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浅谈膜结构在大跨度建筑物上的应用
发布时间:2019-03-21
膜结构是空间结构中最新发展起来的一种类型,它以性能优良的织物为材料,或是向膜内充气,由空气压力支撑膜面,或是利用柔性钢索或刚性骨架将膜面绷紧,从而形成具有一定刚度并能覆盖大跨度结构体系。膜结构既能承重又能起围护作用,与传统结构相比,其重量却大大减轻,仅为一般屋盖重量的1/10-1/30。它以其新颖独特的建筑造型,良好的受力特点,成为大跨度空间结构的主要形式之一。 
  1.膜结构的特点 
  1.1轻质 
  膜结构由于张力结构自重小的原因在于它依靠预应力形态而非材料来保持结构的稳定性。从而使其自重比传统建筑结构的小得多,但却具有良好的稳定性。建筑师可以利用其轻质大跨的特点设计和组织结构细部构件,将其轻盈和稳定的结构特性有机地统一起来。 
  1.2透光性 
  透光性是现代膜结构最被广泛认可的特性之一。膜材料的透光性可以为建筑提供所需的照明度,这对于大跨度结构的建筑来说尤为重要。通过自然采光与人工采光的综合利用,膜材透光性可为建筑设计提供更大的美学创作空间。夜晚,透光性将膜结构变成了光的雕塑。 
  1.3柔性 
  膜结构通过变形来适应外荷载,在此过程中荷载作用方向上的膜面曲率半径会减小,直至能更有效抵抗该荷载。张拉结构的灵活性使其可以产生很大的位移而不发生永久性变形。膜材的弹性性能和预应力水平决定了膜结构的变形和反应。适应自然的柔性特点可以激发人们的建筑设计灵感。不同的膜材的柔性程序也不相同,有的膜材质柔韧性极佳,不会因折叠而产生脆裂或是破损。 
  1.4雕塑感 
  张拉膜结构的独特曲面外形使其具有强烈的雕塑感。膜面通过张力达到自平衡。负高斯膜面高低起伏具有的平衡感使体型较大的结构看上去像摆脱了重力的束缚般轻盈地飘浮于天地之间。无论室内还是室外这种雕塑般的质感都令人激动。 
  2.膜结构的类型 
  2.1充气式膜结构 
  建筑物的跨度小时可采用气承式,就是在建筑物内部空间,向由膜结构构成的室内充入空气,使室内的空气压力始终大于室外的空气压力,使膜材料处于张力状态来抵抗负载及外力构造。大跨度时往往在建筑物的对角线方向布置交叉的钢索,对膜面起加劲作用。而气胀式空气膜结构则是将膜材做成周围密封的圆形双层,充气后形成飞碟状;或将膜材作成半圆形圆筒,充气后如同半个轮胎,以此为单元组合成各种屋盖。 
  随着化学工业的发展,近年来已经开始用充气式膜结构来构成建筑物的屋盖或外墙,多作为临时性工程或大跨度建筑之用。充气结构使用材料简单。一般用尼龙薄膜、人造纤维或金属薄片等,表面常涂有各种涂料,这种结构可以达到很大的跨度,安装、充气、拆卸、搬运较方便。 
  2.2张拉式膜结构 
  张拉是膜结构是通过拉索将膜材料张拉于结构上而形成的结构形式。膜材完全靠外部施加的预应力保持其形状,膜表面通过自身曲率变化达到内外力平衡。具有高度的形体可塑性和灵活性,是索膜结构建筑的代表和精华。近年来,大型跨距空间也多采用以钢索与压缩材构成钢索网来支撑上部膜材的形式。因施工精度要求高,结构性能强,且具丰富的表现力,所以造价略高于骨架式膜结构。膜结构车棚
  它可以是钢索网状的张力结构,或是玻璃纤维织品的张力结构,或二者混合的结构,这种结构轻巧自由,施工简易,速度快,比较适宜于急需的建筑。张拉式膜结构作为一种柔性体系,膜材本身并不具备抗压。抗弯以及抗剪能力,因此其刚度和稳定性要由膜面的曲率变化以及膜材中的预张应力来提供,仅当存在适当预应力时才膜材具有确定的形状,而且其几何形状是随支承,边界条件和预应力分布状态而改变。 
  2.3骨架式膜结构 
  以钢构或是集成材构成的屋顶骨架,在其上方张拉膜材的构造形式,下部支撑结构安定性高,因屋顶造型比较单纯,开口部不易受限制,且经济效益高等特点,广泛适用于任何大,小规模的空间。张拉式膜结构张拉式膜结构是通过拉索将膜材料张拉于结构上而形成的构造形式。膜材完全靠外部施加的预应力保持其形状,膜表面通过自身曲率变化达到内外力平衡。具有高度的形体可塑和结构灵活。形态有平面性.单曲面形和以鞍形为代表的双曲线形。 
  2.4复合膜结构 
  这是膜结构中新的结构体系,由钢索、膜材及少量受压的杆件组成,由于主要用于圆形平面,称“索穹顶”。这个体系包括连续的拉索和单独的压杆,在荷载作用下,力从中心受拉环或桁架通过放射状的径向脊索、谷索、环向拉索、斜拉索传向周围的受压环梁。扇形的膜面从中心环向外环方向展开。通过对钢索施加拉力而绷紧,固定在压杆与接合处的节点上。该结构适用于大跨度的圆形或椭圆形建筑。 
  3.膜结构应用的影响因素 
  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陈旧,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想象。