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膜結(jié)構(gòu)，竟然可以呈現(xiàn)如此多彩的空間設(shè)計(jì)美學(xué)？
發(fā)布時(shí)間：
2019-08-14 15:36
來源：
m.sjfbxg.com
膜結(jié)構(gòu)建筑是21世紀(jì)最具代表性和前景的建筑形式之一，它打破了純線性建筑風(fēng)格的格局以其獨(dú)特優(yōu)美的曲線形狀 呈現(xiàn)出柔和的力量美感同時(shí)賦予設(shè)計(jì)師更多的想象力和創(chuàng)作空間。
膜結(jié)構(gòu)是一種建筑與結(jié)構(gòu)結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系，是采用高強(qiáng)度柔性薄膜材料與輔助結(jié)構(gòu)通過一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生一定的預(yù)張應(yīng)力，并形成應(yīng)力控制下的某種空間形狀，作為覆蓋結(jié)構(gòu)或建筑物主體，并具有足夠剛度以抵抗外部荷載作用的一種窄間結(jié)構(gòu)類型。
膜結(jié)構(gòu)作為一種空間結(jié)構(gòu)形式最早可以追溯到遠(yuǎn)古人類用木頭搭建結(jié)構(gòu)骨架覆蓋上獸皮或草席用繩子或石塊固定在地上建成簡易的房子。
△以獸皮建造的帳篷
近代膜結(jié)構(gòu)受到馬戲團(tuán)大型帳篷的啟發(fā)并隨著新型膜材料和高強(qiáng)鋼索的研發(fā)以自由、輕巧、柔美，充滿力量感的造型在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛此外，因?yàn)槟そY(jié)構(gòu)建造快、方便安裝和拆卸特別適用于小型、臨時(shí)的或使用年限較短的建筑。
本文整理了膜材料特性、受力特性、結(jié)構(gòu)形式和后期維護(hù)的知識(shí)及案例和你一起開啟今天的學(xué)習(xí)。
01. 常見的膜材料有哪些
建筑中最常用的膜材料主要有PTFE膜、PVC膜和ETFE膜三種膜材的選擇往往取決于建筑物的功能、防火要求、設(shè)計(jì)壽命和投資額。
① PTFE
在極細(xì)的玻璃纖維(3微米)編織成的基材上涂覆聚四氟乙烯等材料。
PTFE在1979年左右出現(xiàn)后從各方面改善了膜材的特性使得膜結(jié)構(gòu)從帳篷或臨時(shí)性建筑發(fā)展到永久性建筑。
特性：
· 永久性建筑首選膜材，使用壽命在20~30年以上；
· 強(qiáng)度高、耐久性和自潔性好，不受紫外光的影響；
· 高透光性，透過的自然散漫光不產(chǎn)生陰影和眩光；
· 反射率高，熱吸收量少；
· 燃燒性能A級(jí)。
PTFE膜用于永久性膜，不便重新組裝利用。PTFE膜不燃，可滿足世界各國建筑A級(jí)防火需求。新安裝的膜呈麥黃色，日照數(shù)月之后，膜會(huì)逐漸漂白。常規(guī)的PTFE膜伸長變形較小，拉伸強(qiáng)度150KN/m，撕裂強(qiáng)度1KN/m，透光率13%，網(wǎng)狀膜可達(dá)65%以上，防潮、防霉、耐污，PTFE有微孔隙能透氣。PTFE膜一般加工中易出折痕，且難以消除，不方便包裝及運(yùn)輸，因此，在膜結(jié)構(gòu)小品中容易出現(xiàn)折痕，適合于大型膜結(jié)構(gòu)建筑工程。
② PVC
以尼龍織物為基材涂覆PVC或其他樹脂。
特性：
· 早期的膜材，使用年限一般為7到15年；
· 強(qiáng)度及防火性與PTFE相比具有一定差距；
· 自潔性較差，可在PVC涂層上再涂PVDF樹脂；
· 涂有Tio2（二氧化鈦）的PVC膜，具有極高自潔性；
· 燃燒等級(jí)B1 級(jí)，不及PTFE膜。
目前國內(nèi)大部分膜結(jié)構(gòu)工程使用的都是聚酯纖維膜材料，即PVC聚酯纖維膜材。聚酯纖維是膜建筑中應(yīng)用最廣泛的纖維，并認(rèn)為是建筑膜材標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。聚酯纖維拉伸強(qiáng)度高，彈性好。在拉伸屈服前，纖維具有較大的伸長變形能力，使得在安裝時(shí)可進(jìn)行一定的調(diào)整。但日照將使聚酯纖維老化，彈性與強(qiáng)度等力學(xué)性能降低，所以很多建筑采用PTFE、ETFE等永久性膜材。
③ ETFE
乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜非織物類
特性：
· 耐久性好，15年以上惡劣氣候下力學(xué)和光學(xué)性能不變；
· 耐磨、耐高溫、耐腐蝕，絕緣性；
· 密度小，抗拉強(qiáng)度高，破斷伸長率達(dá)300%；
· 表面光滑，極佳的自潔性能，污跡可隨雨水沖刷；
· 阻燃材料，熔后收縮但無滴落物。
ETFE膜材的厚度通常小于0.20mm，是一種透明膜材。ETFE是乙烯-四氟乙烯共聚物，既具有類似聚四氟乙烯的優(yōu)良性能，又具有類似聚乙烯的易加工性能，還有耐溶劑和耐輻照的性能。
02. 高效的張拉結(jié)構(gòu)
膜結(jié)構(gòu)是以高強(qiáng)度的柔性薄膜材料經(jīng)張拉或充氣形成穩(wěn)定的曲面承受外荷載的結(jié)構(gòu)形式其造型自由、輕巧、柔美，充滿力量感。
△結(jié)構(gòu)形式譜系簡圖
在上面的結(jié)構(gòu)體系簡圖中膜結(jié)構(gòu)屬于利用形抗的全軸力張拉結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)效率是非常高的利用膜材料的高抗拉強(qiáng)度單獨(dú)考慮膜材的跨度與其厚度的比值可以達(dá)到1/10000，是最極致的輕型結(jié)構(gòu)。
△構(gòu)件尺寸與跨度的比值(估算)
根據(jù)膜結(jié)構(gòu)的成形方式和受力特點(diǎn)一般可以分為張拉膜、充氣膜和骨架膜三種比較形象的比喻是張拉膜像帳篷、充氣膜像熱氣球骨架膜像蒙古包。
△幾種張拉膜和充氣膜
① 張拉膜
丹佛國際機(jī)場航站樓是為數(shù)不多的整體采用膜結(jié)構(gòu)的機(jī)場76米x285米的大空間沿長邊方向劃分為17個(gè)單元。
△丹佛國際機(jī)場航站樓：鳥瞰
每個(gè)單元由間距45.8米的兩根支柱撐起山峰形的脊索柱間為起穩(wěn)定作用的谷索以脊索和谷索為邊界結(jié)構(gòu)其間的張拉膜材覆蓋建筑大空間。
△丹佛國際機(jī)場航站樓：室內(nèi)
2010年上海世博會(huì)主入口的世博軸也采用了張拉索膜結(jié)構(gòu)由德國SBA公司和華東建筑設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)全長1045米、寬約100米的世博軸由6個(gè)喇叭形的陽光谷、13根大型桅桿、數(shù)十根斜拉索和巨大的膜結(jié)構(gòu)組成。
△上海世博會(huì)世博軸，2010年
② 充氣膜
利用氣壓使膜產(chǎn)生張力以此來抵抗外力的結(jié)構(gòu)稱為充氣膜結(jié)構(gòu)具體又分為氣承式和氣脹管式兩大類是現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)擺脫馬戲團(tuán)帳篷形象的一次嘗試簡單地理解，氣承式是利用膜內(nèi)外氣壓差使膜產(chǎn)生拉力來平衡外荷載類似于熱氣球。
△氣承式(熱氣球) / 氣脹管式(充氣棒)
氣脹管式的原理是利用充氣使得管(梁或拱)形成抗彎和軸向剛度以承擔(dān)外荷載，類似于常見的充氣棒氣脹管式充氣膜所需要的氣壓比氣承式的更大結(jié)構(gòu)效率比氣承式低。
△氣承式和氣脹管式受力原理簡圖
充氣膜結(jié)構(gòu)建造方便、快速最初用于軍用設(shè)施以1970年大阪世博會(huì)為展示契機(jī)膜結(jié)構(gòu)因建造快速簡便被眾多國家場館所采用其中最具代表性的美國館和富士館都是充氣膜。
美國館的方案是由蓋格爾(D.Geiger)提出的低拱度空氣膜結(jié)構(gòu)屬于氣承式在長軸142米、短軸83.5米的橢圓形壓環(huán)內(nèi)側(cè)用索張拉膜材(聚氯乙烯噴涂的玻璃纖維布)。
△大阪世博會(huì)上的美國館,1970
美國館穹頂?shù)拇苟确浅５?span lang="EN-US">(僅1.6m)垂度低的充氣穹頂受到的風(fēng)荷載分布比較均勻(吸力)這對(duì)保持膜結(jié)構(gòu)形態(tài)和承載力的穩(wěn)定非常有利。
與美國館不同富士館是一種拱形的充氣膜只對(duì)拱形管充氣建筑物內(nèi)部氣壓與室外氣壓相同出入口不需要?dú)忾T鎖，完全自由同時(shí)結(jié)合橫向索和纜風(fēng)索形成整體穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
△大阪世博會(huì)富士館,1970
充氣拱的管狀截面直徑約4m膜材為噴涂有彈性橡膠的聚乙烯醇纖維布充氣氣壓比室外大氣壓高800mm水柱每個(gè)單元有16根拱，拱長均為72m但每根拱的拱高和拱腳跨度不同最終呈現(xiàn)出獨(dú)特的形狀富士館以前所未有的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和形態(tài)震驚了世界。
PTFE這種不可燃、高耐久性膜材的出現(xiàn)為充氣膜形式的永久建筑提供了技術(shù)上的可行性。
③ 骨架膜
骨架膜是以剛性構(gòu)件作為骨架以膜材作為覆蓋材料主要由剛性骨架承受外荷載由于膜材的透光性和張力感使得骨架膜結(jié)構(gòu)的大空間更加明亮、開放、富有力度感。
△蓬皮杜梅斯藝術(shù)中心, 2010
蓬皮杜梅斯藝術(shù)中心由坂茂建筑事務(wù)所（Shigeru Ban Architects）設(shè)計(jì)以15m跨度為模數(shù)3個(gè)縱深長達(dá)90m的長方體彼此垂直層疊木結(jié)構(gòu)屋面表面覆蓋PTEE薄膜呈現(xiàn)出極佳的效果。
1、工程維護(hù)一般要求
膜結(jié)構(gòu)工程的保護(hù)和維護(hù)。膜材表面不應(yīng)與刀子、銳器接觸，以免劃破及磨傷膜材表面。一旦發(fā)現(xiàn)膜材被劃破、嚴(yán)重磨傷等現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取有效措施以免磨傷更加嚴(yán)重，同時(shí)通知廠商派人修復(fù)，鋼構(gòu)件表面不得遭受硬物打擊與劃傷，不得接觸各種酸性、堿性和有機(jī)溶劑。
2、膜材表面需清洗、打掃時(shí)：（1）工人不應(yīng)穿硬底鞋直接接觸表面，防止沙土磨傷表面，嚴(yán)重磨刮膜表面。（2）清洗膜表面時(shí)，應(yīng)用清水或中性清洗劑，不宜用如：汽油、酒精、氯水等酸性或堿性材料液劑清洗。（3）膜表面不宜長時(shí)間堆放異物如：鐵件、化學(xué)物品或其它帶顏色的材料等。
3、對(duì)結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)、鋼索、夾板及螺栓等部件在未經(jīng)廠商認(rèn)可的情況下不得任意調(diào)整、拆卸。
4、未經(jīng)許可不許在膜材上隨意牽拉、懸掛重物及物品。
5、用戶應(yīng)定期（半年至一年）對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行防銹及維護(hù)，確保結(jié)構(gòu)安全，防止銹水滴落膜材表面。
以膜構(gòu)成的空間有著無盡的可能和魅力需綜合考慮功能與形態(tài)、造型與力、材料、系統(tǒng)、節(jié)點(diǎn)、織物裁剪、施工方法等你會(huì)發(fā)現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其實(shí)是一種妙趣橫生的探索過程。
（圖文內(nèi)容來源網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原創(chuàng)者所有。如有侵權(quán)煩請告知，我們會(huì)立即刪除并表示歉意。）
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