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 膜结构介绍

        膜结构又叫张拉膜结构(Tensioned Membrane structure),是以建筑织物,即膜材料为张拉主体,与支撑构件或拉索共同组成的结构体系,它以其新颖独特的建筑造型,良好的受力特点,成为大跨度空 间结构的主要形式之一。

  膜材料是指以聚酯纤维基布或PVDF、PVF、PTFE等不同的表面涂层,配以优质的PVC组成的具有稳定的形状,并可承受一定载荷的建筑纺织品。它的寿命因不同的表面涂层而异,一般可达成12—50年。

膜结构建筑的特点及应用领域:

  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,具有很高技术含量。其曲面可以随着建筑师的设计需要任意变化,结合整体环境,建造出标志性的形象工程。
       
艺术性:充分发挥建筑师的想象力,又体现结构构件清晰受力之美。

经济性:由于膜材具有一定的透光率,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广告宣传效益。

大跨度:膜结构可以从根本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。

自洁性:膜建筑中采用具有防护涂层的膜材,可使建筑具有良好的自洁效果,同时保证建筑的使用寿命。

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。膜建筑可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、购物中心、站台等,又可以用于休闲设施、使用工业设施及标志性或景观性建筑小品等。

 

膜结构建材性能特点简介

膜结构建筑的发展历史

本世纪五十年代,膜结构建筑作为别开生面的建筑形式在国际上开始出现,至今已有四十多年的历史。特别是到了七十年代以后,膜结构的应用得到了迅速发展。膜结构的出现为建筑师们提供了超出传统建筑模式以外的新选择。时至今日,膜结构已广泛用于体育场馆、展厅、商业市场、娱乐场馆、旅游设施等。膜结构按其结构形式可分为钢结构、张拉结构及充气结构;按膜材特性又可分为永久性膜结构(膜材使用年限可超过25年)半永久性膜结构(膜材使用年限为10-15年)及临时性膜结构(膜材使用年限为3-5年)。

 膜结构建筑具有的特点

1、艺术性。

膜结构与造型学,色彩学为依托,可结合自然条件及民族风情,根据建筑师的创意建造出传统建筑难以实现的曲线及造型。膜结构能使建筑师充分发挥浪漫设想,使人享受大自然般浪漫空间。膜建筑奇特的造型和夜景效果有明显的“建筑可识性”标志和商业效应。

2、经济性。

对于同等大小的建筑,如果采用膜结构,其成本只相当于传统建筑的二分之一或更少,特别是在建造短期应用的大跨度建筑时,就更为经济。而且膜结构能够拆卸,易于搬迁。膜结构已改传统建筑材料而使用膜材,其重量只是传统建筑的三十分之一。而且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的可视空间。

3、保温性。

单层膜材料的保温性能与砖墙相同,优于玻璃。同其他材料的建筑一样,膜建筑内部也可以采用其他方式调节其内部温度。例如:内部加挂保温层,运用空调采暖设备等。

4、自洁性。

膜材表面加涂的防护涂层如(聚四氟乙烯、丙烯酸等)具有耐高温的特点,而且本身不发粘,这样落到膜材表面的灰尘可以靠雨水的自然冲洗而达到自洁的效果。

5、防火性。

如今广泛使用的膜材料能很好地满足对于防火的需求,具有卓越的阻燃和耐高温性能,达到法国、德国、美国、日本等多国标准。

6、吸音性。

一般膜结构对于低于60Hz的低频几乎是透明的,对于有特殊吸音要求的结构可以采用具有FABRASORB装置的膜结构,这种组合比玻璃具有更强的吸音效果。

7、透光性。

膜材料可滤除大部分紫外线,防止内部物品褪色。其对自然光的透射率可达25%,透射光在结构内部产生均匀的漫射光,无阴影,无眩光,具有良好的显色性,夜晚在周围环境光和内部照明的共同作用下,膜结构表面发出自然柔和的光辉,令人陶醉。

 膜结构建筑形体分类

从结构方式上大致可分为骨架式、张拉式、充气式膜结构3种形式。

1、骨架式膜结构(Frame Supported Structure)以钢构或是集成材构成的屋顶骨架后,在其上方张拉膜材的构造形式,下部支撑结构安定性高,因屋顶造型比较单纯,开口部不易受限制,且经济效益高等特点,广泛适用于任何大小规模的空间。

2、张拉式膜结构(Tension Suspension Structure)以膜材、钢索及支柱构成,利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安定的形式。除了可实践并具创意创新且美观的造型外,也是最能展现膜结构精神的构造形式. 近年来,大型跨距空间也多采用以钢索与压缩材构成钢索网来支撑上部膜材的形式。因施工精度要求高,结构性能强,且具丰富的表现力,所以造价略高于骨架式膜结构。

3、充气式膜结构(Pneumatic Structure)充气式膜结构是将膜材固定于屋顶结构周边,利用送风系统让室内气压上升到一定压力后,使屋顶内外产生压力差,以抵抗外力来支撑,及用钢索作为辅助材,无需任何梁柱支撑,可得更大的空间,施工快捷,经济效益高,但需维持进行24小时送风机运转,在持续运行及机器维护费用的成本上较高。建筑师一般不很采用。

 膜结构建材成分组成

用于膜结构中的膜材是一种具有高强度、柔韧性好的薄膜材料。中心的织物基材分为聚酯纤维及玻璃纤维,而作为涂层材使用的树脂有聚氯乙烯树脂(PVC),硅酮(silicon)及聚四氟乙烯树脂(PTFE),它具有轻质、柔韧、厚度小、重量轻、透光性好;对自然光有反射、吸收和透射能力;它不燃、难燃或阻燃;具有耐久、防火、气密良好等特性;表面经氟素处理(涂覆PVF或PVDF)的膜材、自身不发粘、有很好的自洁性能。

织物基材——抗拉强度,抗撕裂强度,耐热性,耐久性,防火性。

涂 层 材——耐候性,防污性,易加工性,耐水性,透光性。

 常用膜结构建材种类

1、PTFE膜材:由聚四氟乙烯(PTFE)涂层和玻璃纤维基层复合而成。PTFE膜材品质卓越,价格也较高。使用寿命一般可达25年以上。

2、PVC膜材:由聚氯乙烯(PVC)涂层和聚酯纤维基层复合而成,应用广泛,价格适中。一般PVC膜的耐用年限,依使用环境不同在5~8年。为了改善PVC膜材的耐侯性,近年来已研发出以氟素系树脂在PVC涂层材的表面再作处理,以改善其耐侯性及防污性的新膜材。

3、PVDF PVDF是二氟化树脂(Polyvinylidene Fluoride)的略称,在PVC膜表面处理上加以PVDF树脂涂层而成。其性能优于纯PVC膜材,价格相应略高于纯PVC膜材。PVDF膜与一般的PVC膜比较,耐用年限改善至7~10年左右。

 

膜材的发展史

一、引言 

       1967年蒙特利尔的万国博览会德国馆是由德国的Frei Otto教授设计的,在建筑上有广泛的国际影响。膜结构以其轻质、薄而柔软的特性大大不同于当时在建筑中常见的钢结构。由曲面形成的大空间由于膜材的透光性而变得无比明亮,这种空间在建筑中是没有先例的。 

    现代膜结构最初是在德国发展起来的,其基本特点、力学特性、设计方法和其作为结构体系的潜力也是在德国得到研究的。在此基础上,这些最初被称作 帐篷结构 的东西作为现代建筑的有机组成部分被逐渐认识。设计精良的膜结构在世界各地建造,膜结构经历了一个复兴时期。如今,它们作为独特的有着无限潜力和适应各种功能的结构已被全世界所接受。 

 二、膜结构的发展 

    1961年一篇名为《Tent》的文章在AIA杂志的二、四月份刊上发表,Otto教授给所有人揭示了膜结构的重要性。他写道: 房屋不能也不应该是我们必须挤进去才能进入其中的刚体。相反,伴随我们的应该是生动的、变化的环境。 Otto教授还指出,通过对极小化的结构形态的研究,他和他的同事发现,此形态是存在于这个有机世界中的,他正试图赋于膜结构。他接下来写道: 帐篷建筑是古老的,三万年前就有帐篷建筑。除了这古老的习俗外,帐篷建筑是微不足道的。正确的建造帐篷建筑有极大的困难。事实上这是所有建筑施工当中最难的一个领域。 由于Otto教授的讲演和指导,膜结构的知识得以在许多国家快速地散布开来。他和他的小组于1965年出版了《Spannweiten》这本书,他们从建筑的角度研究并发展了现代的膜结构。这本书引起了全世界的关注。在轻型结构所工作的Otto做了许多工作,代表着现代膜结构的起点。他们的技术和思想反映在蒙特利尔67年万国博览会上,这个建筑物对膜结构的世界有着广泛的影响,确实是其发展里程上划时代的一笔。 

在大阪举行的日本70年万国博览会开始对膜结构有了需求。许多日本建筑师向用膜这种新材料来创造新空间发起了挑战。大阪博览会也为发掘膜结构的潜力提供了极好的机会。为安全起见,这个结构装备了一个系统以保证屋盖在漏气时不与观众席或场地接触。这个想法成为膜结构设计史上的一个转折点,使充气膜成为可能。 

七十年代,Geiger Berger公司发展了充气膜。随之而来的是PTFE涂层的玻璃纤维膜作为新的膜材而发展起来,导致许多巨型膜结构在美国的出现。随着Milligan学院的Steve Lacy战地医院(1974)和Santa Clara大学的Thomas E. Leavey活动中心(1976)的建成,大规模的充气膜开始兴建。在美国还涌现了一批能容纳许多观众的多功能的适应各种天气情况的体育馆。1970年的Silver穹顶 —— 拥有八万个席位的低矢高穹顶在Pontiac城建成。这些大跨度建筑表明膜结构的一个优点,即大空间不再是黑暗而压迫感的,这些穹顶还能经济地跨越大空间。就此而言,大阪博览会美国馆是膜结构发展历史上的里程碑。 

八十年代,美国有7个充气膜。但1983 年在Indianapolis建成Hoosier穹顶之后停止了建新的充气穹顶。为克服诸如经常地发生结构事故、持续充气带来的高成本、控制气压的复杂性、空间封闭性等问题,开始了探索新的结构形式。在北美洲,膜结构作为永久性建筑开发了新的功能。比如1980年的佛罗里达大学StephenC.O Connel中心,1984年的Lindsay公园体育中心,1989年的San Diego解放中心,1990年的公园露天剧场等均是完美外形与创新结构的结合。一系列购物商场也建成了。 

八十年代末期,由Buckminster Fuller最初设想的张拉整体穹顶作为能覆盖大空间的新的结构形式而引入。这种索-杆组合结构开始代替早期的充气穹顶。1986年圣奥林匹克国家体育中心的体操馆和击剑馆是由Geiger公司设计的。紧接着是Weidlinger公司设计的1988年的Illinois州立大学Redbird体育场、1989年的Thunder穹顶、1992年的佐治亚穹顶都采用了这种结构体系。美国开拓了自己的道路来覆盖大空间。 

八十年代全球有名的建筑师开始在许多欧州国家设计膜结构并改进了设计标准。美国的膜结构容易相似,而欧州的工程更具个人主义。1985年Schlumberger大学研究中心是欧洲第一个拥有膜结构的研究中心,被称作 新鲜的光空间 ,采用索-膜的组合结构。膜结构中有基本的钢框架,但又用到索的组合。1989年,Nuage Leger膜结构建在巴黎的Grande Arche中,使得这种结构体系在全世界范围内都成了引人注目的中心。足球场上跨越观众席的传统屋顶容易使下面的空间变黑,而在欧洲建的膜结构却不会如此。1990年罗马奥林匹克体育场的膜结构从受压环的空间框架上悬挂下来,既轻盈又美观,成为跨越观众席的屋顶最常用的模型。1990年Renzo Piano设计的San Nicola体育场应用膜结构与混凝土的组合,1993年Gottlieb Daimler体育场轻便美观,与相应的结构比较取得了更大的合理性和经济性。PVC涂层的聚酯纤维膜主要用于欧州早期的膜结构,而PTFE涂层的玻璃纤维膜开始得到更大的应用。Frei Otto曾抱怨在膜结构中有太多的限制,但新的造型由于不同的结构体系而得到发挥。

 
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