建筑膜结构 (土木工程)

2021/7/11建筑膜结构建筑膜结构制作：Susan ye硬件支持：2021/7/121. 1.膜结构的定义膜结构的定义 膜结构也称为织物膜结构也称为织物结构，是世纪中叶发展结构，是世纪中叶发展起来的一种新型空间结起来的一种新型空间结构形式，它以性能优良构形式，它以性能优良柔软织物为材料，由膜柔软织物为材料，由膜内空气压力支撑膜面，内空气压力支撑膜面，或利用柔性钢索或刚性或利用柔性钢索或刚性支撑结构使膜面产生一支撑结构使膜面产生一定的预张力，从而形成定的预张力，从而形成具有一定刚度、能够覆具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。盖大空间的结构体系。 膜结构的起源可追溯至远膜结构的起源可追溯至远古时代人们利用牛皮或布等制古时代人们利用牛皮或布等制作的帐篷结构。但是长期以来作的帐篷结构。但是长期以来由于技术原因，这种结构发展由于技术原因，这种结构发展并不快。并不快。19701970年日本大阪世界年日本大阪世界博览会，由美国工程师盖格尔博览会，由美国工程师盖格尔 (David Geiger) (David Geiger) 设计的美国馆，设计的美国馆，其屋顶采用空气支撑膜结构，其屋顶采用空气支撑膜结构，平面尺寸达到平面尺寸达到83.5 m83.5 m142 m142 m，采用以聚氯乙烯采用以聚氯乙烯(PVC)(PVC)涂层的玻涂层的玻璃纤维织物建造。通常被认为璃纤维织物建造。通常被认为是第一个现代意义上的大跨度是第一个现代意义上的大跨度膜结构。膜结构。 虽然现代膜结构出现仅有虽然现代膜结构出现仅有几十年时间，但发展迅速。既几十年时间，但发展迅速。既可应用于大型大跨度的公共建可应用于大型大跨度的公共建筑，如体育场馆、机场大厅、筑，如体育场馆、机场大厅、展览中心、购物中心，也适用展览中心、购物中心，也适用于规模较小而造型各异的休闲于规模较小而造型各异的休闲景观设施、建筑小品等。景观设施、建筑小品等。2021/7/132. 2.膜结构的特点膜结构的特点与传统结构相比，膜结构有以下几个特点：与传统结构相比，膜结构有以下几个特点：1 1）薄膜结构与传统结构相比自重有数量薄膜结构与传统结构相比自重有数量级的差别约为后者的。可以轻易地跨越较大的跨度，且单位面积的自重与造级的差别约为后者的。可以轻易地跨越较大的跨度，且单位面积的自重与造价未明显增加。由于自重轻，膜结构建筑具有良好的抗震性能。价未明显增加。由于自重轻，膜结构建筑具有良好的抗震性能。2 2）膜结构建筑造型丰富多彩、新颖独特，富有时代气膜结构建筑造型丰富多彩、新颖独特，富有时代气息，可为建筑师提供较大的想象和创作空间。息，可为建筑师提供较大的想象和创作空间。3 3）膜材料的裁剪、熔接等工作主要在工厂完成，现场主要是将膜膜材料的裁剪、熔接等工作主要在工厂完成，现场主要是将膜成品张拉就位安装。与传统建筑相比，施工程序简单，施工周期大为缩短。成品张拉就位安装。与传统建筑相比，施工程序简单，施工周期大为缩短。4 4）膜材具有良好的透光性膜材具有良好的透光性，透光率约，透光率约47%16% 47%16% 。白天阳光形成自然。白天阳光形成自然漫射，几乎无需人工采光，节约能耗，而晚上室内灯光透过膜面而给夜空增漫射，几乎无需人工采光，节约能耗，而晚上室内灯光透过膜面而给夜空增添梦幻般的夜景。添梦幻般的夜景。5 5）膜材的表面涂层、特别是聚四氟乙烯涂层，具有良好的非粘着性，膜材的表面涂层、特别是聚四氟乙烯涂层，具有良好的非粘着性，大气中的灰尘及脏物不易附着，表面灰尘也会被雨水冲刷干净，常年使用后大气中的灰尘及脏物不易附着，表面灰尘也会被雨水冲刷干净，常年使用后仍能保持外观洁净与室内美观。仍能保持外观洁净与室内美观。 除了以上优点，膜结构也有一定的除了以上优点，膜结构也有一定的不足不足。如。如耐久性耐久性、保温隔热保温隔热性能性能以及以及隔音效果隔音效果都不及传统的砖石、钢筋混凝土等材料，仍有都不及传统的砖石、钢筋混凝土等材料，仍有待研究。待研究。2021/7/143. 3.膜结构的分类膜结构的分类 根据不同的支撑方式，通常将膜结构分为空气支撑式、张拉根据不同的支撑方式，通常将膜结构分为空气支撑式、张拉式及骨架支撑膜结构大类。式及骨架支撑膜结构大类。2021/7/15 空气支撑膜结构是利用薄膜内外的空气压差来稳定膜面以承空气支撑膜结构是利用薄膜内外的空气压差来稳定膜面以承受外荷载。又可分为气承式和气囊式两类。气承式是通过压力受外荷载。又可分为气承式和气囊式两类。气承式是通过压力控制系统向建筑物室内充气，使室内外保持一定的压力差，膜控制系统向建筑物室内充气，使室内外保持一定的压力差，膜体产生一定的预张力从而保证体系的刚度。气囊式是向单个膜体产生一定的预张力从而保证体系的刚度。气囊式是向单个膜构件通常为管状构件内充气，使其保持足够的内压。由多个膜构件通常为管状构件内充气，使其保持足够的内压。由多个膜结构进行组合形成一定形状的整体结构。结构进行组合形成一定形状的整体结构。2021/7/16 张拉式膜结构是由索网结构发展而来的，依靠薄张拉式膜结构是由索网结构发展而来的，依靠薄膜自身的预张应力与拉索、支柱共同作用构成的结膜自身的预张应力与拉索、支柱共同作用构成的结构体系。张拉式膜结构中，薄膜材料既承载结构，构体系。张拉式膜结构中，薄膜材料既承载结构，又起到围护功能，充分发挥了膜材的结构功能。结又起到围护功能，充分发挥了膜材的结构功能。结构造型也较为丰富，可以说是最具创意的膜结构形构造型也较为丰富，可以说是最具创意的膜结构形式。但对施工精度要求较高，工程造价相对较高。式。但对施工精度要求较高，工程造价相对较高。2021/7/17 骨架支撑膜结构是指以刚性结构通常为钢结构为承重骨架、骨架支撑膜结构是指以刚性结构通常为钢结构为承重骨架、并在骨架上敷设张紧的膜材的结构形式。刚性骨架是主要受力并在骨架上敷设张紧的膜材的结构形式。刚性骨架是主要受力体系，膜材仅作为围护结构，故设计、制作比较简单，工程造体系，膜材仅作为围护结构，故设计、制作比较简单，工程造价相对较低。但未发挥出膜材料本身的结构承载力，跨度也受价相对较低。但未发挥出膜材料本身的结构承载力，跨度也受支撑骨架的限制支撑骨架的限制。2021/7/184. 4.膜材料的物理性能膜材料的物理性能 膜材属于柔性极大的高分子化学建材，其物理性能也与一般传统建材有很大差别。膜材属于柔性极大的高分子化学建材，其物理性能也与一般传统建材有很大差别。1 1）中等强度的中等强度的PVCPVC膜，厚度仅膜，厚度仅0.61 mm0.61 mm，但它的拉伸强度相当于钢，但它的拉伸强度相当于钢材的一半。材的一半。中中等强度的等强度的PTFEPTFE膜，厚度仅膜，厚度仅0.8 mm0.8 mm，但它的拉伸强度已达到钢材，但它的拉伸强度已达到钢材的水平。膜材的弹性模量较低，这有利于膜材形成复杂的曲面造型。的水平。膜材的弹性模量较低，这有利于膜材形成复杂的曲面造型。2 2）膜材料可滤除掉大部分紫外线，防止内部物品褪色。其对自然膜材料可滤除掉大部分紫外线，防止内部物品褪色。其对自然光的透射率可达光的透射率可达225%225%，透射光在结构内部产生均匀的漫射光，无阴影，无眩，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。构表面发出自然柔和的光辉，令人陶醉。3 3）一般膜结构对于的低频几乎是通透的，对于有特殊吸音要求的一般膜结构对于的低频几乎是通透的，对于有特殊吸音要求的膜结构可以采用膜结构可以采用360 Hz360 Hz具有吸声装置的膜材料。具有吸声装置的膜材料。4 4）。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。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。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。5 5）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。挂保温层，运用空调采暖设备等。6 6）膜材经过特殊表面处理如加膜材经过特殊表面处理如加 TiO2 TiO2涂层涂层(TiO2(TiO2涂层的膜材具有很涂层的膜材具有很好的自洁性能好的自洁性能），雨水会在其表面聚成水珠流下，使膜材表面得到自然清洗。，雨水会在其表面聚成水珠流下，使膜材表面得到自然清洗。2021/7/195. 5.膜材料膜材料 以高强以高强纤维织物为纤维织物为骨架材骨架材料料、表面涂覆高表面涂覆高性能涂层材性能涂层材料，并具有料，并具有良好的阻良好的阻燃耐老燃耐老化抗风雪化抗风雪载及自洁性载及自洁性能，可广泛能，可广泛用作展览，用作展览，体育，交通、体育，交通、休闲等建筑休闲等建筑物的屋顶材物的屋顶材料并承载应料并承载应力的新一代力的新一代复合材料，复合材料，人们称之为人们称之为现代建筑膜现代建筑膜结构材料结构材料。 当前常用当前常用的膜材料一的膜材料一般由两部分般由两部分组成：组成：基材基材编织物编织物和和涂涂层层。 其材料的其材料的强度和弹性性强度和弹性性能主要取决于能主要取决于基材，而进一基材，而进一步的性能，如步的性能，如防火、防水、防火、防水、抗紫外线侵蚀抗紫外线侵蚀以及对机械、以及对机械、化学等因素的化学等因素的不敏感性，都不敏感性，都必须依靠涂层必须依靠涂层来加强。来加强。涂层涂层2021/7/110 基材基本上为一种织布，织布是由纤维构成。基材的选择是保基材基本上为一种织布，织布是由纤维构成。基材的选择是保证膜结构品质的关键。证膜结构品质的关键。 常用的建筑膜材按基材可分为两类。一类是以聚酯织物为基常用的建筑膜材按基材可分为两类。一类是以聚酯织物为基材，表面进材，表面进PVCPVC涂层的产品，另一类是以玻璃纤维织物为基材、涂层的产品，另一类是以玻璃纤维织物为基材、表面进行聚四氟乙烯涂层的产品表面进行聚四氟乙烯涂层的产品 前者一般用于使用年限在前者一般用于使用年限在1515年以下的幅时性或半永久性建筑，年以下的幅时性或半永久性建筑，后者后者常常用于永久性建筑。用于永久性建筑。1 1）尼龙）尼龙(Nylon)(Nylon)。其耐磨性和强度较高，抗拉力较聚酯类好，但其。其耐磨性和强度较高，抗拉力较聚酯类好，但其刚度较低，使得在载重情况下可能造成皱褶的概率大为升高，易刚度较低，使得在载重情况下可能造成皱褶的概率大为升高，易受湿度变化的影响，使得在裁剪前后产生误差。另外，易受紫外受湿度变化的影响，使得在裁剪前后产生误差。另外，易受紫外线影响而逐渐失去抗拉力。若温度较高，可能发生氧化而变黄、线影响而逐渐失去抗拉力。若温度较高，可能发生氧化而变黄、变脆。变脆。2 2）聚酯类（）聚酯类（PolyesterPolyester）。又称为涤纶，抗拉力较尼龙稍差，但其具）。又称为涤纶，抗拉力较尼龙稍差，但其具有良好的耐久性、抗紫外线性能有良好的耐久性、抗紫外线性能。2021/7/1116.膜结构建筑案例 国家游泳中心（俗称国家游泳中心（俗称“水立方水立方”）位于北京奥林匹）位于北京奥林匹克公园内，克公园内，20082008年北京奥运会标志性建筑物之一。年北京奥运会标志性建筑物之一。“水立水立方方”是世界上最大的膜结构工程，建筑外围采用世界上最是世界上最大的膜结构工程，建筑外围采用世界上最先进的环保节能先进的环保节能ETFE(ETFE(四氟乙烯四氟乙烯) )膜材料。膜材料。“水立方水立方”整体建筑由整体建筑由30003000多个气枕组成，气枕大小不一、多个气枕组成，气枕大小不一、形状各异，覆盖面积达到形状各异，覆盖面积达到1010万平方米，堪称世界之最。万平方米，堪称世界之最。2021/7/112大连金石滩影视艺术中心 为骨架式双层膜结构，主体膜结构为半个椭球钢网壳上面直接覆盖膜材料，椭球网壳平面长轴60米、短轴45米、高16米；为提高其保温隔热性能，本工程采用了双层膜，膜层间距475米。该项目荣获中国空间结构优秀工程三等奖。2021/7/113天津保税区区标 时至今日，完成于1998年5月14日的天津保税区区标膜结构工程，已经成为中国膜结构业界的里程碑，它标志着中国膜结构划时代的开始，其中索膜结构是此工程的重点内容， 44个独立的膜结构单元体和钢结构采用牵拉方式连接，面材为法国法拉利公司生产的型号为1002T。 2021/7/114北京雕塑展览中心2021/7/115大连五彩城风筝放飞场2021/7/116帆船酒店表表1 1我国我国20002000左右左右完成的大型膜结构体育馆完成的大型膜结构体育馆 体育馆名称体育馆名称膜材投影面积膜材投影面积(万万/m2)膜材类型膜材类型施工单位施工单位建成时间建成时间上海八万人体上海八万人体育馆育馆36PVC膜材Bjrdaj公司1999上海虹日俸育上海虹日俸育馆馆26PVC膜材Bima公司1999广州黄埔体育广州黄埔体育馆馆10PVC膜材光翌空间膜结构技术工程公司2000浙江义鸟体育浙江义鸟体育馆馆16PVC膜材纽曼帝膜建筑技术公司2001青岛最中体育青岛最中体育馆馆30PVC膜材纽曼帝膜建筑技术公司2001武秘体育中心武秘体育中心30PVC膜材琢翻矗公司2001威海体育中心威海体育中心25PVC膜材光翌空间膜结构技术工程公司2001烟台体育馆烟台体育馆16PVC膜材纽曼帝膜建筑技术公司2001郑州航海体育馆郑州航海体育馆20PVC膜材纽曼帝膜建筑技术公司20012021/7/1185. 5.问题与展望问题与展望 我国在建筑膜材开发中需解决的核心问题有我国在建筑膜材开发中需解决的核心问题有： (1)(1)国内生产的基布都是平纹组织结国内生产的基布都是平纹组织结构。还没有厂家开发出可用于建筑膜构。还没有厂家开发出可用于建筑膜 材的结构的基布材的结构的基布。(2)(2)采用的都是常规的单向张拉工艺，双向拉伸工采用的都是常规的单向张拉工艺，双向拉伸工艺未能开发艺未能开发。(3)(3)目前国内厂家都是直接买国外目前国内厂家都是直接买国外的表面处理桶的表面处理桶。品种以丙烯酸树脂为主，但防污自洁效果好品种以丙烯酸树脂为主，但防污自洁效果好的的PVDF(PVDF(聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯) )与与PVF(PVF(聚氟乙烯聚氟乙烯) )处理荆未能开发。处理荆未能开发。 目目前还没有机构对建筑膜材的开发进行深人系统的研究，上述前还没有机构对建筑膜材的开发进行深人系统的研究，上述问题未能顺利解决在很大程度上问题未能顺利解决在很大程度上阻碍阻碍了建筑膜材在我国的大了建筑膜材在我国的大量使用。量使用。 2021/7/119 感谢的特别支持谢谢观赏谢谢观赏 若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！