膜結(jié)構(gòu)在環(huán)境設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

　　一、 膜結(jié)構(gòu)常識(shí)

　　膜結(jié)構(gòu)(Membrane Structures)是20世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式，是由多種高強(qiáng)薄膜材料(PVC或Teflon)及加強(qiáng)構(gòu)件(鋼架、鋼柱或鋼索)通過(guò)一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生一定的預(yù)張應(yīng)力以形成某種空間形狀，作為覆蓋結(jié)構(gòu)，并能承受一定的外荷載作用的一種空間結(jié)構(gòu)形式。膜結(jié)構(gòu)可分為充氣膜結(jié)構(gòu)和張拉膜結(jié)構(gòu)兩大類。充氣膜結(jié)構(gòu)是靠室內(nèi)不斷充氣，使室內(nèi)外產(chǎn)生一定壓力差(一般在10mm-30mm水柱之間)，室內(nèi)外的壓力差使屋蓋膜布受到一定的向上的浮力，從而實(shí)現(xiàn)較大的跨度。張拉膜結(jié)構(gòu)則通過(guò)柱及鋼架支承或鋼索張拉成型，其造型非常優(yōu)美靈活。

　　膜結(jié)構(gòu)所用膜材料由基布和涂層兩部分組成?；贾饕捎镁埘ダw維和玻璃纖維材料;涂層材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材為聚酯纖維覆聚氯乙烯(PVC)和玻璃纖維覆聚聚四氟乙烯(Teflon)。PVC材料的主要特點(diǎn)是強(qiáng)度低、彈性大、易老化、徐變大、自潔性差，但價(jià)格便宜，容易加工制作，色彩豐富，抗折疊性能好。為改善其性能，可在其表面涂一層聚四氟乙烯涂層，提高其抗老化和自潔能力，其壽命可達(dá)到15年左右。Teflon材料強(qiáng)度高、彈性模量大、自潔、耐久耐火等性能好，但它價(jià)格較貴，不易折疊，對(duì)裁剪制作精度要求較高，壽命一般在30年以上，適用于永久建筑。

　　世界上第一座充氣膜結(jié)構(gòu)建成于1946年，設(shè)計(jì)者為美國(guó)的沃爾特?勃德(W.Bird)，這是一座直徑為15m的充氣穹頂。1967年在德國(guó)斯圖加特召開(kāi)的第一屆國(guó)際充氣結(jié)構(gòu)會(huì)議，無(wú)疑給充氣膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展注入了興奮劑。隨后各式各樣的充氣膜結(jié)構(gòu)建筑出現(xiàn)在1970年大阪世界博覽會(huì)上。其中具有代表性的有蓋格爾設(shè)計(jì)的美國(guó)館(137m ×78m卵形)，以及川口衛(wèi)設(shè)計(jì)的香腸形充氣構(gòu)件膜結(jié)構(gòu)。后來(lái)人們認(rèn)70年大阪博覽會(huì)是把膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)地、商業(yè)性地向外界介紹的開(kāi)始。大阪博覽會(huì)展示了人們可以用膜結(jié)構(gòu)建造永久性建筑。而70年代初美國(guó)蓋格爾一勃格公司(Geiger-Berger Associates)開(kāi)發(fā)出的符合美國(guó)永久建筑規(guī)范的特氟隆(Teflon)膜材料為膜結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于永久、半永久性建筑奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。之后，用特氟隆材料做成的室內(nèi)充氣式膜結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)在大中型體育館中，如 1975年建成的密歇根州龐蒂亞克銀色穹頂(橢圓形 220 × 159m)，1988年建成的日本東京體育館(室內(nèi)凈面積4.6767m2)。

　　張拉式膜結(jié)構(gòu)的先行者是德國(guó)的奧托(F.Otto)，他在 1955年設(shè)計(jì)的張拉膜結(jié)構(gòu)跨度在 25m左右，用于聯(lián)合公園多功能展廳。由于張拉膜結(jié)構(gòu)是通過(guò)邊界條件給膜材施加一定的預(yù)張應(yīng)力，以抵抗外部荷載的作用，因此在一定初始條件(邊界條件和應(yīng)力條件)下，其初始形狀的確定、在外荷載作用下膜中應(yīng)力分布與變形以及怎樣用二維的膜材料來(lái)模擬三維的空間曲面等一系列復(fù)雜的問(wèn)題，都需要有計(jì)算來(lái)確定，所以張拉膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展離不開(kāi)計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和新算法的提出。目前國(guó)外一些先進(jìn)的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作軟件已非常完善，人們可以通過(guò)圖形顯示看到各種初始條件和外荷載作用下的形狀與變形，并能計(jì)算任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，使找形(初始形狀分析)、裁剪和受力分析集成一體化，使得膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)便，它不但能分析整個(gè)施工過(guò)程中各個(gè)不同結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和膜中應(yīng)力，而且能精確計(jì)算由于調(diào)節(jié)索或柱而產(chǎn)生的次生應(yīng)力，完全可以避免各種不利荷載工況產(chǎn)生的不測(cè)后果。因此計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展為張拉膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。而特氟隆膜材料的研制成功也極大地推動(dòng)了張拉膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。比較著名的有沙特阿拉伯吉達(dá)國(guó)際航空港、沙特阿拉伯利雅得體育館、加拿大林德塞公園水族館、英國(guó)溫布爾登室內(nèi)網(wǎng)球館、美國(guó)新丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)等。

　　膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括體形設(shè)計(jì)、初始平衡形狀分析、荷載分析、裁剪分析等四大問(wèn)題。通過(guò)體形設(shè)計(jì)確定建筑平面形狀尺寸、三維造型、凈空體量，確定各控制點(diǎn)的坐標(biāo)、結(jié)構(gòu)形式，選用膜材和施工方案。初始平衡形狀分析就是所謂的找形分析。由于膜材料本身沒(méi)有抗壓和抗彎剛度，抗剪強(qiáng)度也很差，因此其剛度和穩(wěn)定性需要靠膜曲面的曲率變化和其中預(yù)張應(yīng)力來(lái)提高，對(duì)膜結(jié)構(gòu)而言，任何時(shí)候不存在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，因此膜曲面形狀最終必須滿足在一定邊界條件、一定預(yù)應(yīng)力條件下的力學(xué)平衡，并以此為基準(zhǔn)進(jìn)行荷載分析和裁剪分析。目前膜結(jié)構(gòu)找形分析的方法主要有動(dòng)力松弛法、力密度法以及有限單元法等。膜結(jié)構(gòu)考慮的荷載一般是風(fēng)載和雪載。在荷載作用下膜材料的變形較大，且隨著形狀的改變，荷載分布也在改變，因此要精確計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力要用幾何非線性的方法進(jìn)行。荷載分析的另一個(gè)目的是確定索、膜中初始預(yù)張力。在外荷載作用下膜中一個(gè)方向應(yīng)力增加而另一個(gè)方向應(yīng)力減少，這就要求施加初始張應(yīng)力的程度要滿足在最不利荷載作用下應(yīng)力不致減少到零，即不出現(xiàn)皺褶。因?yàn)槟げ牧媳容^輕柔，自振頻率很低，在風(fēng)荷載作用下極易產(chǎn)生風(fēng)振，導(dǎo)致膜材料破壞，如果初始預(yù)應(yīng)力施加過(guò)高，膜材徐變加大，易老化且強(qiáng)度儲(chǔ)備少，對(duì)受力構(gòu)件強(qiáng)度要求也高，增加施工安裝難度。因此初始預(yù)應(yīng)力的確定要通過(guò)荷載計(jì)算來(lái)確定。經(jīng)過(guò)找形分析而形成的膜結(jié)構(gòu)通常為三維不可展空間曲面，如何通過(guò)二維材料的裁剪，張拉形成所需要的三維空間曲面，是整個(gè)膜結(jié)構(gòu)工程中最關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題，這正是裁剪分析的主要內(nèi)容。

　　膜結(jié)構(gòu)在我國(guó)也不乏工程實(shí)例，其中規(guī)模最大、最具影響力的膜結(jié)構(gòu)要數(shù)1997年竣工的上海八萬(wàn)人體育場(chǎng)看臺(tái)罩棚張拉膜結(jié)構(gòu)工程。但該膜結(jié)構(gòu)為美國(guó)Weidlinger公司設(shè)計(jì)制作，由此也可以看出我國(guó)在該領(lǐng)域與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的差距很大。目前影響我國(guó)膜結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用的主要因素有：國(guó)產(chǎn)膜材料性能差，而進(jìn)口膜材料價(jià)格高;尚無(wú)商業(yè)性的膜結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng);人們對(duì)膜結(jié)構(gòu)缺乏足夠的認(rèn)識(shí)等。

　　二、膜結(jié)構(gòu)建筑特點(diǎn)：

　　本世紀(jì)五十年代，膜結(jié)構(gòu)建筑作為別開(kāi)生面的建筑形式在國(guó)際上開(kāi)始出現(xiàn)，至今已有四十多年的歷史，特別是到了七十年代以后，膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。膜結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)為建筑師們提供了超出傳統(tǒng)建筑模式以外的新選擇。時(shí)至今日，膜結(jié)構(gòu)已廣泛用于體育場(chǎng)館、展廳、商議市場(chǎng)、娛樂(lè)場(chǎng)館、旅游設(shè)施等。膜結(jié)構(gòu)按期結(jié)構(gòu)形式可分為鋼結(jié)構(gòu)、張拉結(jié)構(gòu)及充氣結(jié)構(gòu);按摩材特性又可分為永久性膜結(jié)構(gòu)(膜材是使用年限可超過(guò)25年)半永久性膜結(jié)構(gòu)(膜材使用年限為10- 15年)及臨時(shí)性膜結(jié)構(gòu)(膜材使用年限為3-5年)。

　　膜結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

　　1.藝術(shù)性

　　膜結(jié)構(gòu)與造型學(xué)，色彩學(xué)為依托，可結(jié)合自然條件及民族風(fēng)情，根據(jù)建筑師的創(chuàng)意建造出傳統(tǒng)建筑難以實(shí)現(xiàn)的曲線及造型。膜結(jié)構(gòu)-建筑師的浪漫設(shè)想，享受大自然般浪漫空間。

　　2.經(jīng)濟(jì)性

　　對(duì)于同等大小的建筑，如果采用膜結(jié)構(gòu)，其成本只相當(dāng)于傳統(tǒng)建筑的二分之一或更少，特別是在建造短期應(yīng)用的大跨度建筑時(shí)，就更為經(jīng)濟(jì)。而且膜結(jié)構(gòu)能夠拆卸，易于搬遷。

　　3.節(jié)能性

　　由于膜材本身具有良好的透光率(10-20%)，建筑空間白天可以得到自然的漫散射日光，可以節(jié)約大量用于照明的能源。

　　4.自潔性

　　膜材表面加涂的防護(hù)涂層如(據(jù)四氟乙烯、丙烯酸等)具有耐高溫的特點(diǎn)，而且本身不發(fā)粘，這樣落到膜材表面的灰塵可以靠雨水的自然沖洗而達(dá)到自潔的效果。

　　5.大跨度無(wú)遮擋的可視空間

　　膜結(jié)構(gòu)已改傳統(tǒng)建筑材料而使用膜材，其重量只是傳統(tǒng)建筑的三十分之一。而且膜結(jié)構(gòu)可以從根本上克服傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在大跨度(無(wú)支撐)建筑上實(shí)現(xiàn)所遇到的困難，可創(chuàng)造巨大的無(wú)遮擋的可視空間。

　　三、當(dāng)代膜結(jié)構(gòu)發(fā)展概述

　　(一)、前言

　　為了迎接新世紀(jì)的來(lái)臨，人們?cè)噲D采用各種方式表示慶賀，建造一座建筑物不但以其形體引人注目，而且將作為標(biāo)志性建筑而長(zhǎng)久地存在。在全世界眾多的紀(jì)念性建筑中，英國(guó)所建造的千年穹頂(Millennium Dome)尤為突出。當(dāng)2000年子夜的鐘聲敲響時(shí),在倫敦泰晤士河畔五彩繽紛焰火的照耀下，千年穹頂以它銀白色的圓頂迎接新的千禧年。這座直徑 320m、以 12根高山100m的桅桿所支承的圓球形屋頂采用了張力膜結(jié)構(gòu)。正是這座穹頂集中體現(xiàn)了20世紀(jì)建筑技術(shù)的精華，用它來(lái)迎接新世紀(jì)，的確是再恰當(dāng)不過(guò)了。

　　雖然人們喜歡從最廣泛的意義出發(fā)，把鐵木構(gòu)架和帆布建成的大棚,甚至以枝條和獸皮搭成的帳篷都納入膜結(jié)構(gòu)的范圍,但從嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)受力的定義來(lái)說(shuō),膜結(jié)構(gòu)始于1970年日本大阪博覽會(huì)上一座氣承式膜結(jié)構(gòu)的美國(guó)館。當(dāng)初這不過(guò)是臨時(shí)性的展覽建筑，但30年來(lái)膜結(jié)構(gòu)卻經(jīng)歷了巨大的變化。

　　從膜結(jié)構(gòu)的跨度來(lái)看，近似橢圓形的美國(guó)館，兩個(gè)方向的跨度針別為 140m和 83.5m。以后東京后樂(lè)園的氣承式膜結(jié)構(gòu)，最大跨度達(dá)201m。而美國(guó)亞特蘭大的佐治亞穹頂，以橢圓形的屋頂覆蓋了 240mxl92m的索膜結(jié)構(gòu)。從當(dāng)前的技術(shù)和材料條件看，完全有可能用膜結(jié)構(gòu)來(lái)修建 1000m的大跨度建筑。從所覆蓋的面積來(lái)看，1981年沙特阿拉伯吉大機(jī)場(chǎng)候機(jī)大廳的傘形懸掛膜結(jié)構(gòu)的占地42萬(wàn)m2，已令人嘆為觀止。而如今在沙特阿拉伯的米拿，為了庇護(hù)來(lái)往的朝圣者，正在分三期建設(shè)與吉大機(jī)場(chǎng)類似的膜結(jié)構(gòu)，總面積在100萬(wàn)m2以上，堪稱 帳篷之城。

　　膜結(jié)構(gòu)作為一種現(xiàn)代化的工程結(jié)構(gòu)，顯示了當(dāng)今建筑技術(shù)與科學(xué)的發(fā)展水平，也具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ谛碌氖兰o(jì)中，膜結(jié)構(gòu)必將在建筑結(jié)構(gòu)中占有重要的地位。 (二)、不定的形狀與形狀的確定

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