可以支持整个建筑系统。大约一英寸的水柱的压力或0.036P.s.i即可。为了表现出其的压力值，当人脸感觉到有风吹到脸上时，就有大约30英寸水柱压力吹出来。汽车轮胎有800英寸水柱的压力。只有当人打开进入气膜建筑的门时才能感觉到气膜建筑里面的压力。充气压力越大，气膜建筑的就越稳定抗风能力也越强。实际上，气膜建筑所需要压力是根据风压和风速来设计的。基于广泛的风洞试验，根据ASMSA的标准最小的充气压力值50%的动态风压。美国的标准是需要抵抗60-70MPH的风速（压差为1英寸水柱）。加拿大的国家标准要求气压要抵抗当地最大风速。因而不同地点的气膜建筑所需要的风压可能是不同的。风机的容量应当按以下标准设计1、 估计整个建筑的漏气量。包括圈梁、门洞和出风口（一般为1英寸水柱下，圈梁的漏气量为10 cuft/min per，门的漏气量为200 cuft/min per、通风口的漏气量为2400 x A cfm：A是所有通风口的平方英尺。2、 一个人需要30 cuft/min 的新风量3、 需要的通风次数是依设计要求进行的初始的充气量依据风机的提供人的数量确定的，一个人大约需要30平方英尺。还需要考虑门和风口的数量以及漏气量。一般风机的容量配置还要比测算的数量超一倍才能保证建筑的安全。另外需要设置两套一样的风机，一用一备，当其中一台风机发生故障