建筑结构选型18-膜结构

1、建筑结构选型第18章 膜结构8/30/20221李广军 1 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. ，是依靠膜材自身的张拉力和特殊的几何形状而构成的稳定的承力体系。膜只能承受拉力而不能受压和弯曲，其曲面稳定性是依靠互反向的曲率来保障，因此需制作成凹凸的空间曲面，故习惯上又称空间膜结构。 8/30/20222李广军 2 膜结构的分类 根据膜结构按结构受力特性大致可分为充

2、气式膜结构、张拉式膜结构（Tension/Suspension membrane structure）、骨架式膜结构（Frame membrane structure，Cable dome membrane structure）、组合式膜结构（Compound membrane structure）等几大类。8/30/20223李广军1、造型的艺术性。2、良好的自洁性。3、施工的快捷性。4、较好的经济性。5、 结构自重轻，非常适合于建造大跨度空间结构。 3 膜结构具有以下优点：8/30/20224李广军4 膜材介绍膜材料的组成和分类 膜材就是氟塑料表面涂层与织物布基按照特定的工艺粘合在一起的薄

3、膜材料。常用的氟素材料涂层有PTFE（聚四氟乙烯）、PVDF（聚偏氟乙烯）、PVC（聚氯乙烯）等。织物布基主要用聚酯长丝（涤纶PES）和玻璃纤维有两种。8/30/20225李广军 膜结构建筑中最常用的膜材料有PTFE（聚四氟乙烯）膜材料和PVDF（聚偏氟乙烯）膜材料两种 。8/30/20226李广军 PTFE膜材料是指在极细的玻璃纤维编织成的基布上涂覆PTFE（聚四氟乙烯）而形成的复合材料。 8/30/20227李广军 PVDF膜材料是指在聚脂纤维编织的基布上涂覆PVC（聚氯乙烯）后再加100%PVDF（聚偏氟乙烯）表面涂层而形成的复合材料。8/30/20228李广军 膜材料的性质 ： 膜作为

4、继木材、砖石、金属、混凝土之后的第五代建筑结构材料，具有显著的自身特性。第一代木材和第三代钢材拉压性能均良好，第二代砖石和第四代混凝土则只具备良好的抗压能力，作为第五代的膜材料则只能受拉，没有承压和抗弯曲能力，这是膜的最本质的特征。8/30/20229李广军（1）拉伸性能 （2）撕裂强度 （3）正交异向性 （4）蠕变和松弛 （5）非力学性质 具体地讲，膜材的主要特征如下： 8/30/202210李广军5 施工工序 1.基础及承重钢构工程 2.搭设脚手架 3.现场除锈打磨 8/30/202211李广军4.钢结构的拼装 5.喷刷面漆 6.钢构件吊装 7.膜材吊装 8/30/202212李广军8.压

5、膜边 9.帽口固定 10.工程竣工 8/30/202213李广军6 与膜结合的结构大致有下述几类:纯钢拱形结构混凝土结构主体加钢拱混凝土主体结构加钢索混凝土主体结构加钢柱钢索穹顶8/30/202214李广军7 膜 应 用 领 域： 体育设施： 体育场、健身中心、游泳馆、网球 馆、 篮球馆等。 商业设施： 商场、购物中心、大型会展场所、 餐厅、酒店（挑檐）等。 文化设施： 展览中心、剧院、会议厅、博物馆、植物园、水族馆、音乐广场等。 交通设施： 机场、火车站、公交车站、收费站、码头、加油站、天桥连廊等。 工业设施： 工厂、仓库、科研中心、处理中心、温室、物流中心等。 景观设施： 建筑入口、标志性

6、建筑或景观性小品、广场休闲区、海滨娱乐休闲建筑、居住小区、游乐场、步行街、停车场、楼宇屋顶改造更新等。8/30/202215李广军膜结构应用实景（1）收费站天棚类 8/30/202216李广军（2）运动场馆体育看台类 8/30/202217李广军（3）停车棚类 8/30/202218李广军（4）建筑入口类 8/30/202219李广军（5）景观小品类8/30/202220李广军（6）室内张拉膜 8/30/202221李广军（7）屋面、舞台、剧场 8/30/202222李广军（8）充气膜结构 8/30/202223李广军（9）其他应用实景一览 8/30/202224李广军 膜结构是建筑结构中最新

7、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。 自从上世纪七十年代以来，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。8/30/202225李广军一、结构特点形状多样自重轻抗震性好跨度大充分利用自然光节能自洁性施工快8/30/202226李广军二、膜结构应用领域文化设施展览中心、剧场、博物馆等 体育设施体育馆、游泳馆等商业设施购物中心、酒店、商业街等交通设施机场、火车站、收费站、码头等工业设施工

8、厂、温室、物流中心等景观设施建筑入口、小品、停车场等8/30/202227李广军整体张拉膜和索系支承式：膜结构的代表与精华。全名为骨架支撑式膜结构。由钢结构为承重骨架，在骨架上按设计要求张紧膜材。三、膜结构的分类张拉膜框架膜8/30/202228李广军全名气膜建筑结构，又称谓充气膜结构。空间密闭，配置智能和机电控制系统，靠内外气压差保持纤维膜的张力形成设计要求的曲面，形成建筑物主体。室内无需任何框架或支撑，可轻松长达120米的建筑跨度。气膜8/30/202229李广军1）安全智能气膜建筑系统可达到抵御150英里/小时的飓风和50磅/平方英尺的积雪。最小设计风速为80英里/小时(36米/秒)设计

9、，可有效抵御飓风，保证建筑的安全性。柔性的材料，没有受弯、受扭和受压的构件，在抗风、抗震、温度变形、沉降变形等表现优异，并有效地吸收风荷与震波加速度。四、气膜建筑的优势特点8/30/202230李广军2）保温隔热 在外膜和内衬之间填充玻璃纤维保温棉，防寒隔热，空调暖气能耗仅为传统建筑的1/10-1/4，总体节能75%以上，使建筑能耗降低，改善建筑内部隔音效果，提供舒适的恒温恒湿的环境。8/30/202231李广军3）经济适用现场施工时间不超过一周，是最节省现场施工管理的建筑形式。保证30年的正常运营。可迁移，并可在异地多次重复安装充气重复利用。还可以在原有长度的基础上加长。8/30/20223

10、2李广军4）舒适性高微风送风系统，室内超静气流，恒温恒湿。室内自然采光，漫射光照度均匀，效果优良且节约能耗。每小时6-16次的通风次数保证室内空气的新鲜。双层膜材设计静止空气空间隔离层, 改善内部的音响效果。多种颜色选择，利用内部两种颜色内膜形成色彩对比。8/30/202233李广军内部无梁无柱，最大跨度可达120米，最大高度可达50米。自重轻每平米自重不超过5公斤，相当于轻钢结构屋面自重的1/45。5）内部净空大、自重小8/30/202234李广军深圳东部华侨城大侠谷儿童乐园是中国首个气膜结构室内儿童乐园,项目已于2008年7月底峻工,该乐园内有旋转木马、青蛙跳和恐龙跳等多项儿童游乐设施，采

11、用先进的充气膜建筑，充份体现了其高跨比，大空间无梁柱，自重轻等多种特点。8/30/202235李广军朝阳体育馆网球中心8/30/202236李广军张拉膜结构膜结构(Membrane Structure )8/30/202237李广军膜 结 构Membrane structures1.充气膜结构 Pneumatic Structures（1）气承式膜结构Air-Supported Membrane Structures（2）气囊式膜结构Air-Inflated Membrane Structures2.张拉式膜结构 Tensioned Membrane Structures 3.骨架支承式膜结构

12、 Frame-Supported Membrane Structures4. “索穹顶” 预应力空间索系及薄膜覆盖 “Cable Dome” -Membrane supported on Pre-stressed spatial cable system. 8/30/202238李广军膜 材 Membrane Material对膜材的基本性能要求：Quality Requirement to Membrane Material: 力学性能： Mechanical properties 耐久性： Durability自洁性： Self-Cleaning Property 透光性： Light-P

13、enetration 防水性： Water-Resistancy 耐火性： Fire-Resistancy 工艺性要求：Technical Properties of Membrane8/30/202239李广军目前常用的两类膜材：Two Types of Common Used Membrane Material1.玻璃纤维结构 (Glass Fabric)聚四氟乙烯(PTFE) 涂层 永久性膜材2.聚酯纤维结构 (Polyester Fabric) 聚氯乙烯(PVC) 涂层 聚偏氟乙烯 (PVDF) 面层半永久性膜材膜 材 Membrane Material8/30/202240李广军广岛

14、巨浪馆 The Big Wave (1989, Hiroshima) 8/30/202241李广军1970大阪博览会富士集团展馆 The Fuji Exhibition Hall (1970, Osaka) 8/30/202242李广军长沙世界之窗 A Theater in Changsha, China8/30/202243李广军威海体育场 The Weihai Stadium, China8/30/202244李广军日本秋田“天穹” “Sky Dome”, Akita Japan3.骨架支承式膜结构 Frame-Supported Membrane Structures8/30/20224

15、5李广军上海八万人体育场 The Shanghai Stadium8/30/202246李广军 圣彼特斯堡“雷声穹顶”Thunder Dome, st. Petersburg, Florida4. 索穹顶 Cable Dome8/30/202247李广军 索穹顶结构示意图 The Sketch of “Cable Dome”8/30/202248李广军亚特兰大体育馆(佐治亚穹顶) Georgia Dome, Atlanta, Georgia8/30/202249李广军亚特兰大体育馆(佐治亚穹顶) Georgia Dome, Atlanta, Georgia8/30/202250李广军 索穹顶结

16、构示意图 The Sketch of “Cable Dome”8/30/202251李广军千 年 穹 顶 Millennium Dome8/30/202252李广军结构示意图 Structural Sketch of the Dome8/30/202253李广军可开启式膜结构Retractable Membrane Structure海洋穹顶Ocean Dome, Japan8/30/202254李广军海洋穹顶Ocean Dome, Japan8/30/202255李广军蒙特利尔体育场 Montreal Olympic Stadium8/30/202256李广军膜结构(Membrane Str

17、ucture )膜结构用于过街桥8/30/202257李广军膜结构(Membrane Structure )膜结构用于法国卡巴里奥收费站。长152m，最宽32m，4个35m高圆锥形桅杆支撑。1999年获国际织物工业协会组织的成就奖。8/30/202258李广军膜结构(Membrane Structure )气撑式膜建筑，依靠送风系统向室内充气，顶升膜面构成屋盖空间。8/30/202259李广军膜结构(Membrane Structure )美国依阿华州综合体育馆。盖格公司设计的气撑式膜结构。8/30/202260李广军膜结构(Membrane Structure )日本 东京棒球馆 充气式索膜

18、结构.8/30/202261李广军膜结构(Membrane Structure )香港大球场（中国），容纳4万观众，获1995年美国建筑师协会奖8/30/202262李广军膜结构(Membrane Structure ) 纵向用240m跨度，顶部标高55m的拱形骨架支撑屋顶前沿 拱形骨架有12度的倾角，其截面为3.5m见方 8/30/202263李广军膜结构(Membrane Structure )剖面8/30/202264李广军膜结构(Membrane Structure ) 每块1600m2的膜材，跨3组桁架。 这些膜材周边压紧，在桁架间用一直径为80mm的谷索压住。 膜本身施加有5100N的双向预张力8/30/202265李广军膜结构(Membrane Structure )屋顶仰视8/30/202266李广军膜结构(Membrane Structure )深圳华侨城东区超市步行街8/30/202267李广军膜结构(Membrane Structure )青岛颐中体育场