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張拉膜結構的概念設計

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:15 [收藏]

    一、從結構方式上大致可分為骨架式、張拉式、充氣式膜結構3種形式?？诤Ｑ笫澜缛肟谀そY構

    　　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后，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(kāi)口部不易受限制， 且經(jīng)濟效益高等特點(diǎn)，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（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(shí)踐具創(chuàng )意，創(chuàng )新且美觀(guān)的造型外，也是最能展現膜結 構精神的構造形式。 近年來(lái)，大型跨距空間也多采用以鋼索與壓縮材構成 鋼索網(wǎng)來(lái)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(jià)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(fēng)系統讓室內氣 壓上升到一定壓力后，使屋頂內外產(chǎn)生壓力差，以抵抗外力，因利用氣壓 來(lái)支撐，及鋼索作為輔助材，無(wú)需任何梁，柱支撐，可得更大的空間，施工 快捷，經(jīng)濟效益高，但需維持進(jìn)行24小時(shí)送風(fēng)機運轉，在持續運行及機器 維護費用的成本上較高。

    　　二、膜材料用于膜結構建筑中的膜材是一種具有強度，柔韌性好的薄膜材料，是由纖維編織成織物基材，在其基材兩面以樹(shù)脂為涂層材所加工固定而成的材料，中心的織物基材分為聚酯纖維及玻璃纖維，而作為涂層材使用的樹(shù)脂有聚氯乙烯樹(shù)脂（PVC），硅酮（silicon）及聚四氟乙烯樹(shù)脂（PTFE），在力學(xué)上織物基材及涂層材分別具有影響下列的功能性質(zhì)。

    　　織物基材??抗拉強度，抗撕裂強度，耐熱性，耐久性，防火性。

    　　涂 層 材??耐候性，防污性，加工性，耐水性，耐品，透光性。

    　　三、膜材的正確選定用于建筑膜結構的膜材，依涂層材不同大致可分為PVC膜與PTEF膜，膜材的正確選定應考慮其建筑的規模大小、用途、形式，使用年限及預算等綜合因素后決定。

    　　PVC膜（PVC-Coated Polyester）

    　　PVC膜材在材料及加工上都比PTFE膜便宜，且具有材質(zhì)柔軟，易施工的優(yōu)點(diǎn)。但在強度、耐用年限、防火性等性能上較PTFE膜差。PVC膜材是由聚脂纖維織物加上PVC涂層（聚氯乙烯）而成，一般建筑用的膜材，是在PVC涂層材的表面處理上，涂以數micron厚的壓克力樹(shù)脂（acrylic），以改善防污性。但是，經(jīng)過(guò)數年之后就會(huì )變色、污損、劣化。一般PVC膜的耐用年限，依使用環(huán)境不同在5~8年。為了改善PVC膜材的耐侯性，近年來(lái)已研發(fā)出以氟素系樹(shù)脂于PVC涂層材的表面處理上做涂層，以改善其耐侯性及防污性的膜材。

    　　PVDF PVDF是二氟化樹(shù)脂（Polyvinylidene Fluoride）的略稱(chēng)，在PVC膜表面處理上加以PVDF樹(shù)脂涂層的材料稱(chēng)為PVDF膜。PVDF膜與一般的PVC膜比較，耐用年限改善至7~10年左右。

    　　PVF PVF是一氟化樹(shù)脂（Polyvinyl Fluoride）的略稱(chēng)。PVF膜材是在PVC膜的表面處理上以PVF樹(shù)脂做薄膜狀薄片（laminate）加工，比PVDF膜的耐久性更佳，更具有防沾污的優(yōu)點(diǎn)。但因為加工性、施工性與防火性都不佳，所以使用用途受到限制。

    　　PTFE膜（PTFE Coated Fiberglass）

    　　PTFE膜是在超細玻璃纖維織物上，涂以聚四氟乙烯樹(shù)脂而成的材料。PTFE膜最大的特微就是耐久性、防火性與防污性高。但PTFE膜與PVC膜比較，材料費與加工費高，且柔軟性低，在施工上為避免玻璃纖維被折斷，須有專(zhuān)用治工具與施工技術(shù)。

    　　耐久性：涂層材的PTFE對酸、鹼等化學(xué)物質(zhì)及紫外線(xiàn)非常安定，不易發(fā)生變色或破裂。玻璃纖維在經(jīng)長(cháng)期使用后，不會(huì )引起強　　　　　　度劣化或張力減低。膜材顏色一般為白色、透光率高，耐久性在25年以上。

    　　防污性：因涂層材為聚四氟乙烯樹(shù)脂，表面摩擦系數低，所以不易污染，可藉由雨水洗凈。

    　　防火性：PTFE膜符合近所有國家的防火材料試驗合格的特性，可替代其它的屋頂材料做同等的使用用途。

    　　四、工程應用體育設施?體育場(chǎng)館、健身中心等交通設施?機場(chǎng)、火車(chē)站、公交車(chē)站、高速公路收費站、加油站等文化設施?展覽/會(huì )議中心、劇場(chǎng)、博物館、動(dòng)物園、水族館等景觀(guān)設施?建筑入口、泳池小品、小區長(cháng)廊、戶(hù)外廣場(chǎng)、公園小品、標識性建筑等商業(yè)設施?購物中心、餐廳、步行街等工業(yè)設施?工廠(chǎng)、倉庫、污水處理中心、物流中心、溫室等 張拉膜結構的概念設計只有正確表達結構邏輯的建筑才有強大的說(shuō)服力與表現力“這句話(huà)揭示了張拉膜結構的精髓。對于張拉膜結構，任何附加的支撐和修飾都是多余的，其結構本身就是造型；換句話(huà)說(shuō)，不符合結構的造型是不可能的，因為那樣的薄膜不是飄動(dòng)的就是缺乏穩定性的。張拉膜結構的美就在于其”力“與”形“的完美結合。

    　　張拉膜結構的基本組成單元通常有：膜材、索與支承結構（桅桿、拱或其他剛性構件）。

    　　膜材一種新興的建筑材料，已被公認為是繼磚、石、混凝土、鋼和木材之后的“第六種建筑材料”。膜材本身不能受壓也不能抗彎，所以要使膜結構正常工作就必須引入適當的預張力。此外，要保證膜結構正常工作的另一個(gè)重要條件就是要形成互反曲面。傳統結構為了減小結構的變形就必須增加結構的抗力；而膜結構是通過(guò)改變形狀來(lái)分散荷載，從而獲得最小內力增長(cháng)的。當膜結構在平衡位置附近出現變形時(shí)，可產(chǎn)生兩種回復力：一個(gè)是由幾何變形引起的；另一個(gè)是由材料應變引起的。通常幾何剛度要比彈性剛度大得多，所以要使每一個(gè)膜片具有良好的剛度，就應盡量形成負高斯曲面，即沿對角方向分別形成“高點(diǎn)”和“低點(diǎn)”?！案唿c(diǎn)”通常是由桅桿來(lái)提供的，也許是由于這個(gè)原因，有些文獻上也把張拉膜結構叫做懸掛膜結構（suspension membrane）。

    　　索作為膜材的彈性邊界，將膜材劃分為一系列膜片，從而減小了膜材的自由支承長(cháng)度，使薄膜表面更易形成較大的曲率。有文獻指出，膜材的自由支承長(cháng)度不宜超過(guò)15米，且單片膜的覆蓋面積不宜大于500平米。此外，索的另一個(gè)重要作用就是對桅桿等支承結構提供附加支撐，從而保證不會(huì )因膜材的破損而造成支承結構的倒塌。

    　　膜結構設計主要包括以下內容：

    　　1，初始態(tài)分析：確保生成形狀穩定、應力分布均勻的三維平衡曲面，并能夠抵抗各種可能的荷載工況；這是一個(gè)反復修正的過(guò)程。

    　　2，荷載態(tài)分析：張拉膜結構自身重量很輕，僅為鋼結構的1／5，混凝土結構的1／40；因此膜結構對地震力有良好的適應性，而對風(fēng)的作用較為敏感。此外還要考慮雪荷載和活荷載的作用。由于目前觀(guān)測資料尚少，故對膜結構的設計通常采用安全系數法。

    　　3，主要結構構件尺寸的確定，及對支承結構的有限元分析。當支承結構的設計方法與膜結構不同時(shí)，應注意不同設計方法間的系數轉換。

    　　4，連接設計：包括螺栓、焊縫和次要構件尺寸。

    　　5，剪裁設計：這一過(guò)程應具備必要的試驗數據，包括所選用膜材的楊氏模量和剪裁補償值（應通過(guò)雙軸拉伸試驗確定）。

    　　膜結構在方案階段需要考慮的問(wèn)題有：

    　　1，預張力的大小及張拉方式；

    　　2，根據控制荷載來(lái)確定膜片的大小和索的布置方式；

    　　3，考慮膜面及其固定件的形狀以避免積水（雪）；

    　　4，關(guān)鍵節點(diǎn)的設計，以避免應力集中；

    　　5，考慮膜材的運輸和吊裝；

    　　6，耐久性與防火考慮。

    　　在膜結構設計階段所要考慮的要點(diǎn)有：

    　　1，保證膜面有足夠的曲率，以獲得較大的剛度和美學(xué)效果；

    　　2，細化支承結構，以充分表達透明的空間和輕巧的形狀；

    　　3，簡(jiǎn)化膜與支承結構間的連接節點(diǎn)，降低現場(chǎng)施工量。

    　　膜結構研究的主要問(wèn)題有：

    　　1，找形（Form-finding）或更進(jìn)一步叫“形態(tài)理論”；

    　　2，考慮膜材松弛和各向異性下的結構響應；

    　　3，結構在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力穩定性；

    　　4，裁剪優(yōu)化；

    　　5，膜與索及支承結構間的相互作用。

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