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膜結(jié)構(gòu)建筑體系研究

點(diǎn)擊數(shù):19152021-05-12 16:01:22 來(lái)源:http://hbclhyx.com

  近年來(lái),科技不斷發(fā)展,復(fù)合材料工藝不斷進(jìn)步,膜材料,以輕質(zhì)、高強(qiáng)度、強(qiáng)透光性、強(qiáng)柔性張力、易于施工及易回收等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)有的建筑體系中嶄露頭角并已組成膜結(jié)構(gòu)建筑體系。隨著膜結(jié)構(gòu)的普遍應(yīng)用,關(guān)于膜結(jié)構(gòu)的越來(lái)越多的問(wèn)題也得到了人們的關(guān)注。
  膜結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)存在較大差異,主要在材料,結(jié)構(gòu),造型等方面。膜材料的差異導(dǎo)致了透明度、強(qiáng)度、防火性能等差異,膜結(jié)構(gòu)的不同會(huì)影響支撐強(qiáng)度及形變量等,這些問(wèn)題都會(huì)影響膜結(jié)構(gòu)的適用范圍。
1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀研究
  德國(guó)是現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)的發(fā)源地,膜結(jié)構(gòu)最早以帳篷的形式呈現(xiàn)出來(lái),1946年,allter Bird造出半徑為7.5m用多普勒雷達(dá)防護(hù)罩。1961年,F(xiàn)rei Otto教授發(fā)表文章《帳篷》,并于1965年出版介紹膜結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)和研究的著作《Spanweiten》。膜結(jié)構(gòu)時(shí)代開始的標(biāo)志是1970年日本大版世博會(huì)的空氣膜結(jié)構(gòu)運(yùn)用。1981年,特阿拉伯吉達(dá)國(guó)際機(jī)場(chǎng)建成,最大程度上體現(xiàn)張拉膜的結(jié)構(gòu)功能和力學(xué)優(yōu)勢(shì),極致地呈現(xiàn)張拉膜結(jié)構(gòu)的獨(dú)特視覺效果,張拉膜結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)可以運(yùn)用到比較嚴(yán)肅的建筑場(chǎng)所并不斷拓展。20世紀(jì)80年代末90年代初,膜結(jié)構(gòu)迎來(lái)了發(fā)展的黃金時(shí)期,在大型體育場(chǎng)館的應(yīng)用上取得較大成功。在慕尼黑安聯(lián)體育場(chǎng)采用了氣枕結(jié)構(gòu),取得令后人難以忽視的成功,堪稱一次教科書式應(yīng)用。21世紀(jì)后,許多國(guó)家和地區(qū)采用薄膜材料進(jìn)行建筑物的建造。國(guó)外有許多學(xué)者研究ETFE并著有杰出成果,比如Wolfgang曾仔細(xì)研究并介紹利用ETFE氣枕作為屋蓋的設(shè)計(jì)和分析過(guò)程。Florian Weininger曾關(guān)注過(guò)ETFE的性能、制作工藝并進(jìn)行大量研究,他還進(jìn)行過(guò)在雪荷載條件下ETFE氣枕的內(nèi)部壓力情況的計(jì)算。
  在中國(guó),同濟(jì)大學(xué)的學(xué)者最先填補(bǔ)我國(guó)關(guān)于膜結(jié)構(gòu)知識(shí)的空白,他們于1980年開始實(shí)踐膜結(jié)構(gòu)工程。20世紀(jì)90年代初,有些涉及膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建造的公司逐漸成立,遺憾的是建造的膜結(jié)構(gòu)建筑局限于臨時(shí)性或半永久性。終于在1997年,上海8萬(wàn)人體育場(chǎng)建成,這是膜結(jié)構(gòu)在中國(guó)首次應(yīng)用于大型永久建筑中,彌補(bǔ)了之前我國(guó)膜結(jié)構(gòu)建筑僅僅局限于非永久性的缺憾,自此我國(guó)進(jìn)入大型膜結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用階段。2008年,ETFE膜材在我國(guó)首次運(yùn)用于大型建筑物,ETEF氣枕被用于建造水立方屋蓋和墻體,取得了巨大成功。
  雖然我國(guó)目前正積極進(jìn)行膜結(jié)構(gòu)研究,但在膜結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、造型分析、找形分析等方面,與國(guó)外相比差距還是很大。
2 膜結(jié)構(gòu)及其特性分析
  2.1 膜材料的分類
  2.1.1 膜材組成

  (1)織物膜材:涂層織物膜材的組成主要是:涂層、纖維基布、膠粘劑及表面涂層等。主要有聚酯纖維基布PVC涂層膜(PVC/PES)、玻璃纖維基布Silicone涂層膜、玻璃纖維基布PVC涂層膜(PTFE/GF)、PBO纖維基布PVF涂層膜及聚酯纖維基布Silicone涂層膜等類型。非涂層織物膜材主要包括棉質(zhì)纖維膜、氟化物織物及金屬織物。

  (2)非織物膜材:主要指以EPFE薄膜、THV/FEP薄膜及PVC薄膜等為代表的熱塑性化合物薄膜。

  2.1.2 防火性能
  A類膜材:涂層為PTFE、基布為玻璃纖維,不燃;
  B類膜材:涂層為聚乙烯基類、基布為乙烯-四氟乙烯共聚物或者玻璃纖維或者,可燃但不會(huì)燒穿,B1、DIN4120防火等級(jí)標(biāo)準(zhǔn);
  C類膜材:涂層為聚氯乙烯、基布為聚酯纖維,可燃但不蔓延。
3 工程應(yīng)用膜材

  3.1 膜材分類

  (1)PVC膜材:多用于臨時(shí)性或半永久性建筑,耐久能力和自潔性較差,解決此問(wèn)題需要靠TiO2或PVDF涂層;

  (2)PTFE和ETFE膜材:自潔性和耐久能力較好,使膜結(jié)構(gòu)走向永久性建筑,應(yīng)用更加廣泛。
  3.2 膜結(jié)構(gòu)分類
  (1)骨架式膜:骨架的組成部分為鋼材和木材,上方的膜材主要起覆蓋作用,局部范圍內(nèi)發(fā)揮張拉作用,受骨架的約束,不易變形,風(fēng)振效應(yīng)相對(duì)較小。
  (2)張拉式膜結(jié)構(gòu):拉索將膜材料張拉于結(jié)構(gòu)上,膜面可以承擔(dān)起覆蓋建筑物的作用,令人稱奇的是,這種結(jié)構(gòu)形式下膜面本身也是受力體系的組成部分,結(jié)構(gòu)受力體系由膜材壓桿拉索共同構(gòu)成,結(jié)構(gòu)變形大,風(fēng)振效應(yīng)較明顯。
  (3)充氣式膜結(jié)構(gòu)
  (a)氣承式膜結(jié)構(gòu):直接用單層薄膜作為屋面和外墻,借助送風(fēng)系統(tǒng)使室內(nèi)氣壓大于外界氣壓,從而產(chǎn)生氣壓差來(lái)抵抗外力。
  (b)氣肋(囊)式膜結(jié)構(gòu):拱形膜肋通過(guò)充氣可具支撐能力作為氣肋(囊)式膜結(jié)構(gòu)的骨架,屋面體系則由骨架和膜材共同形成。
4 索桁架膜結(jié)構(gòu)
  由索桁架與膜復(fù)合而成,索桁架本身就是一種獨(dú)立的建筑結(jié)構(gòu)體系,完整且穩(wěn)定,有足夠的剛度。
5 張拉整體與索穹頂膜結(jié)構(gòu)
  是一種有自穩(wěn)定性的閉合結(jié)構(gòu)體系。在一定空間內(nèi),經(jīng)連續(xù)拉力桿按特定幾何拓?fù)潢P(guān)系組成,有較大剛度和穩(wěn)定性。
6 膜材料的特性分析
  PVC(聚氯乙烯):彈性大,徐變大,強(qiáng)度低,柔韌性能好,可卷折,有良好的抗震性能,受光照影響較大,不易清洗,結(jié)構(gòu)受力不理想。
  PVDF(聚二氟乙烯):比PVC使用期限多7~10年,耐火性合格,可實(shí)現(xiàn)較大程度跨越。
  PVF(聚偏氟乙烯):更耐用,防沾污,但防火性、加工性、施工性不佳,100℃以下幾乎不溶于任何溶劑,國(guó)內(nèi)在這方面研究還較少。
  PTFE(聚四氟乙烯):適宜溫度范圍為-70~230℃,具有極好的耐久、防火及防污特性,樹脂含量大于90%,在拉伸強(qiáng)度上,與鋼材相似。光學(xué)性能好,耐老化,但成本高且柔軟性差。
  ETFE(乙烯—聚四氟乙烯共聚物):能在-200~150℃的溫度中長(zhǎng)期使用,高抗污,易清洗,延展性、耐火性好,質(zhì)量輕,可循環(huán)使用,有較強(qiáng)的耐腐蝕性,且可強(qiáng)力附著在金屬表面,克服了PTFE不黏合金屬的缺陷,是金屬的理想復(fù)合材料。因其耐負(fù)壓極為優(yōu)良,在建筑中常常以氣墊的形式被采用,并監(jiān)控補(bǔ)充氣壓保證效果良好。光學(xué)性能極好,不易被外界環(huán)境影響。

  結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀,首先針對(duì)膜材料和膜結(jié)構(gòu)兩方面對(duì)膜結(jié)構(gòu)建筑體系進(jìn)行較為詳細(xì)的論述。膜材料方面著重于其特殊性研究,點(diǎn)名不同膜材料的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。膜結(jié)構(gòu)方面詳細(xì)闡述現(xiàn)有的各種膜結(jié)構(gòu)類型,并針對(duì)不同類型膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳解,目的是增強(qiáng)膜結(jié)構(gòu)運(yùn)用的合理性,更好的展示膜結(jié)構(gòu)在將來(lái)建筑體系中的優(yōu)越地位。

  山東同展膜結(jié)構(gòu)愿與您攜手共鑄完美工程,技術(shù)咨詢電話:139-5369-6678(馬經(jīng)理)。


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