膜結構是近幾十年來發展起來的一種空間結構型式。闡述了膜結構的特點及膜材料的性能、設計的基本要求,并對膜結構在21世紀的應用進行了展望。
1970年日本大阪萬國博覽會的美國館與富士館由于采用了膜結構建筑,引起了與會者和游人的濃厚興趣,也引起了世界建筑界的轟動。隨后的 幾十年里,膜結構建筑在美國、加拿大等發達國家迅速發展起來。我國內地自上世紀70年代以來,一些科研、設計單位與高等院校便開始對膜結構進行研究。一些關鍵設計技術如膜結構的找形分析、荷載分析、裁剪分析等的研究也獲得了一定進展,為我國膜結構的開發、應用建立了一定的技術儲備。本文主要介紹膜結構建筑的特點、類型、設計施工以及在我國的應用情況。
1 膜結構建筑特點
膜結構建筑是用輕質高強度柔性薄膜材料與支撐體系相結合形成的具有一定剛度的穩定曲面、可承受一定荷載、能夠覆蓋大空間的結構形式。由于充分發揮了材料抗拉強度高的特性,使得膜結構建筑具有以下優點:
1.1 跨度大
據有關資料推測,跨度越大的建筑,采用膜結構越能體現其經濟性。目前充氣結構建筑的無內柱空間路度可做到200m以上。
1.2 結構重量輕
膜材本身質輕,支承膜材的鋼桿、鋼架與鋼索比相應的鋼筋混凝土也減輕不少重量。1970年日本大阪世界博覽會中的美國館,屋面重量每平方米僅1122kg。
1.3 施工方便
膜材可以在工廠預制成卷材成品,與鋼材一樣便于工業化生產,便于運輸安裝,施工時也不需搭建腳手架,工期較短。1979年能容納5萬人的美國卡理阿體育館,只用了十幾個月,現在建造較大型的膜結構建筑,只需幾個月就能完工。
1.4 造型美觀
膜結構建筑由于結構組合形式的多樣性,其造型也極為豐富,它具有一般建筑無法比擬的表現力,加上膜材的顏色可以任意選擇,更加強了藝術感染力。
1.5 費用低
膜材本身就是裝修材料,可減少建筑物二次裝修費用;膜結構建筑屋面的膜材透光性好,能透過大量柔和的自然光,降低白天的照明費用以及整個建筑的供熱與空調費用。對于同等大小的建筑,采用膜結構,其成本只相當于傳統建筑的二分之一或更少。特別是建造短期應用的大跨度建筑時,就更為合算。如今,膜結構已廣泛應用于各類建筑結構中,如:體育場館、游泳館、商場、大面積溫室、公共建筑、廠房設施等。
2 膜結構建筑常用結構型式
膜結構屬于空間結構體系,它不同于一般的鋼、木、磚和鋼筋混凝土結構,是繼網架、薄殼、懸索結構之后新崛起的一個結構體系。近三十年來,預應力 索在結構體系中的作用和優勢已為工程師所充分認識,各種新型索和膜結構體系得到了廣泛的研究和應用。從膜結構的構造和受力特點可將膜結構分為張拉膜結構、充氣膜結構和框式膜結構三大類。
2.1 張拉膜結構
張拉膜結構是通過邊界條件給膜材施加一定的預張應力,膜既是建筑物的維護體又作為結構以抵抗外部荷載的作用,因此在一定的初始條件下,其形狀的確定、在外荷載作用下膜中應力分布與變形以及怎樣用二維的膜材料來模擬三維的空間曲面等一系列復雜的問題,都需通過計算確定,張拉膜結構的發展離不開計算機技術的進步和新算法的提出。
2.2 充氣膜結構
氣承式膜結構依靠曲面內外氣壓差來維持膜曲面的形狀。 氣承式膜結構是在由膜結構構成的室內充入空氣,保持使室內的空氣壓力始終大于室外的空氣壓力,由此使膜材料處于張力狀態來抵抗負載荷及外力的構造形式。充氣膜結構分為單層結構和雙層結構,單層結構如同肥皂泡,單層膜的內壓大于外壓。此結構具有大空間,重量輕,建造簡單的特點。但需要不斷輸入超壓氣體及需日常維護管理。雙層結構是雙層膜之間充入氣體,和單層相比可以充入高壓空氣,形成具有一定剛性的結構,而且進出口可以敞開。
2.3 框式膜結構
框式膜結構中膜面僅僅起到對框架結構的維護作用,框架結構可以是傳統的剛性結構,也可以是各類索結構。
3 膜材料
21世紀建筑領域的發展趨勢之一是采用新材料。膜結構建筑的開發與應用,擺脫結構對鋼材、木材、混凝土等傳統材料的依賴,為建筑帶來一場新的革命。用于膜結構建筑的膜材料是在用纖維織成的基布上涂敷樹脂或橡膠等而制成的,高強度聚酯纖維是膜材的基質,保證膜材的強度;高分子聚合物涂層保證膜材的密實性;而惰性材料涂層則主要是保證膜材的自潔性。膜材料與金屬、木材等建筑材料不同,它具有柔軟性、透光性等特性,而且膜材料的基布是織物,由于織物徑向(經紗)與緯向(緯紗)的特性不同,因而膜材料是一種異向型非線性材料。基布主要承擔膜材料的抗拉、抗撕裂等力學特性及防火性、耐久性、自潔性、染色性及膜材料與膜材料的溶合性等特性。
目前,膜結構建筑中最常用的材料主要有聚四氟乙烯(PTFE)膜材、聚氯乙烯(PVC)膜材和加面層的PVC膜材:PVDF膜材和PVF膜材。
PTFE類膜材料商品名叫特氟隆(Teflon),是在玻璃纖維布基上敷聚四氟乙烯樹脂(簡寫PTFE),樹脂含量大于90%。PTFE膜的特征是耐久性、防火性與防污性高。但PTFE膜與PVC膜比較,材料費與加工費高,且柔軟性低,在施工上為避免玻璃纖維被折斷,須有專用的工具與施工技術。
PVC類膜材料的布基織物為聚脂或聚胺脂等,涂層為PVC樹脂,或氯丁橡膠類物質,一般另加有聚氟乙烯(PVF)或聚偏氟乙烯(PVDF)類面層。PVC膜材在材料及加工上都比PTFE膜便宜,且具有材質柔軟、易施工的優點。但在強度、耐用性、防火性等性能上較PTFE膜差。為了改善PVC膜材的耐火性及防污性,近年來已研發出以氟素系樹脂于PVC涂層材的表面處理上做涂層。
為了解決PVC膜材料的自潔性,在PVC涂層上再涂上PVDF膜材料。PVDF是聚偏氟乙烯(Po-l yvinylideneFluoride)的略稱,可以抵抗由紫外線引起的降解,顏色變化,失去光澤,抵抗腐蝕,抵抗臟污,抵抗發霉。PVDF膜與一般的PVC膜比較,耐用年限可達7~10年左右,耐火性基本上達到了難燃級水平。
PVF膜材是在PVC膜的表面處理上以PVF樹脂做薄膜狀薄片(1aminate)加工,比PVDF膜的耐久性更佳,且具有防沾污的優點。但因加工性、施工性與防火性不佳,使用受到一定的限制。
4 膜結構的設計與施工
膜結構建筑的結構計算通常由計算機完成,其復雜型體的整體空間作用和繁雜的抗風計算是從事一般建筑結構設計的工程師難以完成的 [4] 。國外 各大從事膜結構建筑設計和安裝的專業公司,都各自開發了大型的專業軟件,但為了控制市場都嚴格保密。目前國內已經出現的諸如上海八萬人體育場等少數膜結構建筑,也都是外國公司設計的。我國自行設計的大型膜結構還很少,國內也尚無成熟的理論計算方法及相應的計算設計程序,制約了膜結構在我國的發展、應用與研究。
傳統膜結構的設計主要包括體形設計、找形分 析、荷載分析、裁剪分析等。
體形設計確定建筑平面形狀尺寸、三維造型、凈空體量,確定各控制點的坐標、結構形式,選用膜材和施工方案。找形分析又稱為初始形態分析,主要是尋找并確定一個既滿足膜內力平衡條件又接近設計者預想造型的曲面。由于膜材料本身沒有抗壓和抗彎剛度,抗剪強度也很差,因此其剛度和穩定性需要靠膜曲面的曲率變化和其中預張應力來提高,對膜結構而言,任何時候不存在無應力狀態,因此膜曲面形狀最終必須滿足在一定邊界條件、一定預應力條件下的力學平衡,并以此為基準進行荷載分析和裁剪分析。膜結構的荷載一般是風載和雪載,荷載作用下膜材料的變形較大,要精確計算結構的變形和應力要用幾何非線性的方法進行;荷載分析的另一個目的是確定索、膜中初始預張力。在外荷載作用下膜中一個方向應力增加而另一個方向應力減少,要求施加初始張應力滿足最不利荷載作用下應力不致減少到零,即不出現皺褶。剪裁分析是在預應力狀態下的曲面形體上尋求合理的裁剪線位置及其分布,然后按照一定的方法將三維曲面展開為二維平面。膜材料輕柔、自振頻率很低,風荷載作用下極易產生風振,導致膜材料破壞,如果初始預應力施加過高,膜材徐變加大,易老化且強度儲備少,對受力構件強度要求也高,增加施工安裝難度。
初始預應力要通過荷載計算來確定。經過找形分析而形成的膜結構通常為三維不可展空間曲面,如何通過二維材料的裁剪,張拉形成所需要的三維空間曲面,是整個膜結構工程中的關鍵問題,是裁剪分析的主要內容。
施工時,應根據膜面的尺寸和施工場地的條件,認真確定膜材的結合位置,以及膜材的捆包、搬運和展開。
5 膜結構的應用前景
隨著工業的發展與計算技術的進步,膜結構也從臨時建筑邁入永久性建筑行列,并成為當代充滿活力的一種新型大跨度空間結構體系。在許多國家舉辦奧運會、世博會的場館建設中,膜結構以其絢麗 的色極和豐富的造型贏得了人們關注、認同。1995年建成的北京房山游泳館(跨度33m,1100m2 )與鞍山農委游泳館(跨度30m,1000m2 )是我國正式應用于工程的空氣支承膜結構,標志我國開始啟動膜結構的工程建設。1997年通過引進國外膜結構技術建成了上海八萬人體育場看臺挑棚后,又相繼建成了青島頤中體育場挑棚膜結構、杭州游泳館、網球館雙層膜結構等二百余項膜結構工程,年增長率達20%以上 [7] 。目前膜結構除了用于體育館、體育場 等體育設施之外,還廣泛應用于商業、教育、交通運輸設施等。由于膜結構新穎美觀的造型和多變的色 彩,還可用于標識性建筑,例如城市與地方的標識、公園入口標識、展覽會標識、行業與會議標識等。然而,目前膜結構在我國尚處于小范圍的試驗階段,但隨著我國經濟實力的增強,新工藝、新材料、新設備的出現,膜結構建筑將成為我國21世紀空間結構的發展主流。
自重輕,跨度大,造價低,可以最大限度發揮材料特性,有利防震;造型新穎美觀,色彩多變,可為文化、體育、旅游、商業設施提供最佳的形象包裝;具有較好的防水、透光性能,建設周期短,可做永久性建筑,也可移動搬遷,有利于城建景觀及房地產項目的開發。可以預見,21世紀中國的經濟突飛猛進,膜結構建筑將在未來大型建筑中展現新、奇、輕、美的特點,因此膜結構建筑的研究與開發有著廣泛的發展前景。
