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揭开膜结构神秘的面纱

文章来源:杭州凯飞膜结构  发布时间:2020-04-09

1970年日本大阪万国博览会上的美国馆和富士馆均采用了膜结构建筑,在建筑行业引起了不小的轰动。在随后的几十年,建筑膜结构得到了迅猛的发展。

膜结构大部分由钢材和索构成,另外与结构相结合的膜材也逐渐走向功能化、智能化。

膜材具有造型轻巧自由、美观;透光、节能、环保,优良的阻燃性能;防污自洁性能;安全、寿命长等优点。基于这些优点,建筑膜材脱颖而出,膜结构被称为“21世纪的建筑”,应用于大型体育场馆、入口廊道、购物场、娱乐场、停车场、展览会场、植物观光园等建筑。

| 膜结构建筑中最常用的膜材料

PTFE膜材料

PTFE膜材料是指在用极细的玻璃纤维编织成的基布上涂抹PTFE(聚四氟乙烯)树脂而形成的复合材料。

其特点是:强度高、耐久性好、防火阻燃、自洁性好,而且不受紫外光的影响,使用寿命在20年以上;具有高透光性,透光率为13%,而且透过膜材料的光线是自然散漫光,不会产生阴影,也不会发生眩光;对太阳能的反射率为73%,因而吸收热量少,即使在夏季太阳暴晒的情况下,建筑内部也不会受太大影响。

目前国外对这种膜材的开发和应用比较成熟,生产厂家也很多,如德国Mehler公司、Verseidag公司,日本Taiyoko-gyo公司、中兴化成工业株式会社、美国Chemfab公司、沙特阿拉伯ObeiKan公司等。

国内有宁波天塔聚氟玻纤有限公司和泰州维维高分子有限公司等。


 

上海万人体育场

上海体育场看台罩篷的膜材料为进口玻璃纤维织物涂敷聚四氟乙烯涂层(PTFE)材料,为组合式膜结构体系。

这是膜结构首次在我国应用于大型永久性建筑,标志着膜结构建筑作为一种新的建筑结构被我国各界人士的认可,拉开了膜结构建筑在我国广泛应用的帷幕。

PVC膜材料

PVC 膜材料是在聚酯纤维编织的基布上涂抹PVC(聚氯乙烯)树脂而形成的复合材料,PVC膜材料的强度及防火性与PTFE 相比具有一定差距,使用年限一般在7到15年。

为了解决PVC膜材料的自洁性问题,通常在PVC 涂层上再涂抹PVDF(聚偏氟乙烯)形成PVDF膜材料。

 


 

伦敦碗

伦敦奥林匹克体育场在奥运和残奥期间是8万座位的体育场,赛后转换成一个2.5万座位的体育场。人字形柱支承外压缩环桁架,内张力环采用索,其间辐射布置双层径向索形成索网,上覆112片PVC膜材张紧形成罩蓬,是典型的索系支承式膜结构。该场馆对于资源的高效利用是属于重量级的,比其它体育场减用了75%的钢材。

ETFE建筑膜材

ETFE建筑膜材由ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)生料直接制成。ETFE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。

近年来,ETFE膜材的应用在很多方面可以取代其他产品而表现出强大的优势和市场前景。

这种膜材透光性特别好,号称“软玻璃”,质量轻,只有同等大小玻璃的1%;韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂,延展性大于400%;耐候性和耐化学腐蚀性强,熔融温度高达200℃;可有效的利用自然光,节约能源;良好的声学性能。

自清洁功能使表面不易沾污,且雨水冲刷即可带走沾污的少量污物,清洁周期大约为5年。

另外,ETFE膜可在现成预制成薄膜气泡,方便施工和维修。

ETFE也有不足,如外界环境容易损坏材料而造成漏气,维护费用高等,但是随着大型体育馆、游客场所、候机大厅等的建设,ETFE更突显自己的优势。

目前生产这种膜材的公司很少,只有ASAHIGLASS(AGC)、日本旭硝子、德国科威尔等少数几家公司可以提供ETFE膜材,这种膜材的研发和应用在国外发达国家也不过十几年的历史。

 


 

鸟巢

北京奥运会场馆“鸟巢”和“水立方”膜结构采用ETFE膜材,是目前国内最大的ETFE膜材结构建筑,膜材采用进口产品。“鸟巢”采用双层膜结构,外层用ETFE防雨雪防紫外线,内层用PTFE达到保温、防结露、隔音和光效的目的。

“水立方”采用双层ETFE充气膜结构,共1437块气枕,每一块都好像一个“水泡泡”,气枕可以通过控制充气量的多少,对遮光度和透光性进行调节,有效地利用自然光,节省能源,并且具有良好的保温隔热、消除回声功能。

| 建筑膜结构分类

骨架式膜结构

骨架式膜结构是在钢架或其他材料的骨架上铺装膜材料,由此构成屋顶或外墙壁的构造形式。造型包括平面形,单曲面形,和以鞍形为代表的双曲线形。

弗雷·奥托可能是世界上最早采用支撑膜结构来构建大空间的建筑师,他设计的德国馆是用高强度的金属索与用高分子聚合材料做成的薄膜一起组合起来的具有足够大的空间的建筑。

 


 

慕尼黑奥运会体育场

正是德国馆的成功启发了对1972年慕尼黑奥运会体育场的结构和建筑造型的设计。

这种结构的特点是结构非常简洁,便于组装和拆卸,与传统结构比起来有相对低廉的造价。它的屋面用特种柔性化学材料敷贴,呈半透明状。

充气式膜结构

充气式膜结构是向由膜结构构成的室内充入空气,并保持室内空气的压力始终大于室外空气压力,由此使膜材料处于张力状态来抵抗负载及外力的构造形式,分单层结构和双层结构两种形式。

这种膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度(无支撑)建筑上实现时所遇到的困难,可创造巨大的无遮挡的可视空间。

其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点,因而使它在世界各地受到广泛应用。

另外值得一提的是,在阳光的照射下,由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光,无强反差的着光面与阴影的区分,室内的空间视觉环境开阔和谐。夜晚,建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空,建筑物的体型显现出梦幻般的效果。

这种结构形式特别适用于大型体育场馆、入口廊道、小品、公众休闲娱乐广场、展览会场、购物中心等领域。

 


 

国家大剧院

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,膜表面通过自身曲率变化达到内外力平衡。

在阳光的照射下,由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光,无强反差的着光面与阴影的区分,室内的空间视觉环境开阔和谐。夜晚,建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空,建筑物的体型显现出梦幻般的效果。

张拉膜结构特别适合用来建造城市标志性建筑的屋顶,如体育与娱乐性场馆,需有广告效应的商场、餐厅等。

 


 

柏林奥林匹克体育场

柏林奥林匹克体育场屋面的悬挑采用钢结构,钢构件上下覆膜。主支承结构的钢桁架在半透明的膜下的隐约可见,桁架结构长68米。轻质的屋顶内部以20个倾斜的钢柱支撑, 直径仅有25 cm的钢柱有效的保证了看台的观赏视野不受干扰。

| 膜结构建筑的优势

1、经济

膜结构建筑的造价仅为传统建筑造价的1/3至1/2 ,张拉结构的造价根据不同的跨度和设计方案差异较大,但与传统建筑方式相比,其价格效益比都非常明显。

同时,由于膜材具有一定的透光率,白天可减少照明强度和时间,能很好地节约能源,夜间彩灯透射形成的绚烂景观也能达到很好的广告宣传效果。

2、工期短

膜结构建筑工程中所有加工和制作均在工厂内完成,可减少现场施工时间,避免出现施工交叉。

与传统建筑方式相比,膜结构建筑的施工周期至少可缩短一半,一般项目可在两个月内竣工,施工期间不影响其他工程的施工进度。

3、跨度大

膜结构建筑中使用的膜材料很轻,每平方米的重量只有1公斤左右,因此膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度(无支撑)建筑上实施所遇到的困难,并能创造开阔的无遮挡可视空间,有效增加空间使用面积。

目前膜结构建筑的跨度已超过200米。

4、造型独特

呈现富于变幻、新奇诱人的视觉效果,其运用范围不仅限于体育或展览建筑,还向房屋及景观建筑等各个方面扩展。

膜结构工程规模可大可小,有街头小品,也有候机大厅、体育场;寿命可长可短,可以是临时性展篷,也可以是30年以上的长期建筑;色彩可素可花,膜材料像布一样可以染成各种花色,尤其是膜材料的半透明性能,使夜空中的膜建筑在灯光照射下,呈现出梦幻般的色彩。

5、自洁性

膜结构建筑中采用具有防护涂层的膜材料,因此具有良好的自洁效果,可利用雨水的自然冲刷进行建筑物的外观清洁,同时也确保了建筑的使用寿命。

 

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