12膜结构

第一节概述第二节充气式膜结构第三节张拉式膜结构第四节骨架式膜结构第五节膜结构的特点和膜材料的特征第六节膜结构的典型案例第十二章膜结构第一节概述膜结构，是由多种高强薄膜材料及辅助结构通过一定方式使其内部产生一定的预张应力，并形成应力控制下的某种空间形态，作为覆盖结构或建筑物主体，并具有足够的刚度以抵御外部荷载作用的一种空间结构形式。膜结构可分为充气式膜结构、张拉式膜结构、骨架式膜结构等，另外还有一种组合式的膜结构体系。组合式膜结构通常是在自身稳定的桁架体系上划分若干个单元，每个单元上布置张拉式膜结构单元，膜单元之间在受力上基本是相互独立的，可认为是多个简单张拉式膜结构单体的物理组合，受力复杂性介于张拉式膜结构和骨架式膜结构之间。第二节充气式膜结构1946年，美国的W.勃德首次造成了一座直径15米的充气穹顶，膜材料为尼龙纤维布，用于美军雷达防护罩。1967年第一届国际充气结构会议在德国斯图加特召开。1970年大阪博览会展示了人们可以用膜结构建造永久性建筑。美国馆日本富士馆充气式膜结构可分为气承式膜结构和气胀（囊）式膜结构。气承式膜结构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，膜体受到上浮力，并产生一定的预张力，以保证体系的刚度。气胀（囊）式膜结构是向单个（或多个）膜构件内充气，使其保持足够的内压，多个膜构件进行组合形成一定形状的整体受力体系，气承式膜结构气胀（囊）式膜结构充气式膜结构空间密闭，配置智能和机电控制系统，靠内外气压差保持纤维膜的张力形成设计要求的曲面，室内无需任何框架或支撑，可轻松长达120米的建筑跨度。美国依阿华州综合体育馆。盖格公司设计的气承式膜结构。深圳东部华侨城大侠谷儿童乐园是中国首个气膜结构室内儿童乐园,2008年7月底建成，采用先进的充气膜建筑，充份体现了其高跨比，大空间无梁柱，自重轻等多种特点。广岛巨浪馆(1989)日本东京棒球馆，充气式索膜结构第三节张拉式膜结构张拉式膜结构是由索网结构发展而来的，通过一定的方式给膜体施加一定的预张应力，使其具有一定的形状和刚度。长沙世界之窗威海体育场第四节骨架式膜结构骨架式膜结构是自身封闭的、稳定的骨架体系（一般是钢桁架体系、网架结构、索网结构或索穹顶结构等）与膜材料共同组成一个结构受力体系。膜结构用于法国卡巴里奥收费站。长152m，最宽32m，4个35m高圆锥形桅杆支撑。1999年获国际织物工业协会组织的成就奖。日本秋田“天穹”上海八万人体育场索穹顶结构早在20世纪50年代，美国建筑大师B.富勒从一些自然现象中受到启发，富勒认为宇宙的运行是按照张拉原理进行的，即万有引力是一个平衡的张力网，而各个星球是这个网中的一个个孤立点，按照这个思想提出了张拉整体体系的概念，即由一系列不连续的压杆和一系列连续的拉杆共同组成体系，即所谓“压的孤岛存在于拉的海洋中”。由于张拉整体结构固有的符合自然规律的特点，最大限度地利用了材料和截面的特性，可以用尽量少的钢材建造超大跨度建筑。美国的D.盖格发展了B.富勒张拉整体的思想，提出了一种张拉整体结构——索穹顶，并在最近十几年里有了相当的发展。索穹顶膜结构是骨架式膜结构的一种，其成型及受力非常复杂，施工难度大，技术条件要求高，充分体现了现代建筑的高科技。圣彼特斯堡“雷声穹顶”索穹顶结构示意图国内首项索穹顶结构工程——内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗全民健身活动中心第五节膜结构的特点和膜材料的特征一、膜结构的力学特点膜作为继木材、砖石、金属、混凝土之后的第五代建筑结构材料，具有显著的自身特性。第一代木材和第三代钢材拉压性能均良好，第二代砖石和第四代混凝土则只具备良好的抗压能力，作为第五代的膜材料则只能受拉，没有承压和抗弯曲能力，这是膜的最本质的特征。施加预应力是薄膜结构的力学基础和技术基础。充气式膜结构是通过对薄膜充气，利用薄膜的内压力获得预应力。膜结构在充气后，形成一定的形状，并具有承载能力。下图为朝阳体育馆网球中心的充气式膜结构。张拉式膜结构是从帐篷结构得到启示并发展起来的，它利用桅杆、拉索等支撑结构将薄膜张挂，并利用拉索的张拉使薄膜张紧而获得预应力。薄膜在张拉后，形成一定的形状，并具有承载能力。张拉式膜结构对膜材料的强度有较高要求。骨架式膜结构以薄膜取代传统的屋盖结构，将薄膜张紧在一定弯曲形状的骨架上，通过预应力施加设备的张拉而获得预应力。薄膜的承载能力依赖于骨架支撑结构。骨架式膜结构对膜材料的强度要求不高。二、膜结构的工程特点1、自重轻：单位面积的结构自重与造价不会随跨度的明显增加。2、选型优美，富有时代气息，色彩丰富。3、减少能源消耗：白天不用人工照明。4、施工速度快：膜结构的膜和支撑系统都是批量生产、现场安装，节省了施工时间，经济效益非常明显。1.基础及承重钢构工程2.搭设脚手架3.现场除锈打磨4.钢结构的拼装5.喷刷面漆6.钢构件吊装7.膜材吊装8.压膜边9.帽口固定10.工程竣工5、经济效益明显：日常维护费用少。6、使用安全可靠：抗震性能好，不易引起火灾。7、可拆卸，易运输，可应用于巡回演出、展览等活动。8、使用范围广。三、膜结构的应用1、大型体育设施：体育场、健身中心、游泳馆、网球馆、篮球馆等。2、商业设施：商场、购物中心、娱乐中心、大型会展场所、餐厅、酒店（挑檐）等的中厅或室内装饰。3、文化设施：展览中心、展览馆、剧院、音乐厅、会议厅、博物馆、植物园、水族馆、音乐广场等。4、交通设施：机场、火车站、公交车站、收费站、码头、加油站、天桥连廊、飞机库、停车场、候机厅等。5、工业设施：工厂、仓库、科研中心、处理中心、温室、物流中心等。6、景观设施：建筑入口、标志性建筑或景观性小品、公园与广场休闲区的遮阳结构、海滨娱乐休闲建筑、花园与庭院内的小品、居住小区、游乐场、步行街与城市街道小景、楼宇屋顶改造更新等。运动场馆体育看台类1室内张拉膜23文化设施的屋面4停车棚膜结构用于过街桥收费站天棚类5蔬菜大棚温室6建筑入口景观小品深圳华侨城东区超市步行街四、膜材料的性能膜结构所用的膜材料为具有高强、阻燃、耐久、自洁等特性的复合材料，一般由基布和涂层两部分组成。基布主要采用高强聚酯纤维或玻璃纤维丝编织而成。涂层材料主要有聚四氟乙烯（PTEF）和聚氯乙烯（PVC）。为提高膜材料的耐久、自洁等特性，聚氯乙烯类膜材料表面往往有一层氟面层或硅面层，以加强膜材料的耐火、耐久及防水、自洁等性能。常用膜材料主要有PTFE膜材料、ETFE膜材料、PVC膜材料。1、PTFE膜材料为聚四氟乙烯树脂与玻璃纤维基布，具有强度高，耐久性好，防火性好，自洁性好，而且不受紫外光的影响、使用寿命20年以上，具有高透光性，且透过膜材料的光线是自然散漫光，不会产生阴影与眩光。对太阳能的反射率高，热吸收量很少，即使在夏季炎热的曝光照射下室内也不会受太大影响。2、ETFE膜材料为乙烯—四氟乙烯共聚物，是一种耐擦伤，耐磨、耐高温、耐腐蚀、绝缘、高安全性的材料。抗震性能优越，能适应—200～150ºC的工作温度及恶劣气候；抗拉强度高，在冰雹袭击下仅留小小凹痕；阻燃材料，火灾危害小；表面光滑，自洁能力强。3、PVC膜材料使用年限一般为7~15年，为解决PVC膜材料的自洁性问题，通常在PVC涂层上再涂上PVDF（聚偏氟乙酸树脂），称为PVDF膜材料。另一种涂TiO2的PVC膜材料，具有极高的自洁性。第六节膜结构的典型案例美国巴尔的摩6号码头音乐厅，FTL-托德.达朗设计。亚特兰大体育馆(佐治亚穹顶)佐治亚体育馆的结构是一个空间桁架，其底部弦杆由环形索替代。它由涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维膜覆盖。屋面呈钻石状，看上去象水晶一般。结构示意图香港大球场该球场获1995年美国建筑师协会奖，可容纳4万观众。球场的纵向用240m跨度，顶部标高55m的拱形骨架支撑屋顶前沿，拱形骨架有12度的倾角，其截面为3.5m见方。每块1600m2的膜材，跨3组桁架。这些膜材周边压紧，在桁架间用一直径为80mm的谷索压住，膜本身施加有5100N的双向预张力。千年穹顶穹顶周长为1km，直径365m，中心高度为50m，它由超过70km的钢索悬吊在12根100m高的钢桅杆上。屋顶由带PTEE涂层的玻纤材料制成。建筑设计:理查德.罗杰斯事务所结构设计：布罗.哈波尔德青岛颐中体育场柔性内环由四根直径90的平行钢丝索组成，内环梁与脊索的连接采用索夹长轴弧形段为斜拉索支撑，短轴平行段为钢桁架支撑。采用钢桁架撑的目的主要解决体育场内照明灯具的固定及维修的钢马道的固定.膜锥单元由脊索、谷索、边索等组成凡纳弗罗市M&G研究试验室，意大利设计：M.D.拉莫斯，M.范雷姆多克，B.弗莱里克。屋顶是铺在拱架间的7块双曲抛物面形状的膜，这些膜是由表面涂有PVC层的聚脂纤维制成。可开启式膜结构日本的海洋穹顶蒙特利尔体育场：213米高的鹰咀式高塔，塔顶悬挂覆盖整个体育场的顶棚，电钮一开，整个由钢索悬挂的顶棚便可使体育场变成前所未有的室内运动场。其它膜结构