膜结构建筑体系研究

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[size=14px] [/size][size=14px]近年来，科技不断发展，复合材料工艺不断进步，膜材料，以轻质、高强度、强透光性、强柔性张力、易于施工及易回收等优点在现有的建筑体系中崭露头角并已组成膜结构建筑体系。随着膜结构的普遍应用，关于膜结构的越来越多的问题也得到了人们的关注。[/size]
[size=14px] [/size][size=14px]膜结构与传统建筑结构存在较大差异，主要在材料，结构，造型等方面。膜材料的差异导致了透明度、强度、防火性能等差异，膜结构的不同会影响支撑强度及形变量等，这些问题都会影响膜结构的适用范围。[/size]
[size=16px]1 国内外现状研究[/size]
[size=14px] 德国是现代膜结构的发源地，膜结构最早以帐篷的形式呈现出来，1946年，allter Bird造出半径为7.5m用多普勒雷达防护罩。1961年，Frei Otto教授发表文章《帐篷》，并于1965年出版介绍膜结构的发现和研究的著作《Spanweiten》。膜结构时代开始的标志是1970年日本大版世博会的空气膜结构运用。1981年，特阿拉伯吉达国际机场建成，最大程度上体现张拉膜的结构功能和力学优势，极致地呈现张拉膜结构的独特视觉效果，张拉膜结构被发现可以运用到比较严肃的建筑场所并不断拓展。20世纪80年代末90年代初，膜结构迎来了发展的黄金时期，在大型体育场馆的应用上取得较大成功。在慕尼黑安联体育场采用了气枕结构，取得令后人难以忽视的成功，堪称一次教科书式应用。21世纪后，许多国家和地区采用薄膜材料进行建筑物的建造。国外有许多学者研究ETFE并著有杰出成果，比如Wolfgang曾仔细研究并介绍利用ETFE气枕作为屋盖的设计和分析过程。Florian Weininger曾关注过ETFE的性能、制作工艺并进行大量研究，他还进行过在雪荷载条件下ETFE气枕的内部压力情况的计算。[/size]
[size=14px] 在中国，同济大学的学者最先填补我国关于膜结构知识的空白，他们于1980年开始实践膜结构工程。20世纪90年代初，有些涉及膜结构设计建造的公司逐渐成立，遗憾的是建造的膜结构建筑局限于临时性或半永久性。终于在1997年，上海8万人体育场建成，这是膜结构在中国首次应用于大型永久建筑中，弥补了之前我国膜结构建筑仅仅局限于非永久性的缺憾，自此我国进入大型膜结构实际应用阶段。2008年，ETFE膜材在我国首次运用于大型建筑物，ETEF气枕被用于建造水立方屋盖和墙体，取得了巨大成功。[/size]
[size=14px] 虽然我国目前正积极进行膜结构研究，但在膜结构的力学性能、造型分析、找形分析等方面，与国外相比差距还是很大。[/size]
[size=16px]2 膜结构及其特性分析[/size]
[size=14px] 2.1 膜材料的分类[/size]
[size=14px] 2.1.1 膜材组成[/size]
  [size=14px] (1）织物膜材：涂层织物膜材的组成主要是：涂层、纤维基布、胶粘剂及表面涂层等。主要有聚酯纤维基布PVC涂层膜（PVC/PES）、玻璃纤维基布Silicone涂层膜、玻璃纤维基布PVC涂层膜（PTFE/GF）、PBO纤维基布PVF涂层膜及聚酯纤维基布Silicone涂层膜等类型。非涂层织物膜材主要包括棉质纤维膜、氟化物织物及金属织物。[/size]
  [size=14px] (2）非织物膜材：主要指以EPFE薄膜、THV/FEP薄膜及PVC薄膜等为代表的热塑性化合物薄膜。[/size]
[size=14px] 2.1.2 防火性能[/size]
[size=14px] A类膜材：涂层为PTFE、基布为玻璃纤维，不燃；[/size]
[size=14px] B类膜材：涂层为聚乙烯基类、基布为乙烯-四氟乙烯共聚物或者玻璃纤维或者，可燃但不会烧穿，B1、DIN4120防火等级标准；[/size]
[size=14px] C类膜材：涂层为聚氯乙烯、基布为聚酯纤维，可燃但不蔓延。[/size]
[size=16px]3 工程应用膜材[/size]
  [size=14px][size=14px] 3.1 膜材分类[/size][/size]
  [size=14px] (1)PVC膜材：多用于临时性或半永久性建筑，耐久能力和自洁性较差，解决此问题需要靠TiO2或PVDF涂层；[/size]
[size=14px] (2)PTFE和ETFE膜材：自洁性和耐久能力较好，使膜结构走向永久性建筑，应用更加广泛。[/size]
[size=14px] 3.2 膜结构分类[/size]
[size=14px] (1）骨架式膜：骨架的组成部分为钢材和木材，上方的膜材主要起覆盖作用，局部范围内发挥张拉作用，受骨架的约束，不易变形，风振效应相对较小。[/size]
[size=14px] (2）张拉式膜结构：拉索将膜材料张拉于结构上，膜面可以承担起覆盖建筑物的作用，令人称奇的是，这种结构形式下膜面本身也是受力体系的组成部分，结构受力体系由膜材压杆拉索共同构成，结构变形大，风振效应较明显。[/size]
[size=14px] (3）充气式膜结构[/size]
[size=14px] (a）气承式膜结构：直接用单层薄膜作为屋面和外墙，借助送风系统使室内气压大于外界气压，从而产生气压差来抵抗外力。[/size]
[size=14px] (b）气肋（囊）式膜结构：拱形膜肋通过充气可具支撑能力作为气肋（囊）式膜结构的骨架，屋面体系则由骨架和膜材共同形成。[/size]
[size=16px]4 索桁架膜结构[/size]
[size=14px] 由索桁架与膜复合而成，索桁架本身就是一种独立的建筑结构体系，完整且稳定，有足够的刚度。[/size]
[size=16px]5 张拉整体与索穹顶膜结构[/size]
[size=14px] 是一种有自稳定性的闭合结构体系。在一定空间内，经连续拉力杆按特定几何拓扑关系组成，有较大刚度和稳定性。[/size]
[size=16px]6 膜材料的特性分析[/size]
[size=14px] PVC（聚氯乙烯）：弹性大，徐变大，强度低，柔韧性能好，可卷折，有良好的抗震性能，受光照影响较大，不易清洗，结构受力不理想。[/size]
[size=14px] PVDF（聚二氟乙烯）：比PVC使用期限多7～10年，耐火性合格，可实现较大程度跨越。
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℃以下几乎不溶于任何溶剂，国内在这方面研究还较少。
PTFE（聚四氟乙烯）：适宜温度范围为-70～230℃，具有极好的耐久、防火及防污特性，树脂含量大于90%，在拉伸强度上，与钢材相似。光学性能好，耐老化，但成本高且柔软性差。
ETFE（乙烯—聚四氟乙烯共聚物）：能在-200～150℃的温度中长期使用，高抗污，易清洗，延展性、耐火性好，质量轻，可循环使用，有较强的耐腐蚀性，且可强力附着在金属表面，克服了PTFE不黏合金属的缺陷，是金属的理想复合材料。因其耐负压极为优良，在建筑中常常以气垫的形式被采用，并监控补充气压保证效果良好。光学性能极好，不易被外界环境影响。
[/size]  [size=14px] 结合国内外相关研究现状，首先针对膜材料和膜结构两方面对膜结构建筑体系进行较为详细的论述。膜材料方面着重于其特殊性研究，点名不同膜材料的优缺点及适用范围。膜结构方面详细阐述现有的各种膜结构类型，并针对不同类型膜结构进行详解，目的是增强膜结构运用的合理性，更好的展示膜结构在将来建筑体系中的优越地位。[/size]
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