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详解膜结构性能的先进性

文章来源:杭州凯飞膜结构  发布时间:2014-12-23

    过去人们习惯把膜结构视作帐篷,而帐篷只能算是一个临时性建筑,它不够牢固,不能防火,也不能保暖或隔热。如今对采用膜结构的帐篷却要刮目相看了,其中的关键是材料。膜结构是一种由高强薄膜材料及加强构件(钢结构或拉索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状,可作为覆盖结构并能承受一定外荷载的空间结构形式。膜结构以良好的自洁性、隔热性以及高强耐久、造型新颖和自重轻等优点广泛应用于各类体闲小品、轻型大跨度无柱空间或轻型屋盖建筑结构。由于膜结构是一种张力结构,只有在一定的张力作用下,膜结构才有一定的形状和刚度,因而膜结构建筑体现了力的平衡美,是一种受力比较合理的结构形式。采用轻质膜材,同时辅以柔性拉索、轻型钢柑架的结构形式,可以很好地达到大跨度、覆盖大空间的目的。用于膜结构的有两种主要建筑织物,即涂敷聚四氟乙烯(PTFE)的玻璃纤维织物和涂敷聚氯乙烯(PVC)的聚醋织物。PTFE具有强度高、半透明、耐火不燃以及自洁性好的特点。虽然材料的保证年限是25年,但按照实际使用的经验,实际使用寿命将会更长。玻璃纤维膜材的缺点是价格较高。PTFE膜材主要应用在大型体育场馆、展览馆、会议厅、机场候机厅等对大空间有需求的建筑。PVC聚醋织物与玻璃纤维织物相比,其强度等性能稍差,使用年限也较短,但价格却较便宜,大约在PTFE的1/5左右。为了改进其性能,可以在涂层外再加一个而层,成为聚氟乙烯(PVF)或聚偏氟乙烯(PVDF)。这种而层能保护织物抵抗紫外线的侵蚀,并改进其自洁性。PVC膜材主要应用于景观建筑、街景小品等构筑物。

    近年来一种新兴膜结构材料-乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)一在国内大型和重点工程中开始被广泛应用。它不仅具有优良的抗冲击性能、电性能、热稳定性和耐化学腐蚀性,而且机械强度高、加工性能好。由ETFE制成的膜材替代传统的玻璃和其他高分子采光板、PTFE膜材料等用于大型建筑物的屋而或墙体材料.显示出无可比拟的优势。ETFE膜为现代建筑提供了一个创新解决方案。由这种膜材制成的屋而和墙体,重量小,只有同等大小玻璃重量的1%;韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂,延展性大于400%;耐火性和耐化学腐蚀性强,熔融温度高达2000C,并且不会自燃。作为大型公共建筑材料的ETFE膜,更大的优势还在于它们可以加工成任何尺寸和形状,能满足大跨度要求,节省了中间支撑结构,可以设计出简洁高雅的结构。作为一种充气后使用的材料,它可以通过控制充气量的多少,对遮光度和透光性进行调节,有效地利用大然光,节省能源,并在提供良好透光度的同时,也兼有保温隔热性能。又由于质量轻,它可以根据需要设计成可方便开启和关闭的活动屋顶,满足大型公共设施通风透气、大然采光的需求。不仅如此,这种膜还具有良好的声学性能,可以有效地消除回声,避免了其它膜材或硬质层顶所产生的噪声。同时,它还具有自清洁功能,可使灰尘不易附在其表面,雨水能冲刷掉表面的附着物,清洁周期大约为5年。这种材料的另一个优点是,可在现场预制成薄膜气泡,方便施工和维修,加上成木合理,使其极具竞争力。ETFE膜使用寿命为2535年,是用于永久性多层可移动屋顶结构的理想材料,达到B1,DIN4102防火等级标准,燃烧时也不会滴落,ETFE膜完全为可再循环利用材料,可再次利用生产新的膜材料,或者分离杂质后生产其他ETFE产品。能够在一7000230℃的温度范围内使用,且材料难燃。ETFE膜还具有独特的光学性能,白大使入射光线成为大然漫射光,防止眩目,无阴影,光线均匀分布,几乎无紫外线透过,防止了内部装饰材料和设计的褪色;夜间高反射性能使空间具有卓越的照明效果。

    综上所述,膜结构的突出特点之一就是它形状的多样性,曲而存在着无限的可能性。采用一般结构的建筑物,其形状往往是先由建筑师确定。膜结构则不同,首先它的变形比一般结构要大一些,其次它的形状是在施工过程中逐步形成的,有一个形状确定的问题,需要结构工程师的参与。对于气承式空气膜结构来说,充气之后的曲而主要是圆球而或圆柱而,可能没有太多的选择余地。而对于以索或骨架支承的膜结构,其曲而就可以随着建筑师的想象力而任意变化。也就是说,膜结构设计打破了传统的“先建筑、后结构”做法,要求建筑设计与结构设计紧密结合。要确定在初始荷载下结构的初始形状,即结构体系在膜自重(有时还有索)与预应力作用下的平衡位置。在初步设计阶段,先按建筑要求设定大致的几何外形,然后对膜而施加预应力使之承受张力,其形状也相应改变,经过不断调整预应力,最后就可得到理想的几何外形和应力分布形态。因此,在设计过程中,建筑师和结构工程师要一同确定建筑物的形状,并进行必要的计算分析。这时,所设计建筑物的平而形状、立而要求、支点设置、材料类型和预应力大小都将成为互相制约的因素,一个完美的设计也就是上述矛盾统一的结果。

 

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