大型充气膜结构及膜材的发展进程

大型充气膜结构及膜材的发展进程膜结构是一种全新的建筑结构形式。介绍了大型充气膜结构的相关理论及应用概况，并对我国建筑膜材的发展及运用进行了详细的总结，可供参考。1膜结构的概述及其特点作为现代空间结构体系的一个重要分支，膜结构是一种全新的建筑结构形式，它集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学、计算机技术等为一体，借鉴现代造型艺术与技术美学的成就，其曲面可以随着建筑师的设计需要任意变化，外观造型新颖独特，内部空间给人一种梦幻般的感觉，很大程度上满足了现代人的审美观念，成为现代建筑的新风格。同时具有充分利用阳光、空气以及与自然融合的特性，符合当前提倡的“环保、可持续发展”重大战略，也为高科技生态建筑的发展提供了广阔的空间，更受到世界各地绿色建筑运动倡导者们的青睐，．将成为21世纪“绿色建筑体系”的宠儿，具有如下的特点：(1)艺术性：充分发挥建筑师的想象力，又体现结构构件优异的受力特性。(2)经济性：由于膜材特有透光性，白天可减少照明强度和时间，能很好地节约能源。同时夜间彩灯透射形成的绚烂景观也能达到很好的建筑艺术效果。(3)大跨度：膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度(无支撑)建筑上实现所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡可视空间，有效增加空间使用面积。(4)自洁性：膜材自身具有防护涂层，可使建筑具有良好的自洁效果，同时保证建筑的使用寿命。(5)工期短：膜建筑工程中所有加工和制作均在工厂内完成，可减少现场施工时间，避免出现施工交叉，相对传统建筑工程工期较短。(6)由于膜结构的独特魅力，其应用领域越来越广泛，目前主要应用于体育设施、交通设施、文化设施、娱乐设施、商业设施、景观小品及标志性建筑等。2充气膜结构发展历程随着高强度建筑材料，数学力学，结构分析，制作安装技术，计算机技术的发展，膜结构体系不断演化，一般可分为充气膜、张拉膜、骨架式膜及索穹顶膜结构等结构体系[1，4]。其中充气膜结构是膜结构发展过程中最初阶段的主要形式。充气膜结构利用帆船原理嘲，由膜内的空气压力支撑膜面，又可分为气承式膜结构(Air—SupportedMembrane)~D气囊式膜结构(Air-InflatedMembrane)。气承式膜结构是固定膜面周围边缘，对膜建筑室内加压使膜面鼓起至设计空间曲面，保持内外压差使膜面受压以确保刚度，从而维持形态并抵抗荷载。气囊式膜结构则是充气于特定形状的气囊内，使之形成具有一定刚度的结构或构件，并由此来承受荷载。气囊式与气承式相比的优越性是室内为常压气体环境，避免了超压所引起的不舒适感。1917年，英国人W，Lanchester提出用鼓风机吹胀膜布作为野战医院的设想，并申请了专利，但当时由于技术条件的限制，只是一种设想，并没有成为现实跚。1946年，美国人WalterBird建成第一个充气膜结构为美国军方做了一个直径15m，矢高18，3m球形多谱勒雷达穹顶(DopplerRadome)，可以保护雷达不受气候侵袭，又可让电波无阻的通过，从而使相隔了29年的专利付诸实用。当时采用以玻璃纤维为基布氯丁二烯橡胶为涂层的膜材。1950～1970年间，大量类似的穹顶相继在美国、德国建造，最大直径达到60m。1957年他又将自家的游泳池罩在一个充气膜结构中，并在美国的杂志上做了详细的介绍，从而充气膜结构被世人知晓。1967年第一届国际充气结构会议在德国的斯图加特召开，这无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂。随后各式各样的充气膜结构如雨后春笋般的出现。1970年日本大阪万国博览会(EXP070，Oska。Japan)上，把膜结构系统地推向世界，开始了刚性结构向柔性结构的转变，成为膜结构发展史上的里程碑。由于日本是个多震的国家，且博览会会址多位于软土地基，因此展馆宜采用自重轻、抗震性能好，施工速度快且形态各异的膜结构作为临时展馆，如巨大而扁平的美国馆，彩虹状的富士馆，蘑菇形的休息大厅等。由建筑师Davis、Brody与工程师DavidGeiger设计的美国馆(TheU．S．Pavilion)，其平面是一个139m×78m的椭圆形充气膜结构，膜材为聚氯乙烯(PVC)涂层的玻璃纤维织物，无柱大厅的屋面由32根沿对角线交叉布置的钢索和膜布所覆盖。它是世界上第一个大跨度低轮廓(小矢高)的气承式膜结构。另一个有代表性的建筑是由川口卫(MamoruKawaguchi)设计的富士馆，采用的是香肠充气型气肋式膜结构，该馆平面为圆形，ф50m，由16根ф4m，长78m的拱形气肋围成，气肋间每隔4m用宽500mm的水平系带把他们环箍在一起。中间气肋呈半圆拱形，端部气肋向圆形平面外突出，最高点向外突出7m。它也是迄今为止建成的最大的气肋式充气膜结构。气肋式充气膜结构在建筑中的应用就日本”富士馆”建成之后很少出现，目前国内充气肋主要应用于大型充气帐篷，作为其支撑结构。与传统形式的支撑结构相比，充气肋在以下几方面具有不可比拟的优势：(1)质量轻。用于制造充气展开结构的材料一般为各种薄膜材料，其厚度仅为O．5mm左右，这使充气展开结构的质量大大轻于各种传统的合金制造的支撑结构。再(2贯)换占用有效体积酒小。未充气状神态的充气肋柔业软易折叠，可婚以紧密的包装社储存，占用的构体积仅为薄膜自材料本身的体夏积。帖(3田)金费用低。充气蹲肋的原材料所伟需要的研制费锋用少，结构的链制造、加工和唤生产工艺相对寺简单，所需费韵用低。对于将驻来大型乃至超谋大型结构的建唐造来说，这种拘优势会更加明暴显。顺(4疤)伤适应性较好。婚充气展开结构驴具有理想的热关性能，从而保尾证了结构在各汗种恶劣的生存虹环境中的可靠雕性。盲当前充气帐篷禾大体分三种类额型：气肋支承慧型，这是一种缴基本的类型，炮可有低逢压违(坡〈另0.1MPa畏)阴、高毛压鞋(>绕0旨．船1MPa隙)罩，对高压气肋偏体系，高比强它度材态料赏(侄面密度小于掌300g姿／导m勿2希、强秀度扛>80k仰N异／储m呜)饮需要重点考虑牵，而低压气肋扔体系的气肋间务距等布局需要府深入研究：气找肋网格型，气蝶肋构成网格体爷系实现大型充经气帐篷的形态接、体系气垫帷绘幕体系，连续岛双层气囊构成两整体体系。后剪两种体系在国广外目前都有实逮现较大跨西度咬(帖25m饭以烛上凯)绍的案例，但具丸体实现方法、田材料、技术指算标等还需要深屡入调查和研究行。轿气囊膜在建筑盖上的应用，就浪日本大阪出现蓬的富士馆及其算他一些景观气肺囊膜，但之后颠很长时间并无肆多少大型经典英气囊膜建成。猪在吹200锐0浮年以前，单纯床气囊膜在大跨袭建筑体系较少姐应用，其主要夏应用于飞艇技姜术。近年来，匪由于建筑技术便的日益进步，店气囊膜又被建缓筑师和工程师碍重新审视并加扣以应用，尤其衫是在大跨结构镇中。巴塞罗那演建成德国展馆观气囊膜建筑，蜂平面呈椭圆形漫，面积缠4275m磁2折，单桅杆悬吊侧，下拉稳定索卵，采用聚酯纤基维基振布衡Acryli恋c企涂层膜材。瑞绣士在苏黎乐世例Neucha预te晒l猫建造了名为艺丸术沙滩的展馆划，典3追个一致的气囊挑膜，直径约仰100m练圆形蝶状，是灶迄今最大的一缠组气囊膜建筑零。另外瑞姑士声Aigle(滋2002绒)姻自行车竞技烛场撤(World眼Cyclin浅gCente编r津，被图衬5尺)疑，屋面为椭圆日形气囊膜，平据面籍为辜9忌0第．穷8m欧×6财6亮．香83m肆，整体形似自然行车毂辘剖[10]纽。气囊式与气提承式相比优越祸性是室内为常什压气体环境，萄避免了超压所淡引起的不舒适侮感。在气承式及膜淡出视野之拖际，气囊膜似舟乎将迎来新的查发展。狠3扒膜材的发展概活况与分类殃膜结构的发展绒离不开新型膜瓦材的出现，新娃型膜材的研制杆又极大推动了不膜结构的进一贼步发展。膜材交主要是伴随着谅现代精细化工泻科技的进步而停不断得到发展壤。早期的膜材燥以聚氟乙烯为贞表面涂层、聚胀酯纤维为基布讯的膜材为主，哨现在被称妄为雀C美类税膜界(PV纺C火／妈PES伟)舱，其建筑与结盆构受力性能都乱不理想。寻上世扰纪揪6乏0涨年代，玻璃纤的维织物膜技术震得到了很大的叨发展，并得到折了广泛的应用插，但表面涂层政仍为聚乙烯基蜂类，现称跌为低B煎类膜。同期慕，扛C酸类膜材制造技挤术不断进步，述结构与建筑特陆性逐渐改善富。误7密0窗年代初，由美肝国杜邦公司研掠制成功具有优及异建筑性能的密聚四氟乙王烯烧(算化学紧名粱PTF东E谣，商品悔名筒Teflon晒)惕表面涂层材料蚀，同时玻璃纤哄维织物膜技术牌日趋成熟，使棍得以玻璃纤维雅为基屿布短PTF酿E搅为涂层的现代便织物膜材问世晌，现称业为客A赔类膜，其高强史度、良好的自岔洁性等优异的订性能得到工程始上的的广泛应禁用告[5]共。恢建筑膜材按有极无纤维可以分绵为织物纤维膜淋材和非织物纤莫维膜参材倒(驰即热塑性化合闭物薄膜。衡3医．见1纱织物纤维膜材峡建筑织物纤维售膜材目前应用头较广，是～种筋具有高强度、增柔韧性好的复渔合材料。该材梦料主要采用玻描璃纤维、聚酯陈纤维等基材与争涂层材料复合众而成。载基层材料的品伸种较多，碳纤区维存、肌Kevlar宣(拜芳阔纶有)扣纤维、聚酯纤料维、玻璃纤维林等缴[11]-[晴15]秘。根据建筑结纯构使用强度的巴要求，建筑膜祥材～般选用聚铺酯纤维和玻璃置纤维。胃碳纤维是由有币机母体纤月维茂(誉例如粘胶丝、火聚丙烯腈或沥将青舞)稳采用高温分解晨法，东在联1000陡℃存～贴3帅00彼0佛℃五高温的惰性气旺体下制成的，篮呈黑色，坚硬厉，具有强度高葛、重量轻等特遭点，主要应用坚于航空航天结测构、电子等高炉科技领域。茫Kevla好r惠纤维桌是鹿2雹O撇世胶纪叔6火O杯年代发展起来汁的一种增强纤练维，其分子结印构具有很高的搭伸直平行度和慢取向度，这决梢定着它具有较烤高的强度和模仅量，并具有良希好的热稳定性节，同时还具有蝴较好的耐腐蚀挎性和防潮性。疼由于这些特性豆，高功弃能惕Kevla耗r垄纤维及其增强甲复合材料已广岂泛应用于航天屡、航海、通讯逼、体育、防护答服、软管等损各个领域朱[16]讲。示聚酯纤维的抗温拉强度高，弹匆性好，在拉伸东屈服前有较大汽的伸长变形能黄力。但在拉力隶和紫外线的长拌期作用下会有坏较大的徐变，级容易造成膜面方褶皱，进而使杯灰尘、异物在李褶皱处聚集，殊影响感观效果草与透光率。第玻璃纤维弹性馅模量和强度都匆较高，徐变小勉，不易老化，推弹性变形小，贪属脆性破坏材虾料；其力学性服能受湿、热环别境影响较大，森但是这种影响庙由于涂层的覆与盖而减弱。凝目前多种树脂氏涂层材料可供怪选用，如聚氯川乙插烯姥(PVC鹿)站、聚四氟乙纺烯剩(PTF陪E候，商品叙名连Teflon塌)离、硅酮、聚氨诱酯等。其中前锦三者为建筑常浴用涂层材料。咸聚氯乙含烯侨(PVC累)渡应用较早，柔亮韧性能较好，此可卷折，但抗史紫外线能力较异弱，在长期太兔阳光照下易发批生化学变化，套造成灰尘、油愤渍的附着，且驼不易清理，结欠果透光率降低跳。为克服此缺指点垒在钩PV抵C否涂层外涂敷化悉学稳定性更好摧的附加面层如扑聚二氟乙赠烯等(PVDF活)筝、聚偏氟乙或烯概(PVF隔)践等，以提高膜针材的自洁性。陪聚四氟乙秀烯调(PTFE柄)桥为惰性材料，容抗紫外线能力师强，透光性和债自洁性好，不贩易老化，寿命存长，具有可焊拉性，是永久建壤筑的良好选材足。但其刚度较拣大，运输施工龙中的卷折使其叫强度降低，变琴形中易产生微院细裂缝，使水洪分侵蚀基层纤姐维，降低基层押纤维的使用寿然命和强度。因麦此在基层女和短PTF愿E贵面层问加涂硅式酮防水层。予硅酮柔韧性、泡透光性、防水皮性均好，施工报方便，但自洁调性妹比惊PTF振E隙差，可焊性不刑良，拼接较困皂难。如自洁性部、可焊性得到菊改进，硅酮将返成为另外～种膨优良的永久性子涂层材料。脾3亿．司2颂热塑性化合物宾薄膜划新型膜材及其殃应用技术研究源是膜结构发展围的基石。氟化验物热塑性薄盼膜影(ETF释E扣、献TH近V带、陆FE刚P飘等叔)虎及其相应织物柜膜材问世和应傲用技术的解决膨，促进了新的屡膜结构技术的福发展。与织物盯纤维膜材区别乳在于由热塑成寒形，薄膜张拉肠各向同性。艇其堡中滤ETFE(E北thylen器eTetra能FluroE净thylen语e朱)俗为乙烯一四氟农乙烯共聚物，邻匀质拥的托ETF铺E欺膜材提供了一菌个几乎透明的打室内外环境。惧如果用多释层嫂ETF挑E挠材料叠合使用筑，能产生极好单的隔热作用。采这类材料也有泥相当的隔离紫斧外线能力。值驴得一提的是该勇类膜材对光线迟有散射能力，眼即它可以通过赏调节覆层和材阁料厚度来调节性光强度和紫外走线的透过率。里它的透光率矿在款5联0贱％轿一烈9些6斗％之间，张拉沉后的膜面极为食光滑且有自喂洁能力喊。镇ETF税E布膜材不易燃，敏且在燃烧融化占后会自行熄灭盲，平均使用寿李命牙2尘0询年左右。这种着膜结构材料在草国外建筑上的辞应用史已成有深2肆0邮多年，在德国柔、荷兰、英国羡和西班牙等国蜘的体育场馆和晌动、植物园中痕的应用效果良侵好。融在徐200舰3慕年确定的北拌京注2008鹿年奥运会主场鞠馆博-炎鸟巢的设计方喘案和国家游泳怨中心一养一她“宋水立沸方点”消方案也聋将五ETF诸E梁膜作为维护材吸料。二者将会摧遥相呼应，更时好地向人们展催示圾ETF狐E学膜结构材料的料无穷魅力，这告种新型的膜结握构材料也将借丸奥运东风进军灶中国建筑市场跳。士虽然目前有众绕多的膜材应用王于膜建筑，但或以玻璃纤贡维沾(没B共、欺D叛E汽纱抬)络为基笼布浸PTF练E蜂为涂层肆的醒A俘类膜材和以聚续酯纤维为基布通聚乙烯基类为烂涂河层线(Pv孟c饮类，主要递为庸PVD践F丈／配PV槽F爸／奸Acryli减c昏)权的玻C穷类膜材仍然被望认为是标准的津建筑膜材。扰4绞国内膜结构及贞膜材的发展态同国外相比我存国的膜结构发绘展起步比较晚迟，存在相当大伍的差距舱。扩8湿0饲年代初，我国萍建成第一座充佛气膜结构～上悉海工业展览馆竞，为一圆柱形蕉气承式膜结构愿，其膜材的基撇材为尼龙织物谱，涂层为聚乙拖烯类树脂迹[17]炭。双199失6脑之前，膜结构叨在我国几乎是风一片空白到。虾199练7去年，上海体育强场的建成，标宵志着现代膜结真构在我国进入盐应用发展阶段决。该体育场屋嫁盖呈马鞍形，荒屋面层绪为漫5俱7陷个伞状拉索结薯构，上面覆盖肺高技术材仙料远(SHEE