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1膜結構的特點

1·1材料特點

膜結構的自重特別輕。膜材的厚度一般在1mm左右,與壓型鋼板相比,雖然厚度差不多,但容重要小得多,即使加上加勁鋼索,自重也只有10kg/m2左右,而一般的輕鋼結構屋蓋,其自重至少在100kg/m2以上。正因為自重輕,使膜結構能容易地跨越幾百米、甚至上千米的跨度。所有膜材都是半透明的,最高透光率可達20%,因此整個建筑物在白天可以不用人工照明。同時光線能均衡地漫射,從而創立一個無眩光的、明亮的室內空間。此外淺色的膜材能反射陽光,反射率至少有70%,在夏季能大大減少熱量的傳遞,加上沒有照明用電,可充分節約能源。膜結構還有一個優點就是它的自潔性。目前所生產的膜材,其涂層或面層能使聚集在其上的灰塵輕易地被雨水沖刷掉,從而保持皎潔的外貌。

1·2設計特點

膜結構的設計與傳統結構不同。膜材既輕又薄,本身沒有什么剛度,只有依靠曲率和施加預張力來起承重作用。大部分膜結構的形狀都是在施工過程中逐步形成的,因此在開始設計時就要確定它的初始形態,也就是在滿足建筑造型和使用功能的要求下,決定膜面的初始曲率和預張力。這就需要結構工程師及早參與進來,使建筑設計和結構設計做到密切配合。在初始形態的基礎上,要進行荷載效應分析,考慮各種不同的荷載組合情況下對膜結構產生的內力和變形。這時要注意:①膜材在經向和緯向的力學性能不同,要考慮材料的各向異性;②膜結構在荷載作用下變形很大,結構分析要考慮幾何非線性。膜結構設計的最后一道是裁剪分析,這也是一般傳統結構所沒有的。膜結構完成后其膜面在空間中是三維的,然而膜材卻是二維的平面,因此必須將空間的曲面劃分為條狀的裁剪片,以便在拼接并張拉后形成初始的膜曲面。問題的難度還在于裁剪分析中必須考慮初始預張力和膜材徐變的影響。由于以上特點,膜結構的分析與設計都要通過計算機來完成,目前國內外都已開發了專用的軟件。

2膜材

2·1膜材的分類

目前最常用的膜材則是以玻璃纖維和聚酯纖維為基材分為兩大類。

(1)以玻璃纖維為基材大多采用聚四氟乙烯(PTFE)為涂層,其商品名稱為特氟隆(Teflon)。這種膜材的玻璃纖維一般都用很細的β紗織成,因此具有較高的強度,并能改進玻璃的脆性。此外,它在材料尺寸穩定性、耐火性和自潔性方面都有良好的表現。玻璃纖維膜材的生產廠家提出的質量保證期雖然只有10~15年,但根據工程實踐的經驗,使用年限可到25年。

(2)以聚酯纖維為基材采用聚氯乙烯(PVC)為涂層。與玻璃纖維膜材相比,它的強度等性能稍差,但價格便宜、加工制作容易。這種膜材最大的缺點是在大氣塵埃和紫外線的作用下涂層逐漸破壞變質,嚴重地影響了耐久性。為改進其性能可在涂層外再加面層,從而能保護織物抵抗紫外線并改進其自潔性。常用的面層有聚偏氟乙烯(PVF)與聚偏二氟乙烯(PVDF),前者的商品名稱為泰德拉爾(Tedlar)。增加面層之后,聚酯纖維膜材的各種性能都有提高,但耐火性能還只能做到難燃,使用年限可達到15年。

2·2常用膜材的性能對比

目前國內一些廠家雖然也能生產膜材,但其性能尚難達到建筑織物的要求,因此絕大部分工程所采用的膜材都是國外生產的。為了填補這個空白,國內生產廠家正在努力試制性能較高的膜材,同時還有企業正在引進國外的設備和技術來生產膜材,以期滿足日益增長的膜結構工程的需求。

3制作與安裝

好的膜結構制作與安裝應該保證在所建的工程中實現設計中所規定的幾何曲面和預張力水平。因此,一個合格的制作者應對三維膜面形狀生成的要領有充分的理解,同時熟悉所加工膜材的性能。而一個合格的安裝者則應在施工過程中善于控制不斷變化的幾何形狀。膜結構的制作,大部分工作量是在工廠內完成的,因此加工制作場地必須有足夠大的空間,并保持平整清潔,滿足一定溫濕度的要求。

成卷的膜材在工廠被裁剪成膜片,這種先進的工藝應由專門的計算機來完成,但目前國內的制作還是依靠人工放樣和裁剪。由于膜材在安裝時施加初始預張力而伸長,同時隨著時間會產生徐變,因此在裁剪時要根據所用膜材的特性,考慮上述因素的影響,確定膜片的收縮量。膜片通過高頻焊機熱合加工成膜單元。對于采用聚酯纖維或玻璃纖維為基材的膜材應采用不同的焊機。各種膜材的連接方式和熱合工藝也不同。膜單元運到施工現場,打開包裝后展開在它的支承構件上(如桅桿、剛性骨架或索)。接著就應進行連續安裝就位,將膜單元盡快固定在邊緣構件或鋼索上,因為這時膜結構尚不能承重,最容易受外界氣候影響而導致膜面破壞。在膜單元固定的過程中,膜面實際上已經開始施加預張力而繃緊。為了使膜結構達到預定的形狀,還需要采用專門的施力機具分步、均勻地對其施加預張力。膜結構中的預張力具有十分重要的作用。正因為膜材受拉使膜面減少或避免了褶皺和可能引起積水的凹坑,更重要的是預張力可以有效地控制由風產生的膜面顫振。至于膜面是否能達到設計的預張力值還是個難題,因為目前尚沒有能準確測量膜面張力的儀器。實際工程中還只能以檢查施力點位移是否達到設計值作為控制標準,對有代表性的施力點則應進行力值抽檢,這是檢查施工結果與設計假定吻合程度的一個重要手段。

膜結構竣工驗收之后要十分重視維護和保養,以保證正常使用。與一般結構相比,恐怕要更強調這一點。在竣工后的一段時間內,制作安裝單位應負責檢查和維護,并向使用單位提供保養維護手冊。膜結構的長期維護和保養還應有專人負責。

4適用工程

多年的工程實踐表明,膜結構具有強大的生命力,已成為現代建筑中一種重要的結構形式。從一開始,膜結構就被應用在體育建筑中,其后迅猛發展。現在從大型的奧運會體育館、世界杯的足球場,一直到小型的學校健身房,無不見到膜結構的蹤影。近年來,世界各地的大城市都在興建會議展覽中心,對于要求一個大空間并可自然采光的展覽建筑來說,膜結構就是一個理想的選擇。除此之外,膜結構還經常被用在商業、文娛、交通等建筑上,甚至面積不大的加油站、收費站、候車亭、大門入口、遮陽設施乃至街頭的建筑小品。然而,膜結構也不是全能的,還要受到造價、氣候、能源、防火等條件的約束,因此選擇膜結構的適用范圍是十分重要的。

4·1遮蓋敞開或半敞開建筑物

對于遮蓋敞開或半敞開建筑物,膜結構是最合適的了。這首先要提到體育場,其覆蓋范圍已由過去僅僅是主席臺發展到了全部看臺,懸挑的跨度也越來越大。輕巧的膜結構為此提供了有利的條件,懸挑出四五十米跨度已不成問題。2000年世界杯,在日本和韓國建造的20座足球場中,有一半以上采用了膜結構。我國從上海八萬人體育場開始,已有10多座已建或在建的體育場采用了膜結構。新近建成的蕪湖體育場,是由外圍桁架拱支承的整體張拉式膜結構。其他像露天劇場的舞臺、公路上的收費站、加油站,國外用得很多,我國也開始采用。在我國南方地區,許多不需要墻圍護的商場,以膜結構作為屋蓋也很適宜。

4·2需要自然采光的公共建筑

對于需要自然采光的公共建筑,膜材的透光性能很好地解決采光問題,并且沒有眩光,給人以一種處于大自然環境中的感覺。因此體育館、展覽館一類的建筑采用膜結構自不待言。自從1970年以后,在美國的大型公共體育館和大學體育館建設中采用了一系列的空氣支承膜結構,其中有代表性的是龐帝亞克市的八萬座體育館“銀色穹頂”。1956年韓國漢城奧運會的體操館和擊劍館采用了索穹頂形式的膜結構,這種索穹頂一直延續發展到1992年美國亞特蘭大奧運會的主體育館。膜結構已是國外體育館、溜冰館、游泳館、健身房所常用的結構形式,在我國,目前還只限于中小型的體育建筑。

4·3展覽建筑

展覽建筑也是膜結構的一項熱門。從1970年的日本大阪博覽會開始,差不多每一次世界博覽會都成了膜結構的展覽。1985年在日本茨城、1992年在西班牙塞維利亞、2000年在德國漢諾威都出現了許多造型新穎、形狀奇特的膜結構。2000年英國倫敦的“千年穹頂”則堪稱為展覽建筑的代表作。我國也開始在展覽建筑中采用膜結構,如上海新國際博覽中心,7萬多m2的展覽館采用了鋼管立體桁架支承的膜結構。南寧國際會展中心多功能大廳也采用了高達80m的旋轉雙曲拋物面雙層膜結構。

4·4大量旅客集散的場所

對火車站、長途汽車站、輪船碼頭、機場候機大廳等大量旅客集散的場所來說,一個封閉但又能采光的空間無異是很理想的。1995年美國丹佛國際機場候機大廳以17個寬67m帳篷形的膜結構組成,寬敞明亮的建筑顯示了膜結構的優越性。最近廣州新白云機場候機大廳屋蓋的采光帶以及門廳等采用了膜材,單這部分的面積就有5萬多m2。

4·5系列化產品

此外,膜結構可以利用工廠生產的特點,將其做成標準化的產品。目前在美國就有專門的廠家生產輕鋼骨架支承的膜結構,作為系列化的商品供應。它適用于生產車間、倉庫和臨時性建筑。由于膜結構具有運輸、拆裝方便的優點,對于緊急救災或災后重建都十分有用。

5技術規程

應該承認目前廣大技術人員對膜結構還不熟悉,急需這方面的標準規范作為技術上的指導。同時,當前膜結構工程的施工也需要對制作、安裝提出要求,并對其允許誤差作出規定,才有利于保證工程質量。此外,管理部門、建設單位、監理單位等對此也都有迫切的要求。因此,對膜結構提供一本包括設計、制作、安裝和維護的指導性文件就顯得非常必要。中國鋼結構協會空間結構分會委托中國建筑科學研究院為《膜結構技術規程》的主編單位,組織國內9個主要從事膜結構科研、設計、教學與施工的單位成立編制組,展開規程的編制工作,并于2003年11月完成了送審稿。目前規程已通過了專家審查,正在形成報批稿,估計在2004年上半年將由中國工程建設標準化協會批準。規程的主要技術內容如下:

(1)設計基本規定其中膜結構選型按膜材及其相關構件的受力方式分成4種形式,是國內外首次提出的一種比較科學的分類方法,另外提出了在建筑與結構設計中應考慮的問題。

(2)材料膜材根據當前國內外廠商所能提供的品種,按其材料組成分別給予代號,按其抗拉強度、厚度與重量加以分級。對膜結構中所用的拉索和錨具也作出規定。

(3)結構計算指出膜結構計算中所特有的初始形態分析、荷載效應分析和裁剪分析,規定了膜材的抗力分項系數以及變形允許值。

(4)連接構造根據國內外工程實踐,提供了膜材、鋼索及其與相應構件連接的構造圖,可供在設計中采用。

(5)制作、安裝和工程驗收根據國內企業的實踐經驗,提出了膜結構施工的工序、注意事項以及制作與安裝的允許偏差。

(6)維護和保養對膜結構建筑在竣工后進行維修和保養作出規定,這是與一般建筑物的不同之處。