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什么是張拉膜結構

來源: 奧克金鼎 人氣:1724 發表時間:2021/02/11 00:10:22

什么是張拉膜結構

膜結構又叫張拉膜結構,是21世紀最具代表性的建筑形式。從98年來到中國前,國外設計、加工、安裝膜結構已經有近40年的經驗了;不太明白或沒有接觸過張拉膜的人們就叫他白色的篷子、像帆布一樣的船帆或像帳篷一樣的等等描述;其實張拉膜結構的前身就是露營帳篷演變而來,科研人員、需求的客戶為了把帳篷做的更耐久、更大、更新穎、更牢固,通過不斷的完善技術,不斷的吸取實踐經驗,經過漫長的洗禮,到現在的張拉膜結構的技術已經非常成熟完善。下圖為膜結構的演變過程,讓帳篷變為更漂亮、更耐用、更實用張拉膜結構。(如下圖123)

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奧克金鼎膜結構的由來:作為一個2004年來深打拼沒有什么文化的農家子弟,在2003年服完兵役閑置在家后,經過一個資深大哥指引、介紹來到深圳進入這個膜結構行業,2006年開立這家公司時就給自己一個定位,要用行動來證明做出一個行業標桿,為中國造添磚添瓦。首先確定一個“鼎”字,本身做的就是個頂篷;其次就是要做就做高質量、最漂亮、最好的鼎,就鎖定修飾詞“金”,憑什么做最好的“金鼎”,那么就聯想到2006年德國世界杯比賽的那種精神,周恩來總理說過的為自己國家崛起而讀書等,作為一個企業就需要一種更快、更高、更強的精神,就是需要相互了解、友誼、團結和公平競爭的精神,最后把奧林匹克簡稱為“奧克”;最后落定為:發揚奧林匹克精神,創造中國最好的鼎,而奮斗………;簡稱:奧克金鼎。

(一)、從帳篷到永久性建筑

過去人們習慣地把膜結構看作是個帳篷,而帳篷只能算是一個臨時性建筑--不夠牢固、不能防火、又不能保暖或隔熱。如今對采用膜結構的帳篷卻要刮目相看了,其中的關鍵問題就是材料。當年大阪博覽會上的美國館,由于是臨時性的展覽建筑,采用的膜材是涂覆聚氯乙烯(PVC)的玻璃纖維織物,算不上先進,但在強度上也經受了兩次速度高達每小時140km以上臺風的考驗。通過這個工程使設計者認識到,需要一種強度更高、耐久性更好、不燃、造型更美觀實用、透光和能自潔的建筑織物,70年代美國制造商開發的玻璃纖維織物即滿足了如上的要求。主要的改進是涂覆的面層采用了聚四氟乙烯(PTFE,商品名Teflon一特氟隆)。這種材料于1973年首次應用于美國加利福尼亞拉維思學院一個學生活動中心的屋頂上。經過20多年的考驗,材料還保持著70-80%的強度,仍然透光并且沒有褪色,拉維恩學院膜結構的使用經驗表明,涂覆PTEE面層的玻璃纖維織物,不但有足夠的強度承受張力,在使用功能上也具有很好的耐久性,從樂觀的估計來說,這種材料的使用年限將遠不止當初所估計的25年。

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與此同時,一種價格比較低、涂覆PVC的聚酯織物在性能上也有很大的改進。制造商在原來的涂層外面再加一面層,比較成熟的有聚氟乙烯(PVF,商品名Tediar)和聚偏氟乙烯(PVDF),這種面層不但能保護織物抵抗紫外線,而且大大地改進了自潔性,這樣就把聚酯織物的使用年限提高到15;得以在永久性建筑中使用。

1975年在美國密執安州龐提亞克興建了平面尺寸243.9X183m的銀色穹頂,這是第一次將氣承式膜結構應用于永久性的大型體育館。其后在北美地區,類似的膜結構就建了9座,其中象美國的明尼阿波利斯和加拿大的溫哥華均位于北方地區。雖然象這樣的充氣結構也發生過幾次不愉快的坍塌事故,但是膜結構終于登堂入室,進入永久性建筑的行列。日本在徘徊了10多年之后,也在1988年修建東京后樂園棒球場時采用了氣承式膜結構。

早期修建的膜結構大多是開敞式或位于氣候溫和的地區,還沒有充份發揮膜材的圍護能力,那么在寒冷和多雪地區,將是對膜結構作為永久性建筑的真正考驗。1983年在加拿大加爾格里建成的林賽公園體育中心就是一個例證。在這座橢圓形的建筑中,游泳館和田徑館各占一半,以一根橫跨122m的格構式鋼拱將兩者分開。在鋼拱與周邊圈梁之間的鋼索網支承著折線形的膜材屋面,采用涂覆PTEE的玻璃纖維織物,索網下設有纖維棉的保暖層,屋頂不但能防寒,還能透過4%的光線,這就足以在白天不用人工采光。此外在保暖層下面還有一層很薄的蒸氣絕緣層,能起吸音作用。

位于號稱日本雪國的秋田縣,最深積雪可達150cm。1990年建造了天空穹頂體育館,其外形從球體截取,長邊為130m、短邊為100m。這座體育館的設計構思來源于當地著名的雪窯洞,但置身其中又有在戶外的感覺。屋蓋承重是正交的格構式空間拱系,沿長方向采用空腹拱并設有鋼索,沿短方向采用鋼管拱。長向鋼索被用來對膜面施加張力,同時與骨架在屋面形成V形槽溝,以便于雪滑落。緊貼屋面的鋼管拱被用作輸送暖風的通道,既起到融雪的作用,也解決了膜面的結露問題。膜材為單層玻璃纖維織物,透光率可達10%,在場中仰望屋頂,給人以通透明亮的感覺。在寒冷地區建造大跨度膜結構,秋田天空穹頂是一個成功的范例。

(二)膜結構領域

文化設施--展覽中心、劇場、會議廳、博物館、植物園、水族館等

體育設施--體育場、體育館、健身中心、游泳館、網球館、籃球館等

商業設施--商場、購物中心、酒店、餐廳、商店門頭(挑檐)、商業街等

交通設施--機場、火車站、公交車站、收費站、碼頭、加油站、天橋連廊等

工業設施--工廠、倉庫、科研中心、處理中心、溫室、物流中心、工業大煤棚等

景觀設施--建筑入口、標志性小品、步行街、停車場等

(三)膜結構建筑按結構分類

從結構上分可分為:骨架式膜結構,張拉式膜結構,充氣式膜結構3種形式

1.骨架式膜結構(Frame Supported Structure)

以鋼構或是集成材構成的屋頂骨架,在其上方張拉膜材的構造形式,下部支撐結構安定性高,因屋頂造型比較單純,開口部不易受限制,且經濟效益高等特點,廣泛適用于任何大,小規模的空間。

2.張拉式膜結構(Tension Suspension Structure)

以膜材、鋼索及支柱構成,利用鋼索與支柱在膜材中導入張力以達安 定的形式。除了可實踐具創意,創新且美觀的造型外,也是最能展現膜結 構精神的構造形式. 近年來,大型跨距空間也多采用以鋼索與壓    縮材構成鋼索網來支撐上部膜材的形式。因施工精度要求高,結構性能強,且具豐富的表現力,所以造價略高于骨架式膜結構。

3.充氣式膜結構(Pneumatic Structure)

充氣式膜結構是將膜材固定于屋頂結構周邊,利用送風系統讓室內氣壓上升到一定壓力后,使屋頂內外產生壓力差,以抵抗外力,因利用氣壓來支撐,及鋼索作為輔助材,無需任何梁,柱支撐,可得更大的空間,施工快捷,經濟效益高,但需維持進行24小時送風機運轉,在持續運行及機器維護費用的成本上較高。

現今,城市中已越來越多地可以見到膜結構的身影。膜結構已經被應用到各類建筑結構中,在我們的城市中充當著不可或缺的角色。

(四)膜結構的特性

張拉膜結構作為一種建筑體系所具有的特性主要取決于其獨特的形態及膜材本身的性能。恰由于此,用膜結構可以創造出傳統建筑體系無法實現的設計方案。

1、 輕質:張力結構自重小的原因在于它依靠預應力形態而非材料來保持結構的穩定性。從而使其自重比傳統建筑結構的小得多,但卻具有良好的穩定性。建筑師可以利用其輕質大跨的特點設計和組織結構細    部構件,將其輕盈和穩定的結構特性有機地統一起來。

2、 透光性:透光性是現代膜結構最被廣泛認可的特性之一。膜材的透光性可以為建筑提供所需的照度,這對于建筑節能十分重要。對于一些要求光照多且亮度高的商業建筑等尤為重要。通過自然采光與人工    采光的綜合利用,膜材透光性可為建筑設計提供更大的美學創作空間。夜晚,透光性將膜結構變成了光的雕塑。膜材透光性是由它的基層纖維、涂層及其顏色所決定的。標準膜材的光譜透射比在10%~20%之間,    有的膜材的光譜透射比可以達到40%,而有的膜材則是不透光的。膜材的透光性及對光色的選擇可以通過涂層的   顏色或是面層顏色來調節。

通過膜材和透光保溫材料的適當組合,可以使含保溫層的多層膜具有透光性。即使光譜透射只有幾個百分點,膜屋面對于人眼來說依然是發亮和透光的,具有輕型屋面的觀感。

3、柔性:張拉膜結構不是剛性的,其在風荷載或雪荷載的作用下會產生變形。膜結構通過變形來適應外荷載,在此過程中荷載作用方向上的膜面曲率半徑會減小,直至能更有效抵抗該荷載。

張拉結構的靈活性使其可以產生很大的位移而不發生永久性變形。膜材的彈性性能和預應力水平決定了膜結構的變形和反應。適應自然的柔性特點可以激發人們的建筑設計靈感。

不同的膜材的柔性程序也不相同,有的膜材柔韌性極佳,不會因折疊而產生脆裂或是破損,這樣的材料是有效實現可移動、可展開結構的基礎和前提。

4、 雕塑感:張拉膜結構的獨特曲面外形使其具有強烈的雕塑感。膜面通過張力達到自平衡。負高斯膜面高低起伏具有的平衡感使體型較大的結構看上去像擺脫了重力的束縛般輕盈地飄浮于天地之間。無論室    內還是室外這種雕塑般的質感都令人激動。

張拉膜結構可使建筑師設計出各種張力自平衡、復雜且生動的空間形式。在一天內隨著光線的變化,雕塑般的膜結構通過光與影而呈現出不同的形態。日出和日落時,低入射角度的光線將突現屋頂的曲率和浮    雕效果,太陽位于遠地點時,膜結構的流線型邊界在地面上投入彎彎曲曲的影子。利用膜材的透光性和反射性,經過設計的人工燈光也可使膜結構成為光的雕塑。

5、 安全性:按照現有的各國規范和指南設計的的輕型張拉膜結構具有足夠的安全性。輕型結構在地震等水平荷載作用下能保持很好的穩定性。

6、由于輕型結構自重較輕,即使發生意外坍塌,其危險性也較傳統建筑結構小。膜結構發生撕裂時,若結構布置能保證桅桿、梁等剛性支承構件不發生坍塌,其危險性會更小。

7、膜結構的柔性使其在任一荷載作用下均以最有利的形態承載。當然,結構的布置和形狀要根據荷載情況來進行設計和調整。設計要確何膜面與其輔助結構協調工作,以避免力在膜面或輔助結構上集中而達    結構破壞的臨界值。

8、膜結構的突出特點之一就是它形狀的多樣性,曲面存在著無限的可能性。對于氣承式空氣膜結構來說,充氣之后的曲面主要是圓球面或圓柱面,可能沒有太多的選擇余地。而對于以索或骨架支承的膜結      構,其曲面就可以隨著建筑師的想象力而任意變化。

9、膜結構形狀的千變萬化突出地表現在歷年各國舉行的博覽會上。在這些博覽會上,大大小小的展覽館,無不以新穎奇特的造型來吸引觀眾,而膜結構就能用來達到這樣的目的。例如1985年在日本茨城縣舉     行的國際科學技術博覽會,入口就是以五顏六色的膜材構成的拱形大門。在眾多的展覽館中膜結構尤為奪目,像火鳥館以鋼梁與索組成的骨架支承扁平的凹凸屋面。美國館以高聳的桅桿懸掛銀白色的屋面。電    力館以中央塔架懸吊25個尖頂帳篷,夜晚通過燈光的反射宛如燃燒的火焰。其他象在候車亭、電話亭、走廊、廁所上也都出現了用膜材構成形式各異的建筑小品,蔚為大觀。

10、就形狀而言,對建筑師說來是至關重要的。采用一般結構的建筑物,其形狀往往是先由建筑師確定。膜結構則不同,首先它的變形比一般結構要大一些,其次它的形狀是在施工過程中逐步形成的,有一個     形狀確定的問題,需要結構工程師的參與。要確定在初始荷載下結構的初始形狀,即結構體系在膜自重(有時還有索)與預應力作用下的平衡位置。在初步設計階段,先按建筑要求設定大致的幾何外形,然后對    膜面施加預應力使之承受張力,其形狀也相應改變,經過不斷調整預應力,最后就可得到理想的幾何外形和應力分布狀態。

11、懸索結構中的索網與膜結構一樣也有形狀確定問題,像1968年蒙特利爾博覽會的德國館和1972年慕尼黑奧運會主體育場都有特殊的形狀需要確定,當時只有借助于縮尺模型來解決。早期的膜結構也往往采    用這個方法,材料從最簡單的肥皂膜,一直到織物或鋼絲。由于在小比例模型上測量的誤差尚不足以保證曲面幾何形的正確性,故對足尺的建筑外形只能起參考作用。但這還不失為一種有效的手段,能為設計    者提供一個直觀的形象。隨著計算機技術的不斷進步,膜結構的形狀就更多地依靠計算機來確定。在膜結構設計理論中還出現了專門的研究課題--找形(formfinding)。為了尋求合理的幾何外形,這個過程通過    計算機的幾次迭代,就可確定膜結構的初始形狀。

   12、膜結構設計打破了傳統的先建筑、后結構做法,要求建筑設計與結構設計緊密結合。在設計過程中,建筑師和結構工程師要坐在一起確定建筑物的形狀,并進行必要的計算分析。這時,所設計建筑物的平    面形狀、立面要求、支點設置、材料類型和預應力大小都將成為互相制約的因素,一個完美的設計也就是上述矛盾統一的結果。膜結構打破了純直線建筑風格的模式,以其獨有的優美曲面造型,簡潔、明快、    剛與柔、力與美的完美組合,同時給建筑設計師提供了更大的想象和創造空間。

 

(五)、膜結構的優點

(1)大跨度。膜結構自重輕、抗震性能好,可以不需要內部支承,克服了傳統結構在大跨度(無支撐)建筑上實現所遇到的困難,可創造巨大的無遮擋可視空間,有效增加空間使用面積。

(2)藝術性。膜結構突破了傳統的建筑結構類型,以造型學、色彩學為依托,可結合自然條件,充分發揮建筑師的想象力,根據創意建造出傳統建筑難以實現的曲線及各種造型,且色彩豐富,富有時代氣息,      體現結構構件受力之美。配合燈光易形成夜景,給人以現代美的享受。

(3)經濟性。膜材料具有一定的透光率,白天可減少照明強度和時間,節約能源;夜間彩燈透射可形成絢爛的景觀。而且,膜結構能夠拆卸,易于搬遷,特別是在建造短期應用的大跨度建筑時,更為經濟。

(4)安全性。膜材料具有的阻燃性和耐高溫性,能很好地滿足防火要求;膜結構屬柔性結構,能夠承受很大的位移,不易整體倒塌;膜結構自重輕,抗震性能比較好。

(5)自潔性。膜建筑中采用具有防護涂層的膜材,本身不發黏,落到膜材表面的灰塵可以靠雨水的自然沖洗而達到良好的自潔效果,同時保證建筑的使用壽命。

(6)工期短。膜片的裁剪、鋼索及鋼結構等的制作均在工廠完成,減少現場施工時間,可與下部鋼筋混凝土結構或構件等同時進行,避免施工交叉,在施工現場只是鋼索、鋼結構及膜片的連接安裝定位及張拉      的過程,故現場施工安裝、迅速快捷,相對傳統建筑工程工期較短。

(7)適用廣。從氣候條件看,膜結構建筑適用的地域廣闊;從規模上看,可以小到單人帳篷、花園小品,大到覆蓋幾萬、幾十萬平方米的建筑。甚至有人曾設想覆蓋一個小城,實現人造自然。

(六)膜結構材料介紹

膜結構膜材主要分為PVDF、PTFE、ETFE三大類:

PVDF膜材:

Poly(vinylidene fluoride),英文縮寫PVDF,主要是指偏氟乙烯均聚物或者偏氟乙烯與其他少量含bai氟乙烯基單體的共聚物,它兼具氟樹脂和通用樹脂的特性,除具有良好的耐化學腐蝕性、耐高溫性、耐氧化性、耐候性、耐射線輻射性能外,還具有壓電性、介電性、熱電性等特殊性能,是含氟塑料中產量名列第二位的大產品。

PTFE膜材:

聚四氟乙烯(TeflonPTFE),俗稱“塑料王”,是由四氟乙烯經聚合而成的高分子化合物,具有優良的化學穩定性、耐腐蝕性、密封性、高潤滑不粘性、電絕緣性和良好的抗老化耐力。

耐高溫——使用工作溫度達250℃。耐低溫——具有良好的機械韌性;即使溫度下降到-196℃,也可保持5%的伸長率。耐腐蝕——對大多數化學藥品和溶劑,表現出惰性、能耐強酸強堿、水和各種有機溶劑。耐氣候——堪比塑料的老化壽命。高潤滑——固體材料中摩擦系數接近于。不粘附——不粘附任何物質

ETFE膜材:

ETFE的英文為:ethylene-tetra-fluoro-ethylene,中文全稱為:乙烯-四氟乙烯共聚物,它在保持了PTFE 良好的耐熱、耐化學性能和電絕緣性能的同時,耐輻射和機械性能有很大程度的改善,拉伸強度可達到50MPa,接近聚四氟乙烯的2倍。

膜結構材料的挑選很大程度取決于膜結構建筑的功能、防火請求、使用壽命、規劃和投資金額等。所以挑選膜結構材料要了解以下幾點:

1、強度,包括抗拉強度與撕裂強度。視膜結構建筑的面積、預應力等來挑選技術參數適宜的膜材,這樣膜結構材料即能滿足膜結構建筑修建需求,又不會形成虛耗。

2、耐用性及抗老化功能,自潔功能及適應各種氣候功能。

3、防火功能,即要求膜結構材料是阻燃或是不燃材料。這取決于膜結構建筑的功能及它所在的環境對膜結構建筑的防火功能要等級要求。

4、膜結構材料價格。因為客戶挑選膜結構材料除了要求膜材功能符合建筑要求外,報價是不是超出預算也是個重要因素。不相同品種,不相同品牌,甚至同種膜材性能也有不同,功能也有差異。一般來說,進口膜材報價較高,而相同參數國產膜材報價相對低些。所以這就看客戶對膜結構建筑材料采購的預算情況。

(七)膜結構造型分類

膜結構建筑造型豐富多彩,千變萬化,按照支承方式分為充氣式膜結構、張拉膜結構和骨架支承膜結構。

1.骨架式膜結構

以鋼構或是集成材構成的屋頂骨架,在其上方張拉膜材的構造形式,下部支撐結構安定性高,因屋頂造型比較單純,開口部不易受限制,且經濟效益高等特點,廣泛適用于任何大,小規模的空間。

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2.張拉式膜結構

以膜材、鋼索及支柱構成,利用鋼索與支柱在膜材中導入張力以達安 定的形式。除了可實踐具創意,創新且美觀的造型外,也是最能展現膜結 構精神的構造形式. 大型跨距空間也多采用以鋼索與壓縮材構成鋼索網來支撐上部膜材的形式。因施工精度要求]高,結構性能強,且具豐 富的表現力,所以造價略高于骨架式膜結構。

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3.充氣式膜結構

充氣式膜結構是將膜材固定于屋頂結構周邊,利用送風系統讓室內氣壓上升到一定壓力后,使屋頂內外產生壓力差,以抵抗外力,因利用氣壓來支 撐,及鋼索作為輔助材,無需任何梁,柱支撐,可得更大的空間,施工快捷,經濟效益高,但需維持進行24小時送風機運轉,在持續運行及機器維護費用的成本上較高。

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