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。
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。
4 膜结构的设计与施工
膜结构建筑的结构计算通常由计算机完成,其复杂型体的整体空间作用和繁杂的抗风计算是从事一般建筑结构设计的工程师难以完成的 [4] 。国外 各大从事膜结构建筑设计和安装的专业公司,都各自开发了大型的专业软件,但为了控制市场都严格保密。目前国内已经出现的诸如上海八万人体育场等少数膜结构建筑,也都是外国公司设计的。我国自行设计的大型膜结构还很少,国内也尚无成熟的理论计算方法及相应的计算设计程序,制约了膜结构在我国的发展、应用与研究。
传统膜结构的设计主要包括体形设计、找形分 析、荷载分析、裁剪分析等。
体形设计确定建筑平面形状尺寸、三维造型、净空体量,确定各控制点的坐标、结构形式,选用膜材和施工方案。找形分析又称为初始形态分析,主要是寻找并确定一个既满足膜内力平衡条件又接近设计者预想造型的曲面。由于膜材料本身没有抗压和抗弯刚度,抗剪强度也很差,因此其刚度和稳定性需要靠膜曲面的曲率变化和其中预张应力来提高,对膜结构而言,任何时候不存在无应力状态,因此膜曲面形状最终必须满足在一定边界条件、一定预应力条件下的力学平衡,并以此为基准进行荷载分析和裁剪分析。膜结构的荷载一般是风载和雪载,荷载作用下膜材料的变形较大,要精确计算结构的变形和应力要用几何非线性的方法进行;荷载分析的另一个目的是确定索、膜中初始预张力。在外荷载作用下膜中一个方向应力增加而另一个方向应力减少,要求施加初始张应力满足最不利荷载作用下应力不致减少到零,即不出现皱褶。剪裁分析是在预应力状态下的曲面形体上寻求合理的裁剪线位置及其分布,然后按照一定的方法将三维曲面展开为二维平面。膜材料轻柔、自振频率很低,风荷载作用下极易产生风振,导致膜材料破坏,如果初始预应力施加过高,膜材徐变加大,易老化且强度储备少,对受力构件强度要求也高,增加施工安装难度。
初始预应力要通过荷载计算来确定。经过找形分析而形成的膜结构通常为三维不可展空间曲面,如何通过二维材料的裁剪,张拉形成所需要的三维空间曲面,是整个膜结构工程中的关键问题,是裁剪分析的主要内容。
施工时,应根据膜面的尺寸和施工场地的条件,认真确定膜材的结合位置,以及膜材的捆包、搬运和展开。
5 膜结构的应用前景
随着工业的发展与计算技术的进步,膜结构也从临时建筑迈入永久性建筑行列,并成为当代充满活力的一种新型大跨度空间结构体系。在许多国家举办奥运会、世博会的场馆建设中,膜结构以其绚丽 的色极和丰富的造型赢得了人们关注、认同。1995年建成的北京房山游泳馆(跨度33m,1100m2 )与鞍山农委游泳馆(跨度30m,1000m2 )是我国正式应用于工程的空气支承膜结构,标志我国开始启动膜结构的工程建设。1997年通过引进国外膜结构技术建成了上海八万人体育场看台挑棚后,又相继建成了青岛颐中体育场挑棚膜结构、杭州游泳馆、网球馆双层膜结构等二百余项膜结构工程,年增长率达20%以上 [7] 。目前膜结构除了用于体育馆、体育场 等体育设施之外,还广泛应用于商业、教育、交通运输设施等。由于膜结构新颖美观的造型和多变的色 彩,还可用于标识性建筑,例如城市与地方的标识、公园入口标识、展览会标识、行业与会议标识等。然而,目前膜结构在我国尚处于小范围的试验阶段,但随着我国经济实力的增强,新工艺、新材料、新设备的出现,膜结构建筑将成为我国21世纪空间结构的发展主流。
自重轻,跨度大,造价低,可以最大限度发挥材料特性,有利防震;造型新颖美观,色彩多变,可为文化、体育、旅游、商业设施提供最佳的形象包装;具有较好的防水、透光性能,建设周期短,可做永久性建筑,也可移动搬迁,有利于城建景观及房地产项目的开发。可以预见,21世纪中国的经济突飞猛进,膜结构建筑将在未来大型建筑中展现新、奇、轻、美的特点,因此膜结构建筑的研究与开发有着广泛的发展前景。
