气膜建筑的发展历史

目录一、气膜建筑的历史背景及工作原理1.1历史背景1.2气膜建筑的工作原理二、世界主要气膜生产商介绍及技术分析2.1主要气膜生产商介绍2.2主要公司气膜产品分析比较三、气膜在中国的发展及现状3.1中国气膜建筑系统的发展3.2气膜建筑市场前景广阔四、气膜建筑系统经济实用性分析2.1气膜建筑安全性2.1.1防风抗雪抗震2.1.2建筑安全门的设计2.1.3控制系统2.1.4使用寿命2.2建筑方式灵活2.2.1可建筑于楼顶2.2.2施工周期短2.2.3可迁移并重复使用2.3节能环保2.3.1场馆运营能耗低于传统建筑2.3.2气膜球馆与传统球馆能耗比较2.4新设计气膜环境下人体体能的影响五、防火及紧急情况5.1防火5.2相关报告六、国内外各主要领域应用及经典项目6.1实例应用6.2经典项目分享 一、气膜建筑的历史背景及工作原理1.1历史背景1917年有一位名为兰彻斯特的美国人建议利用新发明的电力鼓风机将膜布吹胀，作野战医院。像

许多专利申请案一样，这只是一种构思，而没有真正成为使用的产品。

1946年，有一位名为华特

•贝尔德的人为美国军方做了一个直径

15m圆形充气的雷达罩，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19年的专利付诸实用。由此而衍生出了一个新的工业

产业。1968年，美国纽约的建筑师布罗迪和哥

伦比亚的大卫•盖格教授合力争取到了日本大阪世界博览会美国馆的设计权。原先的经费

2500万美元，被一再消减到250万美元，此设计组承受了无比的挑战，在穷则变，变则通的情况下，将基地挖一大坑，将废土堆在四周，筑成围墙，其上浇注一混凝土压力环，将钢索网固定在环上，再将膜布固定在钢索网上，加以充气，就做成了9290m2的展览馆，从而开启了气撑式膜结构的新页。

当时采用的是充气帐篷的原理，作为部队的战地医院。70年代以后，由于建筑使用织物材料的改进，机电机械的提升，气膜建筑获得了巨大的发展，加拿大、美国建造了许多永久性的气膜建筑。并不断结合新技术开发气膜建筑的稳定性，安全性和舒适性。1968年到1987年之间，有

8座室内运动馆是以此方法设计建造的。在大阪世博会，盖格公司成功地向世人推出气撑式膜结构的新设计技术，而受到建筑工程界一致认可后，又面临所使用的膜材料问题。这种膜材只有7年—

8年的寿命，在太阳紫外线及风、雨的交互作用下，膜布会变得硬脆、破裂，而失去结构性能。只有使用好的膜布材料，才能使这种大跨距的屋顶，成为永久性的建筑。

这期间比较有名的项目就是１９６８年美国ＡＳＡＴＩ（阿赛奇）公司把哈佛大学的田径场用一个巨大的充气膜覆盖成为室内运动馆，轰动一时。70年代，在ＡＳＡＴＩ（阿赛奇）公司领导下，美国制造商改进了涂覆的面层（包括杜邦公司），永久性的PTFE膜正式诞生（PTEF，商品名Teflon)。经过加速气候实验（一个月顶自然环境几个月甚至几年），其物理稳定性确定后，ＡＳＡＴＩ（阿赛奇）公司又设计各种结构配件及确定设计程序，以建造不同性质的膜结构。

堪萨斯城的建筑师约翰•西弗率先使用此产品，在加州的拉•弗恩建了一座学生活动中心，经过20多年的考验，材料还保持70～80%强度，仍透光。

另外，几平同时即1973年在圣太•克罗拉的加州分校办建了一座气撑游泳馆（活动屋顶）及学生活动中心，从此永久性膜结构便正式在世界风行。

由于气膜建筑所具备的独特的建筑特点和优势，自诞生以来，得到了迅速的推广，在北美的应用十分普遍。美国ASATI（阿赛奇）公司从1961年构建第一个气膜网球馆，至今已经在各种大风大雪及气候恶劣的环境下，成功设计并安装了超过5000个气膜，超过40年的成功经验保证气膜建筑的安全及稳定。1.2气膜建筑的工作原理大跨度气膜建筑的建筑原理是利用建筑内外的气压差来支撑形成建筑外壳的轻质膜材，构成建筑空间。气膜屋顶为割球弧面(或近似割椭圆弧面)，矢跨(即高宽比)比应小于0.75。气膜建筑内为超压（也称为正压），室内外压差一般为250-500Pa，即约为1-2W.C.(英寸水柱)。海拔高度大约每升高12米，大气压强降低1毫米汞柱（0.54W.C.），因此，气膜内外压差约为海拔高度差24—48米处大气压差。约相当于从地面到楼房7-14层(按每层3.5M二、世界主要气膜生产商介绍及技术分析2.1主要气膜生产商介绍目前从世界气膜结构建筑发展来看，由于气膜建筑系统在北美、加拿大得到了广泛的应用，并且在实际应用中得到在得到了各领域的认可，所以世界上主要的气膜生产商大多集于此，从早年世界上最大的气膜生产商美国ASATI（阿赛奇），拥有超过３５项的专利技术，其中斜向钢缆技术为业内独用，从而形成了独特的技术优势，是唯一一个可以在美国迈阿密和阿拉斯加建设气膜建筑的公司，因其独特的专利技术可以确保他们的气膜建筑满足永久建筑的规范；还有就是欧洲的Duol，到后来的加拿大的ＹＥＡＤＯＮ，这些气膜供应商都根据自身的技术水平和条件，以及其主要的经营和管理模式，在气膜行业中的地位和层次也有所区别。气膜在中国市场的竞争分析目前中国市场气膜供应商分为两种：进口/国产主要国内外进口气膜供应商如下表：公司名字国家公司所在地成立时间ＡＳＡＴＩ（阿赛奇）美国纽约/北京１９６１ＹＥＡＤＯＮ加拿大古埃尔夫１９８９ＦＡＲＬＥＹ加拿大古埃尔夫１９８７艾尔豪斯中国北京２００６艾尔兄弟中国青岛２００８2.2主要公司气膜产品分析比较公司名字国家气膜结构形式专利情况成立时间风荷载雪荷载中国所在地使用时间中国成立时间ＡＳＡＴＩ阿赛奇美国斜向网状钢缆35项独有专利4８年６７米／秒相当于16级以上台风250kg/m2深圳/北京根据美国规范可作为永久性建筑2003ＹＥＡＤＯＮ加拿大无钢网无２０年３２米／秒

相当于１２级台风40kg/m2北京临时性建筑200６Ｆａｒｌｅｙ加拿大无钢网无２２年3２米40kg/m2北京临时性建筑2004三、气膜在中国的发展及现状3.1中国气膜建筑系统的发展中国在80年代曾从北美引进过几个气膜建筑，由于其新颖的造型和独特的建筑特点而备受瞩目，相继出现了若干家膜结构公司开始模仿设计气膜建筑，但是，由于没有掌握核心技术，当时国内模仿生产的气膜建筑不管是从安全性还是从使用舒适性方面考虑都存在很多问题，市场投放量相当少，几乎全都是临时性建筑。到80年代末，这些膜结构公司都因为考虑研发气膜建筑难度太大而放弃了这块业务，转向其它膜结构工程。所以，国内现有的气膜建筑基本全部依赖进口。大跨度气膜建筑系统的研发，是中国建筑结构设计方面一个崭新的课题。但随着近几年气膜在国内的发展，特别是奥运会的推动，使气膜结构在体育方面的得到体育界、工程师及广大体育场馆建设的认可，其应用市场广大。场馆数量和应用范围也迅速的增长，由2005在南京建成第一个气膜场馆，到2009年国内已至少有几十个气膜结构，其中还有在工业环保方面的应用。3.2气膜建筑市场前景广阔根据国家第五次体育场地普查数据，我国目前的室内运动场馆只占到所有体育用地的11.2%。目前我国人均体育场地面积仅为1.03平方米（美国人均体育场地16平米），每万人拥有的场馆数目仅为5个左右。而且，还有一部份体育场馆是被占用或不对外开放的。在人口相对集中的城市，经常会出现体育场馆爆满或者排队的现象。竞技训练馆及大型比赛场馆的附属场馆。为了满足国内对竞技运动的训练需要，国内将增加训练场馆及大型比赛场馆的附属场馆。全民健身的社区中心。气膜网球馆建筑有着优越的性价比优势，并且完全符合国家节约能源的建设要求和宗旨。在国家城市化建设过程中，全民健身的社区中心的需求由原来的自由配套逐渐转变为国家硬性规定，据统计，在2010年以前，仅全民健身一项，国家拟投入的资金总数就达2000亿元，预计其中的室内体育场馆投入份额不少于20%。以深圳市南山区为例，为达到城市规划中要求的在2005年达到人均体育用地0.5平米的要求，南山区计划今年新增19处体育场馆。宾馆、社区的顶楼建筑。城市建设中的旧老建筑，包括大量的宾馆因为早期设计和规划的原因，未能把顶楼面积充分利用，后期需要加层建设时又因为传统建筑会给原建筑增加较大负荷而不能执行。气膜建筑因为自重非常轻，并且主要作用力方向向上，在顶楼利用方面有巨大的优势和发展空间。城市闲置和临时用地的充分利用。城市规划用地中，很多土地的规划期与实际开发期都有时间差，有的甚至长达10多年。气膜体育场馆建筑可拆迁，可迁移，且迁移损耗相当少，几乎可忽略不计，加上其明显的性价比，在未来城市的临时用地利用方面，将有非常大的用武之地。四、气膜建筑经济实用性分析4.1气膜建筑安全性4.1.1经研究，气膜建筑的高跨比在1/3～1/2间较为合理，即建筑的高度约为跨度的30～50%，确保建筑在抗风和卸雪时都有着基本构造方面的保障。而且，独有斜向网状钢缆系统将外膜所承受的荷载被有效的传递到钢缆系统，并将均匀的分难到锚固系统，减少膜的荷载，提供最佳的稳定性来抵抗大风暴雪，延长结构的寿命。可有效地将因空气动力和内部加压对外膜产生的负荷传递到钢缆及下部基础。斜向网状钢缆结构根据实际外部气候条件的需要，可以使内部的压力值达到1.5-3.0,抵抗每小时150英里(67米/秒)的飓风，抵御超过每平方英尺50磅(250公斤/平方米)的积雪。膜结构是非常理想的抗震结构。地震对结构作用的大小几乎与结构的质量成正比。气膜建筑的整个主体采用的是轻质高强的新型建筑材料—膜材。膜材重量为1085g/㎡（+70/-35）g/㎡，建筑物整体质量轻，地震作用小，震害小。三种气膜结构形式示意图Textinhere纵横钢缆充气包Textinhere纵横钢缆充气包斜向网状钢缆气膜建筑无钢缆充气包压力值：1.5-1.6wsp风荷载：32米/相当于10-11级台风雪荷载：30kg/m2压力值：1.75-1.8wsp风荷载：3２米/秒相当于12级台风雪荷载：40kg/m2压力值：1.5-3.0wsp风荷载：67米/相当于16级以上台风雪荷载：250kg/m2斜向网状钢缆可以完全的包围整个外膜结构，将钢缆和膜材有机的连为一体。使外膜所承受的荷载被有效的传递到钢缆系统，并将均匀的分摊到锚固系统，提供最佳的稳定性来抵抗大风暴雪延长结构的寿命。这个专利的斜向钢缆系统让气膜建筑的安全性能同传统建筑相当4.1.2气膜建筑系统整体结构设计完全依据相关建筑规范及标准以保证整体的安全性及稳定性。国际建筑规范2003（InternationalBuildingCode2003）对建筑紧急出口设计的相关规定：1．当有意外发生时，即使把所有的应急门打开，整体气膜建筑高度下降到2.5米的时间不得少于30分钟，从而保证人员的疏散时间。2．气膜建筑各应急门（紧急出口）的疏散距离不能大于60米，即当意外发生时，保证距离场馆内人员所在位置最短60米外至少有一个应急出口。4.1.各系统设备组成见下表：序号系统名称组成设备1增压系统主风机，辅助风机，空气压缩机，备用燃气机2温控系统取暖锅炉，燃气取暖炉，空调3湿度调节系统加湿、除湿装置4通风与净化系统主、辅风机，风阀调节器，除尘、杀菌装置，负氧离子发生器通过温控系统可对膜内温度进行智能控制，可控范围为16℃～26通过气膜建筑进出门系统的自然泄漏和可控换气装置来调节单位时间内气膜内空气的更新量，主风机供风量为20000立方米/小时，送风口风速不低于6米/秒，较高的送风速度可以带动气膜内空气循环流动，确保满足气膜内所有人员每人每小时30立方米新风量，膜内空气循环次数不低于8～12次/小时。空气净化包括除尘、杀菌和除异味。除尘采用初效板式过滤器和静电除尘相结合，板式过滤器可以过滤较大颗粒的灰尘和其它杂质，静电除尘可以吸附小于0.01～0.1μm左右的微粒，这两种除尘装置可以很好的起到净化空气的效果。4.1.4气膜建筑系统采用抗老化膜材，具有很好的自洁性能，雨水会在其表面聚成水珠流下，使膜材表面得到自然清洗。如果项目所在地区长期没有降雨或雨水量较少，则需人工用清水冲洗，不须加任何化学清洁剂。膜材本身有很好的抗拉强度和抗撕裂强度，0.6mm的膜材的抗撕拉强度和等厚度钢板相当，膜材表面会有一定的张力，可承受一定的外力，如：普通杂物撞击及膜外人员攀登作业等。即使膜材破损，作为一个完整的建筑系统，我们会在膜材上配置风压传感器，中央控制系统会报警，以便及时采取修补措施；另一方面，项目完工后，会配备一套手工膜材修补工具，并进行一系列的后期维护培训，保证使用方可以自行进行日常的维护工作。气膜建筑的使用寿命一般在20-30年。4.2建筑方式灵活4.2.1气膜建筑因其建筑主体属上扬力，自重轻，每平米自重不超过3公斤，不会给原有建筑物增加任何承重，基础要求低，施工方便最大限度利用原有建筑物面积，4.2.2现场施工仅需约10天左右，现场没有湿作业、电焊、脚手架、吊车、等施工环节施工周期短，极大减少工程施工费用，改变了传统建现场管理的难度，大大节省施工的现场管理成本。2.2.3可迁移并重复使用气膜建筑可根据需要建成永久性或临时性建筑，方便拆装、迁移，并可在异地重复多次使用，满足各种不同应用需求。4.3节能环保4.3.1气膜建筑因为采用空气支撑，利用压力差作为支撑力，形成大跨度的空间结构，完全不同于传统建筑，避免了大兴土木对环境的影响，另外其独特的受力特点——向上的上扬力，也使气膜建筑对基础的要求更低、扰动更小。而且，其可迁移性也使气膜建筑可以方便的被拆除、迁走。在建造及迁移时都不会产生大量的建筑垃圾。另外气膜建筑作为一种节能建筑，空调暖气能耗仅为传统建筑的1/10-1/4总体节能75%以上。较低的能耗使其成为一种具有节能环保特点的建筑系统。4.3.2气膜球馆与传统球馆全年运行费用比较选用4000平方米气膜球馆为例与同样大小的传统建筑羽毛球馆进行比较场馆照明的耗损约每平米12瓦气膜室内场馆空调只需５０冷吨4.3新设计气膜环境下对人体体能的影响人类机体对外界气象环境的主观感觉有别于大气探测仪器获取的各种气象要素结果。人体舒适度指数是从气象角度来评价不同气候条件下人的舒适感，根据人类机体与大气环境之间的热交换而制定的生物气象指标。研究表明，气温、气压、相对湿度、风速四个气象要素对人体感觉影响最大，人体舒适度指数就是根据这四项要素的反映。人体舒适度指数共分为9个等级，除了0级外，还有从正负1到4共八个等级，1-4级是让人感到热的等级，而-1到-4是让人感到冷的等级，而0级是让人觉得最舒适、最可接受的等级。气膜建筑系统根据环境的特征进行设计与改善，通过对空间内部采用加压、湿度调节、恒温控制等方法，极大地改善了人们运动的环境。通常气膜内外气压差约为250Pa，约0.0025个大气压（相当于正常建筑1层与9层的气压差），对运动不会用任何不利影响。适当的增压，空气中的含氧量也会相应提高！五、防火及紧急情况5.1防火气膜建筑的消防设计是严格按照北美防火规范进行的，并同时满足国内的防火规范要求。气膜建筑使用的膜材满足CAN/ULC-S109-M87的防火要求，达到国家B1级防火要求，即不遇明火不会燃烧，且离开火源立即自熄，即使遇到明火，火势蔓延缓慢，并在极短的时间内自行熄灭，不会产生有伤害性的滴落物。并且，气膜建筑使用PVC类膜材，燃烧不会产生有毒气体。（详见《膜材消防合格证明》）火灾带来巨大损失同建筑物内的折算燃料总量及过程中热量的堆积有很大原因。就气膜建筑本身，所选用的材料完全符合现行气膜规范，均为阻燃或难燃材料。在内部发生火灾时，局部的破损在膜内正压的作用下会成为排除膜内有害烟气及火灾热量的有效途径。在膜内，按规范要求设置了消火栓，以备消防时使用，并且要求在所有进出膜内的人员不得吸烟，携带火种，从管理上消除隐患。出、入口的设置——本设计已考虑到疏散距离，因而门的布置严格控制在30米以内，除设有正常的出入口外，还设有应急出口，作为紧急时疏散使用。并且，全部的应急出口均有指示灯作为指引、有观察窗便于了解内、外情况。气膜建筑采用的应急门为平衡门，特点为可以用很小的力量即可将门推开，配合门内安装的推杠式开门装置，充分保证紧急情况下人员的疏散。智能机械系统可以在系统失压时发出声光