膜結(jié)構(gòu)在工程中的運(yùn)用

膜結(jié)構(gòu)在工程中的運(yùn)用

1膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1·1材料特點(diǎn)

膜結(jié)構(gòu)的自重特別輕。膜材的厚度一般在1mm左右,與壓型鋼板相比,雖然厚度差不多,但容重要小得多,即使加上加勁鋼索,自重也只有10kg/m2左右,而一般的輕鋼結(jié)構(gòu)屋蓋,其自重至少在100kg/m2以上。正因?yàn)樽灾剌p,使膜結(jié)構(gòu)能容易地跨越幾百米、甚至上千米的跨度。所有膜材都是半透明的,最高透光率可達(dá)20%,因此整個(gè)建筑物在白天可以不用人工照明。同時(shí)光線能均衡地漫射,從而創(chuàng)立一個(gè)無(wú)眩光的、明亮的室內(nèi)空間。此外淺色的膜材能反射陽(yáng)光,反射率至少有70%,在夏季能大大減少熱量的傳遞,加上沒有照明用電,可充分節(jié)約能源。膜結(jié)構(gòu)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是它的自潔性。目前所生產(chǎn)的膜材,其涂層或面層能使聚集在其上的灰塵輕易地被雨水沖刷掉,從而保持皎潔的外貌。

1·2設(shè)計(jì)特點(diǎn)

膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同。膜材既輕又薄,本身沒有什么剛度,只有依靠曲率和施加預(yù)張力來(lái)起承重作用。大部分膜結(jié)構(gòu)的形狀都是在施工過(guò)程中逐步形成的,因此在開始設(shè)計(jì)時(shí)就要確定它的初始形態(tài),也就是在滿足建筑造型和使用功能的要求下,決定膜面的初始曲率和預(yù)張力。這就需要結(jié)構(gòu)工程師及早參與進(jìn)來(lái),使建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做到密切配合。在初始形態(tài)的基礎(chǔ)上,要進(jìn)行荷載效應(yīng)分析,考慮各種不同的荷載組合情況下對(duì)膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力和變形。這時(shí)要注意:①膜材在經(jīng)向和緯向的力學(xué)性能不同,要考慮材料的各向異性;②膜結(jié)構(gòu)在荷載作用下變形很大,結(jié)構(gòu)分析要考慮幾何非線性。膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最后一道是裁剪分析,這也是一般傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)所沒有的。膜結(jié)構(gòu)完成后其膜面在空間中是三維的,然而膜材卻是二維的平面,因此必須將空間的曲面劃分為條狀的裁剪片,以便在拼接并張拉后形成初始的膜曲面。問(wèn)題的難度還在于裁剪分析中必須考慮初始預(yù)張力和膜材徐變的影響。由于以上特點(diǎn),膜結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)都要通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)完成,目前國(guó)內(nèi)外都已開發(fā)了專用的軟件。

2膜材

2·1膜材的分類

目前最常用的膜材則是以玻璃纖維和聚酯纖維為基材分為兩大類。

以玻璃纖維為基材大多采用聚四氟乙烯為涂層,其商品名稱為特氟隆。這種膜材的玻璃纖維一般都用很細(xì)的β紗織成,因此具有較高的強(qiáng)度,并能改進(jìn)玻璃的脆性。此外,它在材料尺寸穩(wěn)定性、耐火性和自潔性方面都有良好的表現(xiàn)。玻璃纖維膜材的生產(chǎn)廠家提出的質(zhì)量保證期雖然只有10~15年,但根據(jù)工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn),使用年限可到25年。

以聚酯纖維為基材采用聚氯乙烯為涂層。與玻璃纖維膜材相比,它的強(qiáng)度等性能稍差,但價(jià)格便宜、加工制作容易。這種膜材最大的缺點(diǎn)是在大氣塵埃和紫外線的作用下涂層逐漸破壞變質(zhì),嚴(yán)重地影響了耐久性。為改進(jìn)其性能可在涂層外再加面層,從而能保護(hù)織物抵抗紫外線并改進(jìn)其自潔性。常用的面層有聚偏氟乙烯與聚偏二氟乙烯,前者的商品名稱為泰德拉爾。增加面層之后,聚酯纖維膜材的各種性能都有提高,但耐火性能還只能做到難燃,使用年限可達(dá)到15年。

2·2常用膜材的性能對(duì)比

目前國(guó)內(nèi)一些廠家雖然也能生產(chǎn)膜材,但其性能尚難達(dá)到建筑織物的要求,因此絕大部分工程所采用的膜材都是國(guó)外生產(chǎn)的。為了填補(bǔ)這個(gè)空白,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家正在努力試制性能較高的膜材,同時(shí)還有企業(yè)正在引進(jìn)國(guó)外的設(shè)備和技術(shù)來(lái)生產(chǎn)膜材,以期滿足日益增長(zhǎng)的膜結(jié)構(gòu)工程的需求。

3制作與安裝

好的膜結(jié)構(gòu)制作與安裝應(yīng)該保證在所建的工程中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中所規(guī)定的幾何曲面和預(yù)張力水平。因此,一個(gè)合格的制作者應(yīng)對(duì)三維膜面形狀生成的要領(lǐng)有充分的理解,同時(shí)熟悉所加工膜材的性能。而一個(gè)合格的安裝者則應(yīng)在施工過(guò)程中善于控制不斷變化的幾何形狀。膜結(jié)構(gòu)的制作,大部分工作量是在工廠內(nèi)完成的,因此加工制作場(chǎng)地必須有足夠大的空間,并保持平整清潔,滿足一定溫濕度的要求。

成卷的膜材在工廠被裁剪成膜片,這種先進(jìn)的工藝應(yīng)由專門的計(jì)算機(jī)來(lái)完成,但目前國(guó)內(nèi)的制作還是依靠人工放樣和裁剪。由于膜材在安裝時(shí)施加初始預(yù)張力而伸長(zhǎng),同時(shí)隨著時(shí)間會(huì)產(chǎn)生徐變,因此在裁剪時(shí)要根據(jù)所用膜材的特性,考慮上述因素的影響,確定膜片的收縮量。膜片通過(guò)高頻焊機(jī)熱合加工成膜單元。對(duì)于采用聚酯纖維或玻璃纖維為基材的膜材應(yīng)采用不同的焊機(jī)。各種膜材的連接方式和熱合工藝也不同。膜單元運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng),打開包裝后展開在它的支承構(gòu)件上。接著就應(yīng)進(jìn)行連續(xù)安裝就位,將膜單元盡快固定在邊緣構(gòu)件或鋼索上,因?yàn)檫@時(shí)膜結(jié)構(gòu)尚不能承重,最容易受外界氣候影響而導(dǎo)致膜面破壞。在膜單元固定的過(guò)程中,膜面實(shí)際上已經(jīng)開始施加預(yù)張力而繃緊。為了使膜結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)定的形狀,還需要采用專門的施力機(jī)具分步、均勻地對(duì)其施加預(yù)張力。膜結(jié)構(gòu)中的預(yù)張力具有十分重要的作用。正因?yàn)槟げ氖芾鼓っ鏈p少或避免了褶皺和可能引起積水的凹坑,更重要的是預(yù)張力可以有效地控制由風(fēng)產(chǎn)生的膜面顫振。至于膜面是否能達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)張力值還是個(gè)難題,因?yàn)槟壳吧袥]有能準(zhǔn)確測(cè)量膜面張力的儀器。實(shí)際工程中還只能以檢查施力點(diǎn)位移是否達(dá)到設(shè)計(jì)值作為控制標(biāo)準(zhǔn),對(duì)有代表性的施力點(diǎn)則應(yīng)進(jìn)行力值抽檢,這是檢查施工結(jié)果與設(shè)計(jì)假定吻合程度的一個(gè)重要手段。

膜結(jié)構(gòu)竣工驗(yàn)收之后要十分重視維護(hù)和保養(yǎng),以保證正常使用。與一般結(jié)構(gòu)相比,恐怕要更強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。在竣工后的一段時(shí)間內(nèi),制作安裝單位應(yīng)負(fù)責(zé)檢查和維護(hù),并向使用單位提供保養(yǎng)維護(hù)手冊(cè)。膜結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期維護(hù)和保養(yǎng)還應(yīng)有專人負(fù)責(zé)。

4適用工程

多年的工程實(shí)踐表明,膜結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的生命力,已成為現(xiàn)代建筑中一種重要的結(jié)構(gòu)形式。從一開始,膜結(jié)構(gòu)就被應(yīng)用在體育建筑中,其后迅猛發(fā)展?，F(xiàn)在從大型的奧運(yùn)會(huì)體育館、世界杯的足球場(chǎng),一直到小型的學(xué)校健身房,無(wú)不見到膜結(jié)構(gòu)的蹤影。近年來(lái),世界各地的大城市都在興建會(huì)議展覽中心,對(duì)于要求一個(gè)大空間并可自然采光的展覽建筑來(lái)說(shuō),膜結(jié)構(gòu)就是一個(gè)理想的選擇。除此之外,膜結(jié)構(gòu)還經(jīng)常被用在商業(yè)、文娛、交通等建筑上,甚至面積不大的加油站、收費(fèi)站、候車亭、大門入口、遮陽(yáng)設(shè)施乃至街頭的建筑小品。然而,膜結(jié)構(gòu)也不是全能的,還要受到造價(jià)、氣候、能源、防火等條件的約束,因此選擇膜結(jié)構(gòu)的適用范圍是十分重要的。

4·1遮蓋敞開或半敞開建筑物

對(duì)于遮蓋敞開或半敞開建筑物,膜結(jié)構(gòu)是最合適的了。這首先要提到體育場(chǎng),其覆蓋范圍已由過(guò)去僅僅是主席臺(tái)發(fā)展到了全部看臺(tái),懸挑的跨度也越來(lái)越大。輕巧的膜結(jié)構(gòu)為此提供了有利的條件,懸挑出四五十米跨度已不成問(wèn)題。2000年世界杯,在日本和韓國(guó)建造的20座足球場(chǎng)中,有一半以上采用了膜結(jié)構(gòu)。我國(guó)從上海八萬(wàn)人體育場(chǎng)開始,已有10多座已建或在建的體育場(chǎng)采用了膜結(jié)構(gòu)。新近建成的蕪湖體育場(chǎng),是由外圍桁架拱支承的整體張拉式膜結(jié)構(gòu)。其他像露天劇場(chǎng)的舞臺(tái)、公路上的收費(fèi)站、加油站,國(guó)外用得很多,我國(guó)也開始采用。在我國(guó)南方地區(qū),許多不需要墻圍護(hù)的商場(chǎng),以膜結(jié)構(gòu)作為屋蓋也很適宜。

4·2需要自然采光的公共建筑

對(duì)于需要自然采光的公共建筑,膜材的透光性能很好地解決采光問(wèn)題,并且沒有眩光,給人以一種處于大自然環(huán)境中的感覺。因此體育館、展覽館一類的建筑采用膜結(jié)構(gòu)自不待言。自從1970年以后,在美國(guó)的大型公共體育館和大學(xué)體育館建設(shè)中采用了一系列的空氣支承膜結(jié)構(gòu),其中有代表性的是龐帝亞克市的八萬(wàn)座體育館“銀色穹頂”。1956年韓國(guó)漢城奧運(yùn)會(huì)的體操館和擊劍館采用了索穹頂形式的膜結(jié)構(gòu),這種索穹頂一直延續(xù)發(fā)展到1992年美國(guó)亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)的主體育館。膜結(jié)構(gòu)已是國(guó)外體育館、溜冰館、游泳館、健身房所常用的結(jié)構(gòu)形式,在我國(guó),目前還只限于中小型的體育建筑。

4·3展覽建筑

展覽建筑也是膜結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)熱門。從1970年的日本大阪博覽會(huì)開始,差不多每一次世界博覽會(huì)都成了膜結(jié)構(gòu)的展覽。1985年在日本茨城、1992年在西班牙塞維利亞、2000年在德國(guó)漢諾威都出現(xiàn)了許多造型新穎、形狀奇特的膜結(jié)構(gòu)。2000年英國(guó)倫敦的“千年穹頂”則堪稱為展覽建筑的代表作。我國(guó)也開始在展覽建筑中采用膜結(jié)構(gòu),如上海新國(guó)際博覽中心,7萬(wàn)多m2的展覽館采用了鋼管立體桁架支承的膜結(jié)構(gòu)。南寧國(guó)際會(huì)展中心多功能大廳也采用了高達(dá)80m的旋轉(zhuǎn)雙曲拋物面雙層膜結(jié)構(gòu)。

4·4大量旅客集散的場(chǎng)所

對(duì)火車站、長(zhǎng)途汽車站、輪船碼頭、機(jī)場(chǎng)候機(jī)大廳等大量旅客集散的場(chǎng)所來(lái)說(shuō),一個(gè)封閉但又能采光的空間無(wú)異是很理想的。1995年美國(guó)丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)候機(jī)大廳以17個(gè)寬67m帳篷形的膜結(jié)構(gòu)組成,寬敞明亮的建筑顯示了膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。最近廣州新白云機(jī)場(chǎng)候機(jī)大廳屋蓋的采光帶以及門廳等采用了膜材,單這部分的面積就有5萬(wàn)多m2。

4·5系列化產(chǎn)品

此外,膜結(jié)構(gòu)可以利用工廠生產(chǎn)的特點(diǎn),將其做成標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。目前在美國(guó)就有專門的廠家生產(chǎn)輕鋼骨架支承的膜結(jié)構(gòu),作為系列化的商品供應(yīng)。它適用于生產(chǎn)車間、倉(cāng)庫(kù)和臨時(shí)性建筑。由于膜結(jié)構(gòu)具有運(yùn)輸、拆裝方便的優(yōu)點(diǎn),對(duì)于緊急救災(zāi)或?yàn)?zāi)后重建都十分有用。

5技術(shù)規(guī)程

應(yīng)該承認(rèn)目前廣大技術(shù)人員對(duì)膜結(jié)構(gòu)還不熟悉,急需這方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范作為技術(shù)上的指導(dǎo)。同時(shí),當(dāng)前膜結(jié)構(gòu)工程的施工也需要對(duì)制作、安裝提出要求,并對(duì)其允許誤差作出規(guī)定,才有利于保證工程質(zhì)量。此外,管理部門、建設(shè)單位、監(jiān)理單位等對(duì)此也都有迫切的要求。因此,對(duì)膜結(jié)構(gòu)提供一本包括設(shè)計(jì)、制作、安裝和維護(hù)的指導(dǎo)性文件就顯得非常必要。中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)空間結(jié)構(gòu)分會(huì)委托中國(guó)建筑科學(xué)研究院為《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的主編單位,組織國(guó)內(nèi)9個(gè)主要從事膜結(jié)構(gòu)科研、設(shè)計(jì)、教學(xué)與施工的單位成立編制組,展開規(guī)程的編制工作,并于2003年11月完成了送審稿。目前規(guī)程已通過(guò)了專家審查,正在形成報(bào)批稿,估計(jì)在2004年上半年將由中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)批準(zhǔn)發(fā)布。規(guī)程的主要技術(shù)內(nèi)容如下:

設(shè)計(jì)基本規(guī)定其中膜結(jié)構(gòu)選型按膜材及其相關(guān)構(gòu)件的受力方式分成4種形式,是國(guó)內(nèi)外首次提出的一種比較科學(xué)的分類方法,另外提出了在建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問(wèn)題。

材料膜材根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外廠商所能提供的品種,按其材料組成分別給予代號(hào),按其抗拉強(qiáng)度、厚度與重量加以分級(jí)。對(duì)膜結(jié)構(gòu)中所用的拉索和錨具也作出規(guī)定