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膜结构知识

  膜结构(Membrane Structure),也即张拉膜结构(Tesioned Membrane Structure),是依靠膜材自身的张拉力和特殊的几何形状而构成的稳定的承力体系。膜只能承受拉力而不能受压和弯曲,其曲面稳定性是依靠互反向的曲率来保障,因此需制作成凹凸的空间曲面,故习惯上又称空间膜结构。
  其主要特点有:
  1.艺术性
  膜结构以造型学、色彩学为依托,可结合自然条件及民族风情,根据建筑师的创意建造出传统建筑难以实现的曲线及造型。膜结构——建筑师的浪漫设想,享受大自然般浪漫空间。
  2.经济性 
  对于大跨度空间结构来说,如果采用膜结构,其成本只相当于传统建筑的二分之一或更少,特别是在建造短期应用的大跨度建筑时,就更为经济。而且膜结构能够拆卸,易于搬迁。 
  3.节能性
  由于膜材本身具有良好的透光率(10-20%),建筑空间白天可以得到自然的漫射光,可以节约大量用于照明的能源。
  4.自洁性 
  膜材表面加涂的防护涂层(如PVDF、PTFE等),具有耐高温的特点,而且本身不发粘,这样落到膜材表面的灰尘可以靠雨水的自然冲洗而达到自洁的效果。
  5.大跨度无遮挡的可视空间 
  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。而且膜结构可以从根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的可视空间。
  6.工期短
  膜建筑工程中所有加工和制作均在工厂内完成,可减少现场施工时间,避免出现施工交叉,相对传统建筑工程工期较短。
  膜结构材料的特性:
  PTFE膜材料的特点:
  1.强度高、耐久性好、防火难燃、自洁性好,而且不受紫外光的影响,其使用寿命在20年以上。
  2.具有高透光性,并且透过膜材料的光线是自然散漫光,不会产生阴影,也不会发生眩光。
  3.对太阳能的反射率高,所以热吸收量很少。即使在夏季炎热的日光的照射下室内也不会受太大影响。正是因为这种划时代性的膜材料的发明,才使膜结构建筑从人们想象中的帐篷或临时性建筑发展成现代化的永久性建
  ETFE膜材料的特点:
  乙烯-四氟乙烯共聚物,耐擦伤性、耐磨性、耐高温、耐腐蚀,绝缘性、高安全性材料。超轻重量:膜材薄轻。抗震性优越,施工便利。
  耐久性好:气候适应:-200~150摄氏度,15年以上恶劣气候,力学和光学性能不改变。
  抗拉强度高:破断伸长率达300%以上。高安全性:阻燃材料,熔后收缩但无滴落物。如遇火灾其危害性较小,冰雹气候,即使玻璃碎了,ETFE也仅留下小小凹痕。表面非常光滑,极佳自洁性能,灰尘、污迹随雨水冲刷而除去。
  PVC膜材料的特点:
  1.PVC膜材料的强度及防火性与PTFE相比具有一定差距,PVC膜材料的使用年限一般在7到15年。为了解决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。
  2.另一种涂有Tio2(二氧化钛)的PVC膜材料,具有极高的自洁性。
 
  膜结构发展简史:
  据考证,帐篷是远古时代人类较早的居所,开始完全用天然材料构筑,如用兽皮、树皮等作帷幕,用石材、树干等作支承,逐渐发展为天然合成材料,如棉纱、毛纺、帆布等。现代膜结构则发展为使用钢材、铝合金、木材等作结构件,用精细化工织物膜或氟化物薄膜作为覆盖帷幕。
  膜结构发展可概括为两个方面:膜材发展和膜结构体系发展,两者相互依存、互为促进。膜材发展推动膜结构的发展与广泛应用,并促进新的结构体系诞生;反过来,新的膜结构体系和技术发展,促进新型膜材技术的发展与应用。
  1.1.1膜材发展概况
  膜材主要是随现代精细化工科技的进步而不断发展。早期的膜材,以聚氯乙烯为表面涂层、聚酯纤维为基布的膜材为主,现称C类膜(PVC/PES),建筑与结构受力性能不理想。同时,以玻璃纤维为基布氯丁橡胶为涂层膜和棉纱天然纤维膜亦有较少应用。
  1960年代,玻璃纤维织物膜技术得到发展,并在较大范围应用,但表面涂层材料仍为聚乙烯基类(现称为B类膜)。膜材强度较高、模量大、徐变小,但建筑自洁性、耐久性仍不理想。同期,c类膜材制造技术不断进步,结构与建筑特性逐渐改善。
  1970年代初,具有优异建筑性能的聚四氟乙烯(化学名FIFE,商品名Teflon,1938)表面涂层材料由NASA研制成功,同时B纱、DE纱玻璃纤维织物膜技术日趋成熟,使得以玻璃纤维为基布PTFE为涂层的现代织物膜材问世,现称A类膜,并开始工程应用[z]。新型聚酯类纤维(Kevla等)不断被研制,氟化物涂层逐渐应用在c类膜。
  1980年代,由于航天科技发展与需求,精细化工技术发展,氟化物纤维(PTFE、FEP、PFA等)、碳纤维(CF)、聚酯纤维(PBO、PET等)等织物膜相继研制问世,这些膜材具有高强、高比强、高模量、耐强辐射、耐原子氧化、性态稳定,但目前主要应用于航空航天、半导体电子工业等特殊领域,很少应用在
  建筑工程领域。
  A类膜材发展趋势:提高柔韧性、改善制成工艺、使用环保材料、增加性价比。c类膜材发展趋势:研制新型高性能合成纤维、改善基布编织工艺、提高受力稳定性,研制新型环保涂层材料,提高建筑自洁性、耐久性。
  新型膜材及其应用技术研究是膜结构发展的基石。氟化物热塑性薄膜(ET-FE、THV、FEP等)、相应织物膜材问世和应用技术的解决,促进了新的膜结构技术的发展[9,11]。
  虽然目前有众多膜材应用于膜建筑,但以玻璃纤维(B、DE纱)为基布PT-邢为涂层的A类膜材和以聚酯纤维为基布聚乙烯基类为涂层(PVC类,主要为PVDF/PVF/Acrylie)的C类膜材仍然被认为是标准的建筑膜材。
  LL2 膜结构体系发展概况
  随建筑制作安装技术、计算机、设计数值分析理论与方法的发展,膜结构体系不断演变进化,包括充气膜、张拉膜、以及新型膜结构体系。
  (1)气承式充气膜
  1917年,英国人W.Lanehester发明了一种充气膜作为野外医院建筑屋面,这是一种安装便捷、造价经济的屋面体系,但他本人并未建成[2]。
  1946年,美国人WalterBird建成现代充气膜结构,多谱勒雷达穹顶(DopplerRadome),直径15m,矢高18.3m,采用以玻璃纤维为基布氯丁二烯橡胶为涂层的膜材。1950-1970年间,相继在美国、德国等地建造大量类似穹顶,直径达到60mt[2,4]。
  1970年,日本大阪世博会(EXPO’70)为膜结构发展提供了契机。因日本多地震,且展馆多位于软土地基,因此,展馆宜采用轻结构体系。由DavidGei—get完成结构设计的美国馆,建成了大跨低轮廓(小矢高)气承式膜,平面为139mx78m椭圆,B类膜。
  1972-1984年,由David Geiger设计,Birdair公司在美国建成银色穹顶(SilverDome,220mxl59m)等7座大型气承式膜结构,但多数膜穹顶被证明难以有效抵抗恶劣气候条件而维持正常使用。1985年,银色穹顶因强风和暴雪几乎完全毁坏。
  1988年,日本建成东京穹顶(ToykoDome)。虽然气承式膜结构技术达到了一个新的台阶,但之后世界各地再也没建造大型气承式公共膜建筑[2,4,10]。
  气承式膜结构在索穹顶体系出现之前,创造了一段大跨建筑的辉煌发展史。
  (2)气囊式充气膜
  与气承式充气膜在大跨建筑取得的成就相比,气囊式充气膜对膜建筑发展以及对大跨建筑的贡献显得“渺小”。EXPO’70日本富士馆为气囊拱构成屋面. 

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