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膜结构,竟然可以呈现如此多彩的空间设计美学?


膜结构建筑是21世纪最具代表性和前景的建筑形式之一,它打破了纯线性建筑风格的格局以其独特优美的曲线形状 呈现出柔和的力量美感同时赋予设计师更多的想象力和创作空间。

 

 

膜结构是一种建筑与结构结合的结构体系,是采用高强度柔性薄膜材料与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状,作为覆盖结构或建筑物主体,并具有足够刚度以抵抗外部荷载作用的一种窄间结构类型。

 

膜结构作为一种空间结构形式最早可以追溯到远古人类用木头搭建结构骨架覆盖上兽皮或草席用绳子或石块固定在地上建成简易的房子。

 

△以兽皮建造的帐篷

 

近代膜结构受到马戏团大型帐篷的启发并随着新型膜材料和高强钢索的研发以自由、轻巧、柔美,充满力量感的造型在建筑领域的应用越来越广泛此外,因为膜结构建造快、方便安装和拆卸特别适用于小型、临时的或使用年限较短的建筑。

 

本文整理了膜材料特性、受力特性、结构形式和后期维护的知识及案例和你一起开启今天的学习。

 

 01. 常见的膜材料有哪些

 

 

 

建筑中最常用的膜材料主要有PTFE膜、PVC膜和ETFE膜三种膜材的选择往往取决于建筑物的功能、防火要求、设计寿命和投资额。

 

  PTFE  

在极细的玻璃纤维(3微米)编织成的基材上涂覆聚四氟乙烯等材料。

PTFE1979年左右出现后从各方面改善了膜材的特性使得膜结构从帐篷或临时性建筑发展到永久性建筑。

 

特性:

·    永久性建筑首选膜材,使用寿命在20~30年以上;

·    强度高、耐久性和自洁性好,不受紫外光的影响;

·    高透光性,透过的自然散漫光不产生阴影和眩光;

·    反射率高,热吸收量少;

·    燃烧性能A级。

 

 

PTFE膜用于永久性膜,不便重新组装利用。PTFE膜不燃,可满足世界各国建筑A级防火需求。新安装的膜呈麦黄色,日照数月之后,膜会逐渐漂白。常规的PTFE膜伸长变形较小,拉伸强度150KN/m,撕裂强度1KN/m,透光率13%,网状膜可达65%以上,防潮、防霉、耐污,PTFE有微孔隙能透气。PTFE膜一般加工中易出折痕,且难以消除,不方便包装及运输,因此,在膜结构小品中容易出现折痕,适合于大型膜结构建筑工程。

 

  PVC  

以尼龙织物为基材涂覆PVC或其他树脂。

 

特性:

·   早期的膜材,使用年限一般为715年;

·   强度及防火性与PTFE相比具有一定差距;

·   自洁性较差,可在PVC涂层上再涂PVDF树脂;

·   涂有Tio2(二氧化钛)的PVC膜,具有极高自洁性;

·   燃烧等级B1 级,不及PTFE膜。

 

 

目前国内大部分膜结构工程使用的都是聚酯纤维膜材料,即PVC聚酯纤维膜材。聚酯纤维是膜建筑中应用最广泛的纤维,并认为是建筑膜材标准产品。聚酯纤维拉伸强度高,弹性好。在拉伸屈服前,纤维具有较大的伸长变形能力,使得在安装时可进行一定的调整。但日照将使聚酯纤维老化,弹性与强度等力学性能降低,所以很多建筑采用PTFEETFE等永久性膜材。

 

  ETFE 

 乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜非织物类

特性:

·    耐久性好,15年以上恶劣气候下力学和光学性能不变;

·    耐磨、耐高温、耐腐蚀,绝缘性;

·    密度小,抗拉强度高,破断伸长率达300%

·    表面光滑,极佳的自洁性能,污迹可随雨水冲刷;

·    阻燃材料,熔后收缩但无滴落物。 

 

 

ETFE膜材的厚度通常小于0.20mm,是一种透明膜材。ETFE是乙烯-四氟乙烯共聚物,既具有类似聚四氟乙烯的优良性能,又具有类似聚乙烯的易加工性能,还有耐溶剂和耐辐照的性能。

 

 02. 高效的张拉结构 

膜结构是以高强度的柔性薄膜材料经张拉或充气形成稳定的曲面承受外荷载的结构形式其造型自由、轻巧、柔美,充满力量感。

 

△结构形式谱系简图

在上面的结构体系简图中膜结构属于利用形抗的全轴力张拉结构其结构效率是非常高的利用膜材料的高抗拉强度单独考虑膜材的跨度与其厚度的比值可以达到1/10000,是最极致的轻型结构。

 

△构件尺寸与跨度的比值(估算)

 

 根据膜结构的成形方式和受力特点一般可以分为张拉膜、充气膜和骨架膜三种比较形象的比喻是张拉膜像帐篷、充气膜像热气球骨架膜像蒙古包。

 

△几种张拉膜和充气膜

 

 ① 张拉膜  

丹佛国际机场航站楼是为数不多的整体采用膜结构的机场76x285米的大空间沿长边方向划分为17个单元。

 

△丹佛国际机场航站楼:鸟瞰

 

每个单元由间距45.8米的两根支柱撑起山峰形的脊索柱间为起稳定作用的谷索以脊索和谷索为边界结构其间的张拉膜材覆盖建筑大空间。

 

△丹佛国际机场航站楼:室内

 

2010年上海世博会主入口的世博轴也采用了张拉索膜结构由德国SBA公司和华东建筑设计研究院设计全长1045米、宽约100米的世博轴由6个喇叭形的阳光谷、13根大型桅杆、数十根斜拉索和巨大的膜结构组成。

 

△上海世博会世博轴,2010

 

  充气膜  

利用气压使膜产生张力以此来抵抗外力的结构称为充气膜结构具体又分为气承式和气胀管式两大类是现代膜结构摆脱马戏团帐篷形象的一次尝试简单地理解,气承式是利用膜内外气压差使膜产生拉力来平衡外荷载类似于热气球。

 

△气承式(热气球)  /  气胀管式(充气棒)

 

气胀管式的原理是利用充气使得管(梁或拱)形成抗弯和轴向刚度以承担外荷载,类似于常见的充气棒气胀管式充气膜所需要的气压比气承式的更大结构效率比气承式低。

 

 △气承式和气胀管式受力原理简图

 

充气膜结构建造方便、快速最初用于军用设施以1970年大阪世博会为展示契机膜结构因建造快速简便被众多国家场馆所采用其中最具代表性的美国馆和富士馆都是充气膜。

 

美国馆的方案是由盖格尔(D.Geiger)提出的低拱度空气膜结构属于气承式在长轴142米、短轴83.5米的椭圆形压环内侧用索张拉膜材(聚氯乙烯喷涂的玻璃纤维布)

 

△大阪世博会上的美国馆,1970

 

美国馆穹顶的垂度非常低(1.6m)垂度低的充气穹顶受到的风荷载分布比较均匀(吸力)这对保持膜结构形态和承载力的稳定非常有利。

 

与美国馆不同富士馆是一种拱形的充气膜只对拱形管充气建筑物内部气压与室外气压相同出入口不需要气门锁,完全自由同时结合横向索和缆风索形成整体稳定的结构。

 

△大阪世博会富士馆,1970

 

充气拱的管状截面直径约4m膜材为喷涂有弹性橡胶的聚乙烯醇纤维布充气气压比室外大气压高800mm水柱每个单元有16根拱,拱长均为72m但每根拱的拱高和拱脚跨度不同最终呈现出独特的形状富士馆以前所未有的结构系统和形态震惊了世界。

 

PTFE这种不可燃、高耐久性膜材的出现为充气膜形式的永久建筑提供了技术上的可行性。

 

  骨架膜  

骨架膜是以刚性构件作为骨架以膜材作为覆盖材料主要由刚性骨架承受外荷载由于膜材的透光性和张力感使得骨架膜结构的大空间更加明亮、开放、富有力度感。

 

△蓬皮杜梅斯艺术中心, 2010

 

蓬皮杜梅斯艺术中心由坂茂建筑事务所(Shigeru Ban Architects)设计以15m跨度为模数3个纵深长达90m的长方体彼此垂直层叠木结构屋面表面覆盖PTEE薄膜呈现出极佳的效果。

 

1、工程维护一般要求

膜结构工程的保护和维护。膜材表面不应与刀子、锐器接触,以免划破及磨伤膜材表面。一旦发现膜材被划破、严重磨伤等现象时,应及时采取有效措施以免磨伤更加严重,同时通知厂商派人修复,钢构件表面不得遭受硬物打击与划伤,不得接触各种酸性、碱性和有机溶剂。

 

2、膜材表面需清洗、打扫时:1)工人不应穿硬底鞋直接接触表面,防止沙土磨伤表面,严重磨刮膜表面。(2)清洗膜表面时,应用清水或中性清洗剂,不宜用如:汽油、酒精、氯水等酸性或碱性材料液剂清洗。(3)膜表面不宜长时间堆放异物如:铁件、化学物品或其它带颜色的材料等。

 

3、对结构中的钢结构、钢索、夹板及螺栓等部件在未经厂商认可的情况下不得任意调整、拆卸。

 

4、未经许可不许在膜材上随意牵拉、悬挂重物及物品。

 

5、用户应定期(半年至一年)对钢结构安全进行防锈及维护,确保结构安全,防止锈水滴落膜材表面。

 

 

以膜构成的空间有着无尽的可能和魅力需综合考虑功能与形态、造型与力、材料、系统、节点、织物裁剪、施工方法等你会发现膜结构设计其实是一种妙趣横生的探索过程。
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