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      膜結構:在創新中成長

      信息來源:www.sino-yc.com 發表時間:[2015-1-12 16:21:43]
      對膜結構這一新型建筑結構,分析其性能特點、歷史沿革,探討膜結構技術在我國建筑業的應用成果,就目前膜結構工程的問題提出解決方案,旨在挖掘膜結構的潛力,提高建筑設計水平。
      國家體育場“鳥巢”和國家游泳中心“水立方”,作為膜結構建筑的經典之作,如同站在炫目舞臺上的明星,驚艷動人,光芒四射,讓大家對這種新型建筑嘆為觀止。2010年上海世博會集中,膜結構建筑也繼2008年北京奧運會之后再次得到完美體現。
      膜結構(Membrane)是20世紀中期發展起來的一種新型建筑結構形式,集建筑學、結構力學、精細化工與材料科學、計算機技術等為一體,具有很高技術含量:有多種高強薄膜材料(PVC或Teflon)及加強構件(鋼架、鋼柱或鋼索通過一定方式使其內部產生一定的預張應力以形成某種空間形狀,作為覆蓋結構,并能承受一定的外荷載作用的一種空間結構形式。
      膜結構可分為充氣膜結構和張拉膜結構兩大類。其曲面可以隨著建筑師的設計需要任意變化,結合整體環境,建造出標志性的形象工程。在陽光的照射下,由膜覆蓋的建筑物內部充滿自然漫射光,無強反差的著光面與陰影的區分,室內的空間視覺環境開闊和諧。夜晚,建筑物內的燈光透過屋蓋的膜照亮夜空,建筑物體形顯現出夢幻般的效果。
      膜結構所用膜材料由基布和涂層兩部分組成,基布主要采用聚酯纖維和玻璃纖維材料;涂層材料主要為聚氯乙烯和聚四氟乙烯。
       
      膜結構前進的腳步從未停息
      膜結構建筑,從帳篷到永久性建筑——過去人們習慣地把膜結構看作是個帳篷,而帳篷只能算是一個臨時性建筑——不夠牢固、不能防火、又不能保暖或隔熱。膜結構最早是19世紀40年代被美國軍方用作了雷達罩,被大規模應用于建筑物上是在1970年日本大阪市世博會上。
      大阪市世博會上,日本富士館和美國館采用了膜結構,它們是世界上最早的大型膜結構建筑。富士館和美國館都使用了充氣膜結構,樹脂玻璃纖維鼓脹起來后靠懸索穩定,富士館“吹起”了16個拱門,美國館則吹起了長142米、寬83米的橢圓形大屋頂。大阪世博會后,人們意識到膜結構是一種全新的建筑結構形式,這種日漸深刻的認識,使得膜結構得到了迅速的發展。
      1975年在美國密執安州龐提亞克興建了平面尺寸243.9×183米的銀色穹頂,這是第一次將氣承式膜結構應用于永久的大型體育館。其后在北美地區,類似的膜結構就建了9座,其中像美國的明尼阿波利斯和加拿大的溫哥華均位于北方地區。雖然像這樣的膜充氣結構也發生過幾次不愉快的坍塌事故,但是膜結構終于登堂入室,進入永久性建筑的行列。日本在徘徊了10多年之后,也在1988年修建東京后樂園棒球場時采用了氣承式膜結構。
      在日后的發展過程中,膜結構表現出了不少特有的優勢,如阻燃性能好、外形新穎美觀、自重輕、跨度大、工期短。目前常用的膜材料都具良好的阻燃性能或不燃性;膜材色彩豐富,支撐結構和柔性膜材可以使建筑特別適合地震多發地區,也使得膜結構建筑可以實現大跨度覆蓋空間;膜結構工程所有的加工和制作都可以按照設計在工廠內完成,在現場只是進行安裝作業,施工周期短。膜結構優良的特性,使得它具有廣泛的使用范圍。
      當然,膜結構也有其劣勢,如耐久性差、御風性差、環保性差等問題。目前,一般膜材使用年限15-25年之間;膜結構受風的影響比較大,風對膜結構的作用一直是科研與工程技術人員的一個課題;環保問題也是膜材料必須面對的一個問題。
      建筑膜材的發展,推動了膜結構的進步——膜結構材料長期以來一直被稱為“涂層織物”,這是因為先期用于膜結構的主流材料都是在纖維織物上面添加圖層而成。業內一般按照織物基材和涂層來劃分膜結構材料,常見的有:PVC膜材、聚偏二氟乙烯(PVDF)膜材和PTFE膜材。PVC膜材,基材為聚酯纖維,涂層為 PVC。這種膜材的優點是色彩豐富,價格適中;缺點是強度不高,耐久性差,質量保質期一般在5-8年。PVDF膜材,基材為聚酯纖維,涂層為PVC,然后 再加PVDF涂層處理。它的使用年限提高至10-12年;性能優于純PVC膜材,價格也略高于純PVC膜材。
      PTFE膜材是在超細玻璃纖維織物上涂以聚四氟乙烯樹脂而成的材料。這種膜材有較好的焊接性能,有優良的抗紫外線、抗老化性能和阻燃性能。另外,其防污自潔性是所有建筑膜材中最好的,但柔韌性差,施工較困難,由于品質卓越,所以價格也較高。在蓋格公司領導下,多家公司共同開發永久性膜材,使永久性的PTFE膜正式誕生。這種膜材的力學性能與化學穩定性指標只下降了20%~30%,顏色也幾乎沒變,膜的表層光滑,具有彈性,大氣中的灰塵、化學物質微粒極難附著與滲透,經雨水沖刷建筑膜可恢復其原有的清潔面層與透光性,這足以顯示出 PTFE膜材的強大生命力和廣闊的市場前景。與傳統膜結構材料不同的ETFE膜材在20世紀90年代左右面世,它在膜結構中的應用,顛覆了建筑膜材“涂層 織物”的傳統定義,拓寬了建筑膜材的范圍。ETFE膜材是采用擠出流延方法加工成膜,采用這種擠出流延法制作的薄膜厚度、均勻性、表面平滑性都好于擠出吹塑薄膜。這種直接成型的ETFE膜材,透光性、阻燃性、自潔性、著色性都很好,使用壽命在10-12年左右,而且材質柔軟,非常適合用于充氣膜。2008年ETFE膜材應用于北京奧運會水立方外墻后,引起了人們的極大關注。
      建筑膜材的創新與發展,推動了膜結構體系的發展;而膜結構的發展,同時也促進了新型膜材的研究與應用?梢,膜材發展和膜結構發展,是相輔相成、相互依存和促進的。
       
      我國膜結構的現狀
      起步雖晚,成就卓越——我國的膜結構建筑起步較晚。1997年上海第八屆全運會的主體育場——上海八萬人體育場,采用了PTFE膜結構來完成看臺罩棚。這個可同時容納8萬名觀眾的大型體育場館,是我國第一次大面積地將膜結構使用在永久性建筑上。造價不菲的上海八萬人體育場,建立了我國使用膜結構的信心,加深了我國對這一新型建筑形式的認知度和接受度,對我國膜結構建筑具有里程碑式的意義。自此以后,PTFE膜材在我國不少地方陸續開始應用,如青島頤中體育場、義烏體育場、煙臺市體育中心體育場、蕪湖市體育場、威海市體育中心體育場、嘉峪關市體育場等膜結構工程,有些工程已經成為當地具有特色的標志建筑。ETFE膜材在我國的應用相對滯后很多,2008年奧運會的“水立方”建成。這是ETFE膜材在我國首次得到大面積應用。膜結構的應用逐漸呈現出了活躍態勢。
      在上海八萬人體育場的標桿作用帶動下,我國一些起步于20世紀90年代初的膜結構企業逐步發展起來?傮w而言,我國膜結構企業在技術方面的追趕速度較快,其設計、施工技術水平已經比較成熟。但是,我國膜結構材料企業還處于起步階段,而且也沒能迅速跟進,目前國內膜材的水平仍然較低。目前,我國膜材的生產企業,在引進生產技術與生產設備,從國外進口生產基材所用的原絲、外層涂料的情況下,開始生產PVC、PTFE等膜材。但是,國產膜材的性能還不完善,而且占據的市場份額也很小,可以說國內膜結構建筑所用膜材基本上還依賴于進口。ETFE膜材現在只有德國、美國、日本等目的少數幾個公司可生產,它在我國尚處于實驗室階段,只有北京市塑料研究所等少數研究單位進行過初步的薄膜試制。
      家珍無數,各領風騷——國家游泳中心即“水立方”是北京奧運會標志性建筑之,也是北京市政府指定的唯一由港澳臺僑胞捐資建設的奧運場館!八⒎健笔鞘澜缟献畲蟮哪そY構工程,其外墻和層面圍護結構采用新型鋼膜結構體系。該鋼模結構體系由一系列類似于細胞、水晶體的鋼網架單元和世界上最為先進的環保節能ETFE充氣薄膜共同組成。它總共由3000多個氣枕組成,氣枕大小不一,形狀各異,覆蓋面積達到10萬平方米。藍色的表面出乎意料地柔軟但又很充實。這種材料的壽命超過20年,目前世界上只有三家企業能夠完成這種膜結構?紤]到場館的節能標準,膜結構具有較強的隔熱功能。
      廣州新火車站是廣州市最大的交通樞紐,它也成為—個新地標式建筑群體。針對該項目的重要性,作為外圍護工程的屋面,膜結構工程的選材顯得尤為重要。為了使屋面膜結構的選材具有優越的功能性、施工便利性和結構先進性,屋面采用ETFE膜材,其透光率為所有膜材中最好的。根據位置和表面印刷的情況,ETFE膜的透光率可達95%。該材料不阻擋紫外線的透射,以保證建筑內部天然光。通過表面印刷,該材料的半透明度可進一步降低到50%,根據幾何條件及膜的層數,其K值可高達2.0W/(m.K),耗能指數以一個三層印刷的膜為例可達到0.77,氣枕式充氣結構能起到很好的隔熱、保溫、環保和降低耗能的功能。
      世博軸頂棚采用的索膜結構,是到目前為止世界上最大的索膜結構。膜材為PTFE,具有不燃性、防紫外線、抗風化、高自潔性和高反射性等特點,使用壽命在20年以上,膜材達到使用時間后更換也很方便。世博會日本館外墻的超輕膜結構采用了首次面世的“發電膜”技術,這兩張ETFE薄膜構成枕氣枕結構里嵌入了非晶體太陽能電池,從而使外墻能夠自主產生能源。世界氣象組織所建的世界氣象館外觀采用亮白色膜結構,膜布上均勻布滿噴霧點。外層膜結構和霧狀噴泉設計可以起到降溫、節能、環保的作用。中國航空館,通過在空間不規則的網殼上覆蓋聚氯乙烯(PVC)膜材來實現。完成于1998年5月14日的天津保稅區區標膜結構工程,是中國膜結構業界的里程碑,它標志著中國膜結構劃時代的開始。此外,還有大連五彩城風箏放飛場、北京雕塑展覽中心、長沙世界之窗劇場、成都死海漂浮中心水上樂園等,它們如一顆顆明珠展示在中國膜結構建筑之林。
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