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建筑膜结构相关知识简单介绍

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建筑膜结构相关知识简单介绍

建筑膜结构相关知识简单介绍

       膜结构是一种建筑与结构结合的结构体系,是采用高强度柔性薄膜材料与辅助结构通过一定方式使其内部产生一定的预张应力,并形成应力控制下的某种空间形状,作为覆盖结构或建筑物主体,并具有足够刚度以抵抗外部荷载作用的一种窄间结构类型。

膜结构是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构类型,它打破了纯直线建筑风格的模式,以其独有的优美曲面造型,简洁、明快、刚与柔、力与美的组合,给人耳目一新的感觉,同时给建筑设计师提供了更大的想象和创造空间。膜结构具有强烈的时代感和代表性,是集建筑学、结构力学、精细化工、材料科学、计算机技术等为一体的多学科交叉应用工程,具有很高的技术含量和艺术感染力,其曲面可以随建筑师的设计需要任意变化。结合整体环境,建造出标志性的形象工程,并且实用性强、应用领域广泛。既可应用了大型公共设施,如体育场馆的屋顶系统、机场大厅、展览中心、购物中心、停车场、站台设施等。又可应用于休闲设施、工业设施、入口廊道以及标志性或景观性的建筑、小品等。

膜材料是一种新型的建筑材料,它是继木材、石、砖、混凝土、和钢之后的第六种建筑材料。膜结构建筑物,其实是一种空间结构的建筑物,近代膜结构,受到大型帐篷的启发,并且随着新型膜材料和高强钢索的研发以自由、轻巧、柔美,充满力量感的造型在建筑领域的应用越来越广泛。 且膜中心的织物基材为聚酯纤维和玻璃纤维素,从力学的角度上来讲织物材料具有极强的抗拉强度,抗撕裂强度,同时还具有耐热性、耐久性、和防火性,外表涂层还具有耐候性、耐水性、防污性。

一、膜材的主要分类有

1.PVDF膜材

PVC 膜材料是在聚酯纤维编织的基布上涂抹PVC(聚氯乙烯)树脂而形成的复合材料,PVC膜材料的强度及防火性与PTFE 相比具有一定差距,使用年限一般在10到15年。为了解决PVC膜材料的自洁性问题,通常在PVC 涂层上再涂抹PVDF(聚偏氟乙烯)形成PVDF膜材料。

PVDF膜材本身极轻,重量仅为常规钢的三十分之一,且膜材透光率高达25%——30%,利用自然光,可以有效的节约能源,降低了成本。膜材本身具有不沾的特性,在大雨的冲刷下,表面的灰尘可以极好的清理。

2.ETFE膜材

ETFE建筑膜材由ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)生料直接制成;ETFE不仅具有优良的抗冲击性能、电性能、热稳定性和耐化学腐蚀性,而且机械强度高,加工性能好。近年来,ETFE膜材的应用在很多方面可以取代其他产品而表现出强大的优势和市场前景。这种膜材透光性特别好,号称“软玻璃”,质量轻,只有同等大小玻璃的1%;韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂,延展性大于400%

二、膜结构优缺点

1.优点

(1)大跨度。

膜结构自重轻、抗震性能好,可以不需要内部支承,克服了传统结构在大跨度(无支撑)建筑上实现所遇到的困难,可创造巨大的无遮挡可视空间,有效增加空间使用面积。

(2)艺术性。

膜结构突破了传统的建筑结构类型,以造型学、色彩学为依托,可结合自然条件,充分发挥建筑师的想象力,根据创意建造出传统建筑难以实现的曲线及各种造型,且色彩丰富,富有时代气息,体现结构构件受力之美。配合灯光易形成夜景,给人以现代美的享受。

(3)经济性。

膜材料具有一定的透光率,白天可减少照明强度和时间,节约能源;夜间彩灯透射可形成绚烂的景观。而且,膜结构能够拆卸,易于搬迁,特别是在建造短期应用的大跨度建筑时,更为经济。

(4)安全性。

膜材料具有的阻燃性和耐高温性,能很好地满足防火要求;膜结构属柔性结构,能够承受很大的位移,不易整体倒塌;膜结构自重轻,抗震性能比较好。

(5)自洁性。

膜建筑中采用具有防护涂层的膜材,本身不发黏,落到膜材表面的灰尘可以靠雨水的自然冲洗而达到良好的自洁效果,同时保证建筑的使用寿命。

(6)工期短。

膜片的裁剪、钢索及钢结构等的制作均在工厂完成,减少现场施工时间,可与下部钢筋混凝土结构或构件等同时进行,避免施工交叉,在施工现场只是钢索、钢结构及膜片的连接安装定位及张拉的过程,故现场施工安装、迅速快捷,相对传统建筑工程工期较短。

(7)适用广。

从气候条件看,膜结构建筑适用的地域广阔;从规模上看,可以小到单人帐篷、花园小品,大到覆盖几万、几十万平方米的建筑。甚至有人曾设想覆盖一个小城,实现人造自然。

2.缺点

(1)耐久性差。

一般的膜材使用寿命为15——25年,与传统的混凝土及钢材相比有较大的差距,与“百年大计”的设计理念不同。

(2)隔热性差。

如果强调透光性,只能用单层膜,隔热性就差,因而冬天冷、夏天热,需要空调。

(3)隔音效果较差。

单层膜结构只能用于隔音要求不高的建筑。

(4)抵抗局部荷载能力差。

屋面会在局部荷载作用下形成局部凹陷,造成雨水或雪的淤积,使屋盖在淤积处的荷载增加,可能导致屋盖撕裂(帐蓬结构)或翻转(充气结构)。

(5)充气结构还需要不停地送风,因此维护和管理特别重要。

另外,气承式充气结构必须是密闭的空间,不宜开窗。

(6)环保问题。

使用的膜材都是不可再生的,一旦达到使用年限,拆除的膜材便成为城市垃圾而无法处置,正在研制开发膜材的可回收利用,并已取得了一定的进展。

三、国内标志性的膜结构建筑物

1.水立方

作为2008年北京奥运会的标志性建筑,“水立方”是一座建筑艺术与建筑技术所完美融合的现代建筑产物。

坐落于北京奥林匹克中心B区,占地面积达63000㎡,建筑面积达80000㎡,长宽177.1m,高31.7m,看起来形状很随意的建筑立面遵循严格的几何规则,立面上的不同形状有11种。内层和外层都安装有充气的枕头,梦幻般的蓝色来自外面那个气枕的第一层薄膜结构,因为弯曲的表面反射阳光,使整个建筑的表面看起来像是阳光下晶莹的水滴。而如果置身于“水立方”内部,感觉则会更奇妙,进到“水立方”里面,你会看到,像海洋环境里面的一个个水泡一样。

水立方外围建筑采用世界上最先进的环保节能ETFE(四氟乙烯)膜材料。国家体育馆工程承包总经理谭晓春透露,这种材料的寿命为20多年,但实际会比这个长,人可以踩在上面行走。目前世界上只有三家企业能够完成这个膜结构。

2.鸟巢

“鸟巢”作为“水立方”的邻居,和“水立方”属于同样的建筑,自然而然的也是膜结构建筑之一。

“鸟巢”钢结构所使用的钢材厚度可达11厘米,以前从未在国内生产过。另外,在“鸟巢”顶部的网架结构外表面还将贴上一层半透明的ETFE膜材。使用这种膜后,体育场内的光线不是直射进来的,而是通过漫反射,使光线更柔和,由此形成的漫射光还可解决场内草坪的维护问题,同时也有为座席遮风挡雨的功能。

3.国家大剧院

国家大剧院,是我国艺术表演的最高殿堂,中外文化交流的最大渠道,我国文化构思工业的主要基地。作为新北京十六景之一的地标性建筑,国家大剧院外形共同的主体结构,一池清澈见底的湖水,以及外围大面积的绿洲、树木和花卉,不仅仅极大改进了周围生态环境,更表现了人与人、人与艺术、相辅相成的理念。

国家大剧院外部为钢铁造壳体,呈半椭球形,由18000多块钛金属板拼接而成,面积超30000平方米,而在18000多块钛金属板中,仅有4块形状相同。而它使用的环保膜材跟“鸟巢”水立方一样,都是ETFE膜材,这种膜材实现最大限度利用自然光线,实现柔和采光。

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