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何以成就“膜”幻建筑??膜結構采光頂探析

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]


    　　膜結構建筑的發(fā)展依賴(lài)于膜材的技術(shù)革命和施工技術(shù)發(fā)展。從歷史角度來(lái)看，材料技術(shù)的革命為建筑帶來(lái)越來(lái)越多的創(chuàng )意，也帶來(lái)無(wú)窮無(wú)盡的高要求。從現代主義到后現代主義，再到解構主義建筑理論，甚至所謂混沌理論，無(wú)一例外地要求材料創(chuàng )新，而每次材料革命又給建筑學(xué)添加更多新的創(chuàng )作語(yǔ)言。

    結構膜材的性能

    　　用于膜結構中的高強度柔韌性薄膜稱(chēng)為膜材，結構膜材有織物膜材和箔片膜材兩大類(lèi)。目前，織物涂層膜材是主流材料，它是一種耐用、高強度的涂層織物，由織物和涂層復合而成，具有質(zhì)地柔韌、厚度小、重量輕、透光性好的特點(diǎn)。對自然光有反射、吸收和投射能力，難燃或阻燃，具有良好的耐久、防火、氣密等特性；抗老化性好，具有較好的自潔性能。

    膜結構采光頂的優(yōu)點(diǎn)

    　　膜結構是一種非傳統的全新結構形式，膜結構采光頂根據結構形式可分為三類(lèi)，即骨架式膜結構采光頂、充氣式膜結構采光頂和張拉式膜結構采光頂。其實(shí)，膜結構的設計也迥異于傳統結構，要求建筑師與結構工程師緊密配合、相互協(xié)作。一般而言，膜結構屋頂與傳統的建筑屋頂相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
    　?。?）自重輕。膜結構采光頂要比傳統玻璃、鋁板等建筑采光頂輕一個(gè)或幾個(gè)數量級，單位面積的結構自重也不會(huì )隨規模、跨度的增加而明顯增加?？拐鹦?、耐候性好，使用壽命長(cháng)。
    　?。?）造型優(yōu)美，富有時(shí)代氣息。膜結構的優(yōu)美造型是力平衡后自然形成的，“找形”是膜結構采光頂建筑藝術(shù)美的重要設計內容，是由建筑師和結構工程師共同完成的，打破了傳統的“先建筑，后結構”的做法。膜結構采光頂的結構與造型、技術(shù)與藝術(shù)得到了完美的結合和高度的統一，因此又被稱(chēng)為藝術(shù)采光頂或藝術(shù)外維護結構。
    　?。?）施工速度快。膜片的裁剪制作、鋼索和鋼結構的制作均在工廠(chǎng)內完成，在施工現場(chǎng)只是鋼索、鋼結構及膜片的連接安裝及張拉的過(guò)程，故在現場(chǎng)的施工安裝比較文明，且安全快捷。
    　?。?）經(jīng)濟效益明顯。就目前來(lái)看，膜結構采光頂可能第一次投資稍大，但由于此類(lèi)結構的日常維護費用少。因此，膜結構采光頂的經(jīng)濟優(yōu)勢與規模、跨度和技術(shù)難度成正比的，大跨度建筑及高層建筑中其成本只是玻璃的2/3，使用壽命可長(cháng)達25年。易建、易拆、易更新。
    　?。?）安全可靠。膜材料一般都是阻燃材料，防火性?xún)?yōu)，自重輕，抗震性能好。膜材是柔性面材，不像玻璃容易破碎，無(wú)墜落傷人之憂(yōu),膜結構采光頂也不會(huì )有整體倒塌之慮。

    膜結構采光頂的建筑要求

    　　1． 膜面雨水的排放
    　　膜結構采光頂應有足夠的坡度以妥善解決排水和積雪問(wèn)題，以免引發(fā)重大工程事故。通常，膜面的坡度應不低于1:10。多數膜結構采用無(wú)組織排水方式，此時(shí)應注意雨水對地面和墻面的污染。利用建筑物自身的某些形狀特點(diǎn)，可設置有組織排水。
    　　2． 防火與防雷
    　　PTFE膜材是不可燃材料，PVC膜材是阻燃材料。對于永久性建筑，宜優(yōu)先選用不可燃類(lèi)膜材。當采用阻燃類(lèi)膜材時(shí)，應根據消防部門(mén)的要求采取適當措施。例如，應保證建筑物的頂棚與地板之間的距離在8m以上，并且避免膜材及其連接件與可能存在的火源接觸。建于建筑物頂層或空曠地段的膜結構要采取防雷措施。
    　　3． 采光
    　　膜材的采光性較好，在陽(yáng)光的照射下，由于漫散射的作用，使建筑物內部呈現明亮效果，因而在白天通常不需要照明。這一特點(diǎn)使得膜結構特別適用于體育館、展覽廳和天井等對采光要求較高的建筑物。當采用內部照明時(shí)，燈具與膜面應保持適當距離，以防止燈具散發(fā)出的熱量將膜面烤焦。
    　　4． 聲學(xué)問(wèn)題
    　　膜結構的聲學(xué)問(wèn)題包括對內部聲音的反射和對外部噪聲的屏蔽兩方面?？椢锬げ膶β暡ㄕ駝?dòng)具有很強的反射性，這種反射性會(huì )使音樂(lè )聲音變得惡劣，并使人很難聽(tīng)清講話(huà)內容。對于某些具有內凹面的建筑，如充氣膜結構或拱支式膜結構，頂棚會(huì )使聲波反射匯集。另外，聲波穿過(guò)織物膜材時(shí)的衰減也是需要考慮的，通常單層膜的隔聲性能僅在10dB左右。一種較為可行的方法是在膜結構頂棚上每隔一段距離懸掛一些標牌，以增加對聲波的吸收，并改變頂棚的曲線(xiàn)造型，從而改變反射方向。
    　　5． 隔熱、保溫與通風(fēng)
    　　膜結構建筑的保溫隔熱性能較差，目前廣泛采用的膜材還不能較好地隔絕外部溫度的影響。單層膜材的保溫性能大致相當于夾層玻璃，故僅適用于敞開(kāi)式建筑或氣候較溫暖的地區。當對建筑物的保溫性能有較高要求時(shí)，可采用雙層或多層膜構造。一般兩層膜之間應有25cm~30cm的空氣隔層，還應該注意解決內部結露問(wèn)題。當用于游泳池、植物園等內部濕度較大的建筑時(shí)，濕空氣接觸膜內表面易產(chǎn)生結露，可采取室內通風(fēng)、安裝冷凝水排出口或安裝空氣循環(huán)系統等措施。
    　　6． 與環(huán)境協(xié)調
    　　膜結構與周?chē)h(huán)境的協(xié)調除了要在建設場(chǎng)地、建筑造型、膜材料的選擇（如色彩、質(zhì)地）等方面加以考慮之外，在細部處理上也要考慮與環(huán)境結合與協(xié)調。

    膜結構采光頂典型工程

    　　1. 德國慕尼黑安聯(lián)體育場(chǎng)
    　　德國慕尼黑安聯(lián)體育場(chǎng)的ETFE膜結構幕墻和采光頂（又名“救生圈”），采光頂面積3800m2，幕墻面積2600m2，ETFE膜抗拉強度52MPa。
    　　安聯(lián)體育場(chǎng)是慕尼黑兩支俱樂(lè )部足球隊的共同主場(chǎng)。為此，菱形紋理的ETFE外表覆膜提供了一種巧妙的設計，膜下的兩種氣囊在不同球隊主場(chǎng)作戰時(shí)會(huì )分別發(fā)出紅色、藍色的光芒，非球隊賽事時(shí)，它是白色的。因此，通過(guò)建筑的燈光變幻遠遠便可知道是誰(shuí)在主場(chǎng)比賽，甚至可以知道主隊進(jìn)球了?？釔?ài)足球的德國人還提議在主隊進(jìn)球時(shí)，外表燈光可以加強一些。
    　　2. 東京穹頂
    　　東京穹頂，綽號“巨蛋”，是日本為了適應不同氣候變化而建造的第一個(gè)氣承式體育館。穹頂跨度超過(guò)200m，包括了1240000m3的室內空間，這個(gè)超大空間，全年都開(kāi)放空調設備，可以容納50000名壘球球迷或56000名觀(guān)眾觀(guān)看其他賽事。
    　　穹頂的設計是180m2略顯方形的橢圓形，從一邊到最大弧度梁的距離為201m。矢跨比為0.124，整個(gè)結構采用的是80mm的螺旋索。采光頂的膜材采用了防水性能好、強度大、使用年限長(cháng)、有特氟隆涂層的玻璃纖維材料，涂層厚度為0.8mm。
    　　3. 威海市體育場(chǎng)
    　　威海市體育場(chǎng)平面尺寸236m×205m，橢圓形，覆蓋面積15300m2，膜材為PVDF，用鋼量為22kg/ m2，于2001年12月建成。其結構特點(diǎn)是由34個(gè)連成一體的、形狀漸變的單桅桿傘形膜單元組成。每一單元由單桅桿谷索、脊索、翼索、邊索及張力膜組成，膜單元懸挑長(cháng)度17m~30m。
    　　4. 國家游泳中心??“水立方”
    　　國家游泳中心又被稱(chēng)為“水立方”，位于北京奧林匹克公園內，是2008年北京奧運會(huì )的主游泳館，也是2008年北京奧運會(huì )標志性建筑物之一。國家游泳中心規劃建設用地62950m2，總建筑面積65000m2~80000m2，其中地下部分的建筑面積不少于15000m2，建筑整體尺寸是 177m × 177m × 30m?！八⒎健彼闹芨采w的輕型聚合體膜實(shí)際上是ETFE膜，它不僅具有很好的熱學(xué)性能和透光性，而且能夠積蓄20%的太陽(yáng)能，并可以用來(lái)為水加溫，調節室內環(huán)境溫度，節能效果明顯。
    　　總而言之，膜結構采光頂是一種非傳統的全新結構形式，其設計與施工方式也迥異于傳統結構。膜結構技術(shù)在德國、美國、日本等發(fā)達國家已經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展。在我國，這種新結構技術(shù)發(fā)展勢頭也較猛，新穎的建筑構思與先進(jìn)的結構技術(shù)還將進(jìn)一步為人們創(chuàng )造更多優(yōu)秀建筑。



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