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张拉膜结构的概念设计

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-22 20:26:15 [收藏]

    一、从结构方式上大致可分为骨架式、张拉式、充气式膜结构3种形式海口海洋世界入口膜结构

    　　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。

    　　青岛音乐广场

    　　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，因利用气压 来支撑，及钢索作为辅助材，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。

    　　二、膜材料用于膜结构建筑中的膜材是一种具有强度，柔韧性好的薄膜材料，是由纤维编织成织物基材，在其基材两面以树脂为涂层材所加工固定而成的材料，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），在力学上织物基材及涂层材分别具有影响下列的功能性质。

    　　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，加工性，耐水性，耐品，透光性。

    　　三、膜材的正确选定用于建筑膜结构的膜材，依涂层材不同大致可分为PVC膜与PTEF膜，膜材的正确选定应考虑其建筑的规模大小、用途、形式，使用年限及预算等综合因素后决定。

    　　PVC膜（PVC-Coated Polyester）

    　　PVC膜材在材料及加工上都比PTFE膜便宜，且具有材质柔软，易施工的优点。但在强度、耐用年限、防火性等性能上较PTFE膜差。PVC膜材是由聚脂纤维织物加上PVC涂层（聚氯乙烯）而成，一般建筑用的膜材，是在PVC涂层材的表面处理上，涂以数micron厚的压克力树脂（acrylic），以改善防污性。但是，经过数年之后就会变色、污损、劣化。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于PVC涂层材的表面处理上做涂层，以改善其耐侯性及防污性的膜材。

    　　PVDF PVDF是二氟化树脂（Polyvinylidene Fluoride）的略称，在PVC膜表面处理上加以PVDF树脂涂层的材料称为PVDF膜。PVDF膜与一般的PVC膜比较，耐用年限改善至7~10年左右。

    　　PVF PVF是一氟化树脂（Polyvinyl Fluoride）的略称。PVF膜材是在PVC膜的表面处理上以PVF树脂做薄膜状薄片（laminate）加工，比PVDF膜的耐久性更佳，更具有防沾污的优点。但因为加工性、施工性与防火性都不佳，所以使用用途受到限制。

    　　PTFE膜（PTFE Coated Fiberglass）

    　　PTFE膜是在超细玻璃纤维织物上，涂以聚四氟乙烯树脂而成的材料。PTFE膜最大的特微就是耐久性、防火性与防污性高。但PTFE膜与PVC膜比较，材料费与加工费高，且柔软性低，在施工上为避免玻璃纤维被折断，须有专用治工具与施工技术。

    　　耐久性：涂层材的PTFE对酸、硷等化学物质及紫外线非常安定，不易发生变色或破裂。玻璃纤维在经长期使用后，不会引起强　　　　　　度劣化或张力减低。膜材颜色一般为白色、透光率高，耐久性在25年以上。

    　　防污性：因涂层材为聚四氟乙烯树脂，表面摩擦系数低，所以不易污染，可藉由雨水洗净。

    　　防火性：PTFE膜符合近所有国家的防火材料试验合格的特性，可替代其它的屋顶材料做同等的使用用途。

    　　四、工程应用体育设施?体育场馆、健身中心等交通设施?机场、火车站、公交车站、高速公路收费站、加油站等文化设施?展览/会议中心、剧场、博物馆、动物园、水族馆等景观设施?建筑入口、泳池小品、小区长廊、户外广场、公园小品、标识性建筑等商业设施?购物中心、餐厅、步行街等工业设施?工厂、仓库、污水处理中心、物流中心、温室等 张拉膜结构的概念设计只有正确表达结构逻辑的建筑才有强大的说服力与表现力“这句话揭示了张拉膜结构的精髓。对于张拉膜结构，任何附加的支撑和修饰都是多余的，其结构本身就是造型；换句话说，不符合结构的造型是不可能的，因为那样的薄膜不是飘动的就是缺乏稳定性的。张拉膜结构的美就在于其”力“与”形“的完美结合。

    　　张拉膜结构的基本组成单元通常有：膜材、索与支承结构（桅杆、拱或其他刚性构件）。

    　　膜材一种新兴的建筑材料，已被公认为是继砖、石、混凝土、钢和木材之后的“第六种建筑材料”。膜材本身不能受压也不能抗弯，所以要使膜结构正常工作就必须引入适当的预张力。此外，要保证膜结构正常工作的另一个重要条件就是要形成互反曲面。传统结构为了减小结构的变形就必须增加结构的抗力；而膜结构是通过改变形状来分散荷载，从而获得最小内力增长的。当膜结构在平衡位置附近出现变形时，可产生两种回复力：一个是由几何变形引起的；另一个是由材料应变引起的。通常几何刚度要比弹性刚度大得多，所以要使每一个膜片具有良好的刚度，就应尽量形成负高斯曲面，即沿对角方向分别形成“高点”和“低点”。“高点”通常是由桅杆来提供的，也许是由于这个原因，有些文献上也把张拉膜结构叫做悬挂膜结构（suspension membrane）。

    　　索作为膜材的弹性边界，将膜材划分为一系列膜片，从而减小了膜材的自由支承长度，使薄膜表面更易形成较大的曲率。有文献指出，膜材的自由支承长度不宜超过15米，且单片膜的覆盖面积不宜大于500平米。此外，索的另一个重要作用就是对桅杆等支承结构提供附加支撑，从而保证不会因膜材的破损而造成支承结构的倒塌。

    　　膜结构设计主要包括以下内容：

    　　1，初始态分析：确保生成形状稳定、应力分布均匀的三维平衡曲面，并能够抵抗各种可能的荷载工况；这是一个反复修正的过程。

    　　2，荷载态分析：张拉膜结构自身重量很轻，仅为中国建筑金属结构信息网的1／5，混凝土结构的1／40；因此膜结构对地震力有良好的适应性，而对风的作用较为敏感。此外还要考虑雪荷载和活荷载的作用。由于目前观测资料尚少，故对膜结构的设计通常采用安全系数法。

    　　3，主要结构构件尺寸的确定，及对支承结构的有限元分析。当支承结构的设计方法与膜结构不同时，应注意不同设计方法间的系数转换。

    　　4，连接设计：包括螺栓、焊缝和次要构件尺寸。

    　　5，剪裁设计：这一过程应具备必要的试验数据，包括所选用膜材的杨氏模量和剪裁补偿值（应通过双轴拉伸试验确定）。

    　　膜结构在方案阶段需要考虑的问题有：

    　　1，预张力的大小及张拉方式；

    　　2，根据控制荷载来确定膜片的大小和索的布置方式；

    　　3，考虑膜面及其固定件的形状以避免积水（雪）；

    　　4，关键节点的设计，以避免应力集中；

    　　5，考虑膜材的运输和吊装；

    　　6，耐久性与防火考虑。

    　　在膜结构设计阶段所要考虑的要点有：

    　　1，保证膜面有足够的曲率，以获得较大的刚度和美学效果；

    　　2，细化支承结构，以充分表达透明的空间和轻巧的形状；

    　　3，简化膜与支承结构间的连接节点，降低现场施工量。

    　　膜结构研究的主要问题有：

    　　1，找形（Form-finding）或更进一步叫“形态理论”；

    　　2，考虑膜材松弛和各向异性下的结构响应；

    　　3，结构在风荷载作用下的动力稳定性；

    　　4，裁剪优化；

    　　5，膜与索及支承结构间的相互作用。

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