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膜結構:在創(chuàng )新中成長(cháng)

信息來(lái)源:www.beikunpajia.cn 發(fā)表時(shí)間:[2015-1-12 16:21:43]
對膜結構這一新型建筑結構,分析其性能特點(diǎn)、歷史沿革,探討膜結構技術(shù)在我國建筑業(yè)的應用成果,就目前膜結構工程的問(wèn)題提出解決方案,旨在挖掘膜結構的潛力,提高建筑設計水平。
國家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”和國家游泳中心“水立方”,作為膜結構建筑的經(jīng)典之作,如同站在炫目舞臺上的明星,驚艷動(dòng)人,光芒四射,讓大家對這種新型建筑嘆為觀(guān)止。2010年上海世博會(huì )集中,膜結構建筑也繼2008年北京奧運會(huì )之后再次得到完美體現。
膜結構(Membrane)是20世紀中期發(fā)展起來(lái)的一種新型建筑結構形式,集建筑學(xué)、結構力學(xué)、精細化工與材料科學(xué)、計算機技術(shù)等為一體,具有很高技術(shù)含量:有多種高強薄膜材料(PVC或Teflon)及加強構件(鋼架、鋼柱或鋼索通過(guò)一定方式使其內部產(chǎn)生一定的預張應力以形成某種空間形狀,作為覆蓋結構,并能承受一定的外荷載作用的一種空間結構形式。
膜結構可分為充氣膜結構和張拉膜結構兩大類(lèi)。其曲面可以隨著(zhù)建筑師的設計需要任意變化,結合整體環(huán)境,建造出標志性的形象工程。在陽(yáng)光的照射下,由膜覆蓋的建筑物內部充滿(mǎn)自然漫射光,無(wú)強反差的著(zhù)光面與陰影的區分,室內的空間視覺(jué)環(huán)境開(kāi)闊和諧。夜晚,建筑物內的燈光透過(guò)屋蓋的膜照亮夜空,建筑物體形顯現出夢(mèng)幻般的效果。
膜結構所用膜材料由基布和涂層兩部分組成,基布主要采用聚酯纖維和玻璃纖維材料;涂層材料主要為聚氯乙烯和聚四氟乙烯。
 
膜結構前進(jìn)的腳步從未停息
膜結構建筑,從帳篷到永久性建筑——過(guò)去人們習慣地把膜結構看作是個(gè)帳篷,而帳篷只能算是一個(gè)臨時(shí)性建筑——不夠牢固、不能防火、又不能保暖或隔熱。膜結構最早是19世紀40年代被美國軍方用作了雷達罩,被大規模應用于建筑物上是在1970年日本大阪市世博會(huì )上。
大阪市世博會(huì )上,日本富士館和美國館采用了膜結構,它們是世界上最早的大型膜結構建筑。富士館和美國館都使用了充氣膜結構,樹(shù)脂玻璃纖維鼓脹起來(lái)后靠懸索穩定,富士館“吹起”了16個(gè)拱門(mén),美國館則吹起了長(cháng)142米、寬83米的橢圓形大屋頂。大阪世博會(huì )后,人們意識到膜結構是一種全新的建筑結構形式,這種日漸深刻的認識,使得膜結構得到了迅速的發(fā)展。
1975年在美國密執安州龐提亞克興建了平面尺寸243.9×183米的銀色穹頂,這是第一次將氣承式膜結構應用于永久的大型體育館。其后在北美地區,類(lèi)似的膜結構就建了9座,其中像美國的明尼阿波利斯和加拿大的溫哥華均位于北方地區。雖然像這樣的膜充氣結構也發(fā)生過(guò)幾次不愉快的坍塌事故,但是膜結構終于登堂入室,進(jìn)入永久性建筑的行列。日本在徘徊了10多年之后,也在1988年修建東京后樂(lè )園棒球場(chǎng)時(shí)采用了氣承式膜結構。
在日后的發(fā)展過(guò)程中,膜結構表現出了不少特有的優(yōu)勢,如阻燃性能好、外形新穎美觀(guān)、自重輕、跨度大、工期短。目前常用的膜材料都具良好的阻燃性能或不燃性;膜材色彩豐富,支撐結構和柔性膜材可以使建筑特別適合地震多發(fā)地區,也使得膜結構建筑可以實(shí)現大跨度覆蓋空間;膜結構工程所有的加工和制作都可以按照設計在工廠(chǎng)內完成,在現場(chǎng)只是進(jìn)行安裝作業(yè),施工周期短。膜結構優(yōu)良的特性,使得它具有廣泛的使用范圍。
當然,膜結構也有其劣勢,如耐久性差、御風(fēng)性差、環(huán)保性差等問(wèn)題。目前,一般膜材使用年限15-25年之間;膜結構受風(fēng)的影響比較大,風(fēng)對膜結構的作用一直是科研與工程技術(shù)人員的一個(gè)課題;環(huán)保問(wèn)題也是膜材料必須面對的一個(gè)問(wèn)題。
建筑膜材的發(fā)展,推動(dòng)了膜結構的進(jìn)步——膜結構材料長(cháng)期以來(lái)一直被稱(chēng)為“涂層織物”,這是因為先期用于膜結構的主流材料都是在纖維織物上面添加圖層而成。業(yè)內一般按照織物基材和涂層來(lái)劃分膜結構材料,常見(jiàn)的有:PVC膜材、聚偏二氟乙烯(PVDF)膜材和PTFE膜材。PVC膜材,基材為聚酯纖維,涂層為 PVC。這種膜材的優(yōu)點(diǎn)是色彩豐富,價(jià)格適中;缺點(diǎn)是強度不高,耐久性差,質(zhì)量保質(zhì)期一般在5-8年。PVDF膜材,基材為聚酯纖維,涂層為PVC,然后 再加PVDF涂層處理。它的使用年限提高至10-12年;性能優(yōu)于純PVC膜材,價(jià)格也略高于純PVC膜材。
PTFE膜材是在超細玻璃纖維織物上涂以聚四氟乙烯樹(shù)脂而成的材料。這種膜材有較好的焊接性能,有優(yōu)良的抗紫外線(xiàn)、抗老化性能和阻燃性能。另外,其防污自潔性是所有建筑膜材中最好的,但柔韌性差,施工較困難,由于品質(zhì)卓越,所以?xún)r(jià)格也較高。在蓋格公司領(lǐng)導下,多家公司共同開(kāi)發(fā)永久性膜材,使永久性的PTFE膜正式誕生。這種膜材的力學(xué)性能與化學(xué)穩定性指標只下降了20%~30%,顏色也幾乎沒(méi)變,膜的表層光滑,具有彈性,大氣中的灰塵、化學(xué)物質(zhì)微粒極難附著(zhù)與滲透,經(jīng)雨水沖刷建筑膜可恢復其原有的清潔面層與透光性,這足以顯示出 PTFE膜材的強大生命力和廣闊的市場(chǎng)前景。與傳統膜結構材料不同的ETFE膜材在20世紀90年代左右面世,它在膜結構中的應用,顛覆了建筑膜材“涂層 織物”的傳統定義,拓寬了建筑膜材的范圍。ETFE膜材是采用擠出流延方法加工成膜,采用這種擠出流延法制作的薄膜厚度、均勻性、表面平滑性都好于擠出吹塑薄膜。這種直接成型的ETFE膜材,透光性、阻燃性、自潔性、著(zhù)色性都很好,使用壽命在10-12年左右,而且材質(zhì)柔軟,非常適合用于充氣膜。2008年ETFE膜材應用于北京奧運會(huì )水立方外墻后,引起了人們的極大關(guān)注。
建筑膜材的創(chuàng )新與發(fā)展,推動(dòng)了膜結構體系的發(fā)展;而膜結構的發(fā)展,同時(shí)也促進(jìn)了新型膜材的研究與應用?梢(jiàn),膜材發(fā)展和膜結構發(fā)展,是相輔相成、相互依存和促進(jìn)的。
 
我國膜結構的現狀
起步雖晚,成就卓越——我國的膜結構建筑起步較晚。1997年上海第八屆全運會(huì )的主體育場(chǎng)——上海八萬(wàn)人體育場(chǎng),采用了PTFE膜結構來(lái)完成看臺罩棚。這個(gè)可同時(shí)容納8萬(wàn)名觀(guān)眾的大型體育場(chǎng)館,是我國第一次大面積地將膜結構使用在永久性建筑上。造價(jià)不菲的上海八萬(wàn)人體育場(chǎng),建立了我國使用膜結構的信心,加深了我國對這一新型建筑形式的認知度和接受度,對我國膜結構建筑具有里程碑式的意義。自此以后,PTFE膜材在我國不少地方陸續開(kāi)始應用,如青島頤中體育場(chǎng)、義烏體育場(chǎng)、煙臺市體育中心體育場(chǎng)、蕪湖市體育場(chǎng)、威海市體育中心體育場(chǎng)、嘉峪關(guān)市體育場(chǎng)等膜結構工程,有些工程已經(jīng)成為當地具有特色的標志建筑。ETFE膜材在我國的應用相對滯后很多,2008年奧運會(huì )的“水立方”建成。這是ETFE膜材在我國首次得到大面積應用。膜結構的應用逐漸呈現出了活躍態(tài)勢。
在上海八萬(wàn)人體育場(chǎng)的標桿作用帶動(dòng)下,我國一些起步于20世紀90年代初的膜結構企業(yè)逐步發(fā)展起來(lái)?傮w而言,我國膜結構企業(yè)在技術(shù)方面的追趕速度較快,其設計、施工技術(shù)水平已經(jīng)比較成熟。但是,我國膜結構材料企業(yè)還處于起步階段,而且也沒(méi)能迅速跟進(jìn),目前國內膜材的水平仍然較低。目前,我國膜材的生產(chǎn)企業(yè),在引進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)與生產(chǎn)設備,從國外進(jìn)口生產(chǎn)基材所用的原絲、外層涂料的情況下,開(kāi)始生產(chǎn)PVC、PTFE等膜材。但是,國產(chǎn)膜材的性能還不完善,而且占據的市場(chǎng)份額也很小,可以說(shuō)國內膜結構建筑所用膜材基本上還依賴(lài)于進(jìn)口。ETFE膜材現在只有德國、美國、日本等目的少數幾個(gè)公司可生產(chǎn),它在我國尚處于實(shí)驗室階段,只有北京市塑料研究所等少數研究單位進(jìn)行過(guò)初步的薄膜試制。
家珍無(wú)數,各領(lǐng)風(fēng)騷——國家游泳中心即“水立方”是北京奧運會(huì )標志性建筑之,也是北京市政府指定的唯一由港澳臺僑胞捐資建設的奧運場(chǎng)館!八⒎健笔鞘澜缟献畲蟮哪そY構工程,其外墻和層面圍護結構采用新型鋼膜結構體系。該鋼模結構體系由一系列類(lèi)似于細胞、水晶體的鋼網(wǎng)架單元和世界上最為先進(jìn)的環(huán)保節能ETFE充氣薄膜共同組成。它總共由3000多個(gè)氣枕組成,氣枕大小不一,形狀各異,覆蓋面積達到10萬(wàn)平方米。藍色的表面出乎意料地柔軟但又很充實(shí)。這種材料的壽命超過(guò)20年,目前世界上只有三家企業(yè)能夠完成這種膜結構?紤]到場(chǎng)館的節能標準,膜結構具有較強的隔熱功能。
廣州新火車(chē)站是廣州市最大的交通樞紐,它也成為—個(gè)新地標式建筑群體。針對該項目的重要性,作為外圍護工程的屋面,膜結構工程的選材顯得尤為重要。為了使屋面膜結構的選材具有優(yōu)越的功能性、施工便利性和結構先進(jìn)性,屋面采用ETFE膜材,其透光率為所有膜材中最好的。根據位置和表面印刷的情況,ETFE膜的透光率可達95%。該材料不阻擋紫外線(xiàn)的透射,以保證建筑內部天然光。通過(guò)表面印刷,該材料的半透明度可進(jìn)一步降低到50%,根據幾何條件及膜的層數,其K值可高達2.0W/(m.K),耗能指數以一個(gè)三層印刷的膜為例可達到0.77,氣枕式充氣結構能起到很好的隔熱、保溫、環(huán)保和降低耗能的功能。
世博軸頂棚采用的索膜結構,是到目前為止世界上最大的索膜結構。膜材為PTFE,具有不燃性、防紫外線(xiàn)、抗風(fēng)化、高自潔性和高反射性等特點(diǎn),使用壽命在20年以上,膜材達到使用時(shí)間后更換也很方便。世博會(huì )日本館外墻的超輕膜結構采用了首次面世的“發(fā)電膜”技術(shù),這兩張ETFE薄膜構成枕氣枕結構里嵌入了非晶體太陽(yáng)能電池,從而使外墻能夠自主產(chǎn)生能源。世界氣象組織所建的世界氣象館外觀(guān)采用亮白色膜結構,膜布上均勻布滿(mǎn)噴霧點(diǎn)。外層膜結構和霧狀噴泉設計可以起到降溫、節能、環(huán)保的作用。中國航空館,通過(guò)在空間不規則的網(wǎng)殼上覆蓋聚氯乙烯(PVC)膜材來(lái)實(shí)現。完成于1998年5月14日的天津保稅區區標膜結構工程,是中國膜結構業(yè)界的里程碑,它標志著(zhù)中國膜結構劃時(shí)代的開(kāi)始。此外,還有大連五彩城風(fēng)箏放飛場(chǎng)、北京雕塑展覽中心、長(cháng)沙世界之窗劇場(chǎng)、成都死海漂浮中心水上樂(lè )園等,它們如一顆顆明珠展示在中國膜結構建筑之林。
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