摘要:膜结构是近几十年来发展起来的一种空间结构型式。阐述了膜结构的特点及膜材料的 性能、设计的基 本要求,并对膜结构在21世纪的应用进行了展望。

引言

       1970年日本大阪万国博览会的美国馆与富士馆由于采用了膜结构建筑,引起了与会者和游人的浓厚兴趣,也引起了世界建筑界的轰动。随后的 几十年里,膜结构建筑在美国、加拿大等发达国家迅速发展起来。我国内地自上世纪70年代以来,一些科研、设计单位与高等院校便开始对膜结构进行研究。一些关键设计技术如膜结构的找形分析、荷载分析、裁剪分析等的研究也获得了一定进展,为我国膜结构的开发、应用建立了一定的技术储备。本文主要介绍膜结构建筑的特点、类型、设计施工以及在我国的应用情况。

1 膜结构建筑特点

     膜结构建筑是用轻质高强度柔性薄膜材料与支撑体系相结合形成的具有一定刚度的稳定曲面、可承受一定荷载、能够覆盖大空间的结构形式。由于充分发挥了材料抗拉强度高的特性,使得膜结构建筑具有以下优点:

1.1 跨度大

     据有关资料推测,跨度越大的建筑,采用膜结构越能体现其经济性。目前充气结构建筑的无内柱空间路度可做到200m以上。

1.2 结构重量轻

     膜材本身质轻,支承膜材的钢杆、钢架与钢索比相应的钢筋混凝土也减轻不少重量。1970年日本大阪世界博览会中的美国馆,屋面重量每平方米仅1122kg。

1.3 施工方便

      膜材可以在工厂预制成卷材成品,与钢材一样便于工业化生产,便于运输安装,施工时也不需搭建脚手架,工期较短。1979年能容纳5万人的美国卡理阿体育馆,只用了十几个月,现在建造较大型的膜结构建筑,只需几个月就能完工。

1.4 造型美观

     膜结构建筑由于结构组合形式的多样性,其造型也极为丰富,它具有一般建筑无法比拟的表现力,加上膜材的颜色可以任意选择,更加强了艺术感染力。

1.5 费用低

     膜材本身就是装修材料,可减少建筑物二次装修费用;膜结构建筑屋面的膜材透光性好,能透过大量柔和的自然光,降低白天的照明费用以及整个建筑的供热与空调费用。对于同等大小的建筑,采用膜结构,其成本只相当于传统建筑的二分之一或更少。特别是建造短期应用的大跨度建筑时,就更为合算。如今,膜结构已广泛应用于各类建筑结构中,如:体育场馆、游泳馆、商场、大面积温室、公共建筑、厂房设施等。

2 膜结构建筑常用结构型式

     膜结构属于空间结构体系,它不同于一般的钢、木、砖和钢筋混凝土结构,是继网架、薄壳、悬索结构之后新崛起的一个结构体系。近三十年来,预应力 索在结构体系中的作用和优势已为工程师所充分认识,各种新型索和膜结构体系得到了广泛的研究和应用。从膜结构的构造和受力特点可将膜结构分为张拉膜结构、充气膜结构和框式膜结构三大类。

2.1 张拉膜结构

     张拉膜结构是通过边界条件给膜材施加一定的预张应力,膜既是建筑物的维护体又作为结构以抵抗外部荷载的作用,因此在一定的初始条件下,其形状的确定、在外荷载作用下膜中应力分布与变形以及怎样用二维的膜材料来模拟三维的空间曲面等一系列复杂的问题,都需通过计算确定,张拉膜结构的发展离不开计算机技术的进步和新算法的提出。

2.2 充气膜结构

     气承式膜结构依靠曲面内外气压差来维持膜曲面的形状。 气承式膜结构是在由膜结构构成的室内充入空气,保持使室内的空气压力始终大于室外的空气压力,由此使膜材料处于张力状态来抵抗负载荷及外力的构造形式。充气膜结构分为单层结构和双层结构,单层结构如同肥皂泡,单层膜的内压大于外压。此结构具有大空间,重量轻,建造简单的特点。但需要不断输入超压气体及需日常维护管理。双层结构是双层膜之间充入气体,和单层相比可以充入高压空气,形成具有一定刚性的结构,而且进出口可以敞开。

2.3 框式膜结构

     框式膜结构中膜面仅仅起到对框架结构的维护作用,框架结构可以是传统的刚性结构,也可以是各类索结构。

3 膜材料

     21世纪建筑领域的发展趋势之一是采用新材 料。膜结构建筑的开发与应用,摆脱结构对钢材、木材、混凝土等传统材料的依赖,为建筑带来一场新的革命。用于膜结构建筑的膜材料是在用纤维织成的基布上涂敷树脂或橡胶等而制成的,高强度聚酯纤维是膜材的基质,保证膜材的强度;高分子聚合物涂层保证膜材的密实性;而惰性材料涂层则主要是保证膜材的自洁性。膜材料与金属、木材等建筑材料不同,它具有柔软性、透光性等特性,而且膜材料的基布是织物,由于织物径向(经纱)与纬向(纬纱)的特性不同,因而膜材料是一种异向型非线性材料。基布主要承担膜材料的抗拉、抗撕裂等力学特性及防火性、耐久性、自洁性、染色性及膜材料与膜材料的溶合性等特性。

    目前,膜结构建筑中最常用的材料主要有聚四氟乙烯(PTFE)膜材、聚氯乙烯(PVC)膜材和加面层的PVC膜材:PVDF膜材和PVF膜材。

     PTFE类膜材料商品名叫特氟隆(Teflon),是在玻璃纤维布基上敷聚四氟乙烯树脂(简写PTFE),树脂含量大于90%。PTFE膜的特征是耐久性、防火性与防污性高。但PTFE膜与PVC膜比较,材料费与加工费高,且柔软性低,在施工上为避免玻璃纤维被折断,须有专用的工具与施工技术。

     PVC类膜材料的布基织物为聚脂或聚胺脂等,涂层为PVC树脂,或氯丁橡胶类物质,一般另加有聚氟乙烯(PVF)或聚偏氟乙烯(PVDF)类面层。PVC膜材在材料及加工上都比PTFE膜便宜,且具有材质柔软、易施工的优点。但在强度、耐用性、防火性等性能上较PTFE膜差。为了改善PVC膜材的耐火性及防污性,近年来已研发出以氟素系树脂于PVC涂层材的表面处理上做涂层。

     为了解决PVC膜材料的自洁性,在PVC涂层上再涂上PVDF膜材料。PVDF是聚偏氟乙烯(Po-l yvinylideneFluoride)的略称,可以抵抗由紫外线引起的降解,颜色变化,失去光泽,抵抗腐蚀,抵抗脏污,抵抗发霉。PVDF膜与一般的PVC膜比较,耐用年限可达7~10年左右,耐火性基本上达到了难燃级水平。

     PVF膜材是在PVC膜的表面处理上以PVF树脂做薄膜状薄片(1aminate)加工,比PVDF膜的耐久性更佳,且具有防沾污的优点。但因加工性、施工性与防火性不佳,使用受到一定的限制。