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膜结构施工控制研究发展分析
发布时间:2019-03-29
随着科学技术水平的提高,新的屋面建筑材料不断涌现,在品种、性能、生产、应用上有多种特点:性能优良,轻质、高强、绝热、保温、防水、防火、隔声、吸声等[1],一种材料兼备几个方面特点;施工安装速度快,施工效率高;结构,材料复合化,提高材料使用效能。目前在大型公共建筑中采用的屋面材料品种繁多,按照其基本成分可分为:金属材料,有以铁、铝、铜等为主要原料的金属屋面板;非金属材料,高强纤维膜材,混凝土,玻璃,玻璃纤维增加塑料等。近几十年来,膜材由于其优异的性能而被广泛用于屋面结构。 
  1膜结构的工程应用概况 
  由于膜结构具有光线可控性和透光性良好,并且可进行局部或整体维修更换,适合作为幕墙应用于建筑中。而且膜单块膜长一般在15-30米[2],并可做成任意形状的膜单元,常应用在屋面工程,其强度可达每平方米只有0.25-0.5公斤[3],作为交通枢纽和体育、博览等大跨度、大空间建筑理想的屋顶,适合各类建筑中庭。此外,停车棚、收费站、看台、遮阳蓬(棚)等膜结构小品也大量被应用。膜结构具有许多其他建材结构无可比拟的优越性,以及在几项大工程中多姿多彩的完美表现,使它在建筑领域内有巨大的应用前景,因此在建筑的各部位中它必将即将被广泛地应用。 
  2膜结构施工控制研究 
  2.1 国外膜结构研究早在1917年,英国威廉·兰切斯特首次提出气承式帐篷,用于野战医院,并申请了专利,但由于当时的技术条件原因没有成为现实。直到1946年,美国沃尔特·勃德才首次造成了一座直径15m的充气穹顶。之后,德国的奥托把皂膜原理应用到膜结构设计中,取得了不少经验。1967年第一届国际充气结构会议在德国斯图加特召开。这无疑给充气结构的发展注射了兴奋剂。 
  随后,各式各样的膜结构建筑出现在1970年大阪世界博览会上,其中最具代表性的是盖格设计的美国馆,其平面是140m×80m椭圆形的室内充气结构,其次是川口卫设计的充气香肠构件式的富士馆。后来人们认为:70年大阪博览会是把膜屋顶系统地、商业性地向外界介绍的开始,尤其是川口卫在这一领域内的研究成果,引起了国际的关注,是劲性结构向柔性结构转变的开始[4],是建筑业的一个转折,一次革命,尤如1851年伦敦博览会上水晶宫的建成,向人们展示了工业化建筑技术和幕墙施工技术。1889年巴黎博览会上埃菲尔铁塔展示了摩天技术的能力和可能性一样,1970年大阪博览会展示了人们可以用膜结构建造永久性建筑。这时,盖格-勃格公司在多方支援下开发出了具有适合美国永久建筑规范的特氟隆膜材料,为膜结构广泛应用于永久、半永久性建筑奠定了物质基础。 
  而后,用特氟隆覆盖玻璃纤维材料做成的充气膜结构建筑相继出现在大中型体育场馆中。其中典型的有:1973年美国加利福尼亚州圣克拉勒大学活动中心建成,平面为91m×59m椭圆型。1975年密歇根州庞蒂亚克“银色穹顶”,平面为220m×159m椭圆型。到1984年,美国共建成8个大中型充气式体育馆,其中有4个平面尺寸在40万平方英尺以上。1988年日本建成东京体育馆。 膜结构施工膜结构车棚
  在十几年的应用中,充气膜结构虽然实现了大型体育场馆的室内化,但也存在着不少问题,特别是融雪热气系统和空压自动控制系统性能不稳定[5],寿命也有限,而且随着时间的推移这个问题更为突出,几乎所有的充气场馆在使用中都出现过问题,有的还不止一次。尤其是1985年冬,密歇根州遇到一次大风雪,庞蒂亚克“银色穹顶”差点没有全部倒塌,使得人们对这种结构越来越没有兴趣,似乎这种体系在大型体育场馆中再加应用已没有可能,人们因而把目光转向索穹顶膜结构中来。尽管如此,人们还为自己的城市拥有这样代表先进设计技术的建筑而骄傲。 
  世界范围内即使是在膜结构较为发达的国家也不能说对膜结构的研究已十分透彻。2002年末韩国的一个膜结构屋顶世界杯赛场就发生了被风卷起的事故,2003年3月美国国际机场的膜结构侯机大厅在雪荷载作用下也出现了膜面破裂的事故,因此,有不少学者仍就膜结构施工控制等方面的问题在进行研究。 
  2.2 国内膜结构研究我国对膜结构的研究和应用起步较晚,与世界先进水平相比,无论在材料、设计还是施工方面,还存在着较大的差距。自1995年以来,应用日益增多。 
  薄膜结构在我国最早涉猎此领域的是天津大学吴健生教授,建筑科学研究院蓝天教授以及同济大学和哈建大的学者们。经过十几年的探索取得了一定的科研成果,为膜结构在我国的广泛应用奠定了理论基础。同时,天津大学刘锡良教授和同济大学的学者们对张拉整体体系也较早地给予了关注,并对此作了较为深入的研究,为索穹顶的开发应用提供了理论指导。近年来,北京、天津等地也相继成立了不少膜结构开发公司,为膜结构的应用提供了安装制作的物质技术条件。目前影响我国膜结构应用的因素主要有三点:一是膜材料,其耐久、耐火、自洁、透光、隔热等方面性能与国外膜材料相差甚远;二是没有开发出商业性的膜结构分析计算机辅助设计系统,膜结构分析设计的理论还不够成熟和完善;三是人们的思想观念守旧,认为建筑是百年大计,用轻飘柔软的膜代替钢筋混凝土似乎有点不可思义,殊不知采用膜结构好比穿衣服,过了十年二十年之后,会有更好更便宜的膜材料。相信膜结构在我国若得到各方人士的更多关心和支持,随着膜结构分析CAD系统的开发和膜材料的不断完善,在不久的将来一定会迅速得到广泛应用,造福于人民,向世界展示我国经济建设与科学技术的进步与成就,提高我国建筑业的声誉与威望。 
  在我国最早开始膜结构工程实践方面尝试的是同济大学。1980年,同济大学为上海工业展览馆设计了一栋圆柱形气承式结构展厅,此展厅为圆柱形,长27米,直径15.4米。膜材为“9531”双面涂层织物。其基材为尼龙织物,涂层为聚乙烯类树脂。但是该结构无论是材料还是设计理论与制造工艺都与国外七十年代的发展水平相去甚远。目前从事膜结构研究的单位主要有中国建筑科学研究院,哈尔滨工业大学,同济大学,浙江大学,东南大学,河海大学,天津大学等研究对象主要是充气膜结构和张拉膜结构,研究的内容包括结构的工作机理,结构外形及初始平衡形状判定方法,结构的静力及动力分析,膜材的裁剪技术和施工工艺等。并进行了膜材的力学特性试验、膜结构的初始形状确定、非线性静力分析、剪裁分析及试验等研究。近年来又有一些高校对薄膜结构的风振响应和风洞试验、薄膜结构考虑滑移问题以及张拉膜结构的支承体系及节点构造等方面进行了有意义的研究。通过查阅文献资料,发现国内介绍膜结构的概念及应用的文献己有多篇,分别从不同的侧面介绍了膜结构的概念、工作机理、分析设计要点、施工、维护、管理和优越性等方面。