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膜结构设计

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膜结构设计

发布日期:2015-02-06 09:32 来源:http://www.95987201.com 点击:

1概念设计

2结构

3膜材类型

? PTFE 

? PVC 

? ETFE 

4膜结构设计理念

5整体结构

6分类

7设计内容

? 初始态分析 

? 荷载态分析 

? 连接设计 

? 剪裁设计 

8要点

9设计中所考虑的问题

10主要问题

11发展方向

12特性

13制作安装

1概念设计

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?#30475;?#30340;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?#20572;换?#21477;话说,?#29615;?#21512;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?#25307;?#26500;件)。 

杰绅膜结构

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?#34180;?#33180;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?#30446;?#21147;;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?#38382;保?#21487;产生?#34903;只?#22797;力:一个是由几何变?#25105;?#36215;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?#34180;!?#39640;点”通常是由桅杆来提供的,也许是由于这个原因,有些文?#21672;?#20063;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,?#19994;?#29255;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?#35828;?#25903;承结构提供附加支撑,从而保证?#25442;?#22240;膜材的破损而造成支承结构的倒塌。

2结构编辑

张拉膜是建筑结构中最新发展起来的一?#20013;问劍?#33258;从1970年代以来, 膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展?#20048;?#24515;、交通服务设施等大跨度建筑?#23567;?/span>

索膜结构作为新的建筑?#38382;?#20110;本世纪五十年代在国际上开始出现,?#20004;?#24050;有六十多年的历史, 

杰绅膜结构

特别是到了七十年代以后,膜结构的应用得到?#25628;杆?#21457;展。膜结构的出现为建筑师们提供了超出传统建筑模?#25581;?#22806;的新选择。膜结构一改传统建筑材料而使用膜材,其重量只是传统建筑的三十分之一。而且膜结构可?#28304;?#26681;本上克服传统结构在大跨度(无支撑)建筑上实现时所遇到的困难,可创造巨大的无遮挡?#30446;?#35270;空间。其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点,因而使它在世界各地受到广泛应用。夜晚,建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空,建筑物的体型显现出?#20301;?#33324;的效果。这种结构?#38382;?#29305;别适用于大型体育场馆、入口廊道、公众休闲娱乐广场、展览会场、?#20309;?#20013;心等领域。

张拉膜结构(Tesioned Membrane Structure) ,是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索共同构成机构体系。张拉膜结构特别适合用来建造城市标志性建筑的屋顶,如体育与娱乐性场馆,需有广告效应?#32435;?#22330;、餐厅等。城市的交通枢纽是城市命脉的关键性建筑,使用功能要求建筑物各组成单元的标志明确。这类建筑越来越多采用膜结构。建筑膜材?#31995;?#20351;用寿命为 25 年以上。建成于 1973 年的美国加州 La Verne 大学的学生活动中心是已有 23 年历史的张拉膜结构建筑.跟踪测试与材?#31995;?#21152;载与加速气候变化的试验, 

杰绅张拉膜

证明它的膜材?#31995;?#21147;学性能与化学稳定性指标下降了 20 %至 30 %,但仍可正常使用。膜的表层光滑,具有弹性,大气中的?#39029;尽?#21270;学物质的微粒极难附着与渗透,经雨水的冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层与透光性。

3膜材类型编辑

PTFE

PTFE膜材是在超细玻璃纤维织物?#36132;?#20197;聚四氟乙烯树脂而成的材料。这种膜材有较好的?#38468;有?#33021;,有优良?#30446;棺贤?#32447;、抗老化性能和阻燃性能。另外,其防污自洁性是所有建筑膜材中最好的,但柔韧性差,施工较困难,成本也十分惊人。在盖格公司领导下,美国的杜邦公司、?#30340;?#29627;纤公司、贝尔德建筑公司、化纤织布公司共同开发永久性膜材。其加工方法?#21069;?#29627;纤织物多次快速放入特氟隆熔体中,使织物两面皆有均匀的特氟隆涂层,使永久性的PTFE膜正式诞生。此后永久性膜结构正式在美国风行,许多学者对膜结构进行了深入的研究。 

 杰绅张拉膜

20年后跟踪检测结果表明,这种膜材的力学性能与化学稳定性指标只下降了20%~30%,颜色?#24067;负?#27809;变,膜的表层光滑,具有弹性,大气中的?#39029;尽?#21270;学物质微粒极难附着与渗透,经雨水冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层与透光性,这足以显示出PTFE膜材的?#30475;?#29983;命力和广阔的市场前景.

PVC

这种膜?#30446;?#21457;和应用得比较早,通常规定PVC涂层在玻璃纤维织物经纬线交点?#31995;?#21402;度不能少于0.2mm,?#35805;?#28034;层?#25442;?#22826;厚,达到使用要求即可。为提高PVC本身耐老化性能,涂层时常常加入一些光、热稳定?#31890;成?#36879;明产品宜加一定量的?#36132;?#21560;收?#31890;?#28145;色产品常加炭黑做稳定剂。另外对PVC的表面处理还有很多方法,可在PVC上层压一层极薄的金属薄膜或喷射铝雾,用云母或石英来?#20048;?#34920;面发粘和沾污。玻纤有机硅树脂建筑膜材。有机硅树脂具有优异的耐高低?#38534;?#25298;水、抗氧化等特点,该膜材具有高?#30446;?#25289;强度和弹性模量,另外还具有良好的透光性。美国欧文斯克宁公司开发的Vestar膜材就采用这种树脂对玻璃纤维布涂覆而制成的,这种膜材应用的不多,生产厂家也较少。玻纤合成橡?#33322;?#31569;膜材。合成橡?#28023;?#22914;丁腈橡?#28023;?#27695;丁橡?#28023;?#38887;性好,对阳光、臭氧、热老化稳定,具有突出的耐磨损性、耐化学性和阻燃性,可达到半透明状态,但由于容易发黄,故?#35805;?#29992;于深色涂层。膨化PTFE建筑膜材。由膨化PTFE纤维织成的基布两面贴上氟树脂薄膜即?#38376;?#21270;PTFE建筑膜材。由于它的造价太高,?#35805;?#30340;建筑考虑到成本和性能两方面,很少选用这种膜材,国外?#32435;?#20135;厂家也不多。

ETFE

由ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)生?#29616;?#25509;制成。ETFE不仅具有优良?#30446;?#20914;击性能、电性能、热稳定性和耐化学腐蚀性,而?#19968;?#26800;强度高,加工性能好。ETFE膜材的应用在很多方面可以取代其他产品而表现出?#30475;?#30340;优势和市场前景。这种膜材透光性特别好,号称“软玻璃?#20445;?#36136;量轻,只有同等大小玻璃的1%;韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂,延展性大于400%;耐候性和耐化学腐蚀性强,熔融温度高达200℃;可有效的利用自然光,节约能源;良好?#32435;?#23398;性能。自清洁功能使表面不易沾污,且雨水冲刷即可带走沾污?#32435;?#37327;污物,清洁周期大约为5年。另外,ETFE膜可在现成预制成薄膜气泡,方便施工和维修。ETFE也有不足,如外界环境容易损坏材料而造成漏气,维

护费用高等,但是随着大型体育馆、游客场所、候机大厅等的建设,ETFE更突显自己的优势。生产这种膜材的公司很少,只有ASAHIGLAS(AGC)、日本旭硝子、德国科威尔等少数几家公司可以提供ETFE膜材,这种膜材的研发和应用在国外发达国家也不过十几年的历史。刚刚竣工的北京奥运会场馆“鸟巢”和“水立方”膜结构采用ETFE膜材,是目前国内最大的ETFE膜材结构建筑,膜材采用进口产品。“鸟巢”采用双层膜结构,外层用ETFE防雨雪防?#36132;?#32447;,内层用PTFE达到保?#38534;?#38450;结?#19969;?#38548;音和光效的目的。“水立方”采用双层ETFE充气膜结构,共1437块气枕,每一块都好像一个“水泡泡?#20445;?#27668;枕可以通过控制充气量的多少,对遮光度和透光性进行调节,有效地利用自然光,节省能源,并且具有良好的保温隔热、消除回声,为运动员和观众提供温馨,安逸的环?#22330;?#30446;前国内膜结构发展振奋人心,随着一些大型体育馆、候机大厅等建设以及2010年上海世博会和广州亚运会等国?#36866;?#20250;的举办,为中国膜结构的发展带来了机遇和挑战。尤其在膜材方面,中国起步晚,技术水平?#20572;?#22823;部分膜材还主要依靠进口。PTFE、PVC和表面改性的PVC、ETFE等膜材是市场的主流,应用比较广泛。中国已有PTFE膜材的自主知识产权,性能?#19981;?#26412;达到国外同类产品的要求。很多公司、科研单位以及高校都在进行PVC表面涂层材?#31995;难?#31350;,如PVDF、纳米TiO2表?#32771;?#31561;的研究已初见成效,另外在表面防污自洁处理方面的研究如仿生荷叶构筑微粗糙表面?#37096;计?#27493;。在引进世界一流?#32435;?#20135;设备和工艺技术的同?#20445;?#21152;紧消化吸收并改进创新,尽快开发适合中国市场需求的膜材表面处理技术,对提升中国整个产业用纺织品产品档次和市场竞争力都具有重要意义。

4膜结构设计理念编辑

一、膜结构采用以概率理论为基础的极限状态设计方法,用分项系数的设计表达式进行计算。

  二、膜结构应根据建筑物的性质和等?#19969;?#20351;用年限、使用功能、结构跨度、防火要求、地区自然条件及膜材的耐用年限等要求进行膜材选用。

  三、膜结构的设计应根据荷载、支承条件、制作加工、施工工况及其它特殊条件进?#23567;?/span>

  四、膜结构的设计内容包括形状设计、荷载分析、裁剪设计、配件设计、支承结构设计。

  五、对膜结构的形状设计、荷载分析、裁剪设计,应在考虑施工过程的基础上进行一体化的设计。

  六、膜材只能承受拉力,不能承受压力和弯矩。

  七、膜面的最大主应力应小于膜材的强度设计值,在荷载长期作用下,最小主应力应大于等于维?#21046;?#21021;?#35745;?#34913;形状的应力值。

  八、膜结构一体化设计?#20445;?#24212;考虑膜材的松弛、徐变、老化。

  九、膜结构设计?#20445;?#24212;考虑使用阶段膜材替换对整体结构的影响。

  十、膜结构设计应考虑膜材破坏?#20445;?#25903;承结构仍应保持自身的强度、刚度及稳定性。[1] 

5整体结构编辑

张拉整体结构(Tensegrity)是由一组连续的拉杆和连续的或不连续的压杆组合而成的自应力、自支撑的网状杆系结构,其?#23567;?#19981;连续的压杆」的含义是压杆的端部互不接触,即一个节点上只连接一个压杆。Tensegrity是美国建筑师 R.B.Fuller首先提出的一种结构思想,他认为宇宙的运行就?#21069;?#29031;张拉整体的原理进行的,即万有引力是一个平衡的张力网,各个星球是这个网中的一个个 ?#38109;?#28857;。这种结构体系中的索网就相当於宇宙中的万有引力,独立的受压杆件相当於宇宙中的星球。

6分类编辑

索膜结构建筑按结构分类为

 

 

膜结构建筑?#38382;?#30340;分类:

从结构上分可分为:骨架式膜结构,张拉式膜结构,充气式膜结构3?#20013;问?/span>

⒈骨架式膜结构(Frame Supported Structure)

以钢构或是集成材构成的屋顶骨架,在其上方张拉膜材的构造?#38382;劍?#19979;部支撑结构安定性高,因屋顶造型比?#31995;?#32431;,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?#30446;?#38388;。

⒉张拉式膜结构(Tension Suspension Structure) 

 杰绅膜结构

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?#28304;?#23433; 定的?#38382;健?#38500;了可?#23548;?#20855;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?#38382;? 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?#38382;健?#22240;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。

⒊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?#22836;?#31995;统让室内气压上升?#25581;?#23450;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?#28023;?#26609;支撑,可得更大?#30446;?#38388;,施工快捷,经济效益高,但需维持进行24小时?#22836;?#26426;运转,在?#20013;?#36816;行及机器维护费用的成本上较高。

现今,城市中?#35328;?#26469;越多地可以见到膜结构?#32435;?#24433;。膜结构已经被应用到各类建筑结构中,在我们的城市中充当着不可或缺的角色。


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