膜結(jié)構(gòu):在創(chuàng)新中成長
信息來源:www.wuzhuqianbi.com 發(fā)表時間:[2015-1-12 16:21:43]
對膜結(jié)構(gòu)這一新型建筑結(jié)構(gòu),分析其性能特點、歷史沿革,探討膜結(jié)構(gòu)技術(shù)在我國建筑業(yè)的應(yīng)用成果,就目前膜結(jié)構(gòu)工程的問題提出解決方案,旨在挖掘膜結(jié)構(gòu)的潛力,提高建筑設(shè)計水平。
國家體育場“鳥巢”和國家游泳中心“水立方”,作為膜結(jié)構(gòu)建筑的經(jīng)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(jié)構(gòu)建筑也繼2008年北京奧運(yùn)會之后再次得到完美體現(xiàn)。
膜結(jié)構(gòu)(Membrane)是20世紀(jì)中期發(fā)展起來的一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式,集建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、精細(xì)化工與材料科學(xué)、計算機(jī)技術(shù)等為一體,具有很高技術(shù)含量:有多種高強(qiáng)薄膜材料(PVC或Teflon)及加強(qiáng)構(gòu)件(鋼架、鋼柱或鋼索通過一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生一定的預(yù)張應(yīng)力以形成某種空間形狀,作為覆蓋結(jié)構(gòu),并能承受一定的外荷載作用的一種空間結(jié)構(gòu)形式。
膜結(jié)構(gòu)可分為充氣膜結(jié)構(gòu)和張拉膜結(jié)構(gòu)兩大類。其曲面可以隨著建筑師的設(shè)計需要任意變化,結(jié)合整體環(huán)境,建造出標(biāo)志性的形象工程。在陽光的照射下,由膜覆蓋的建筑物內(nèi)部充滿自然漫射光,無強(qiáng)反差的著光面與陰影的區(qū)分,室內(nèi)的空間視覺環(huán)境開闊和諧。夜晚,建筑物內(nèi)的燈光透過屋蓋的膜照亮夜空,建筑物體形顯現(xiàn)出夢幻般的效果。
膜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)前進(jìn)的腳步從未停息
膜結(jié)構(gòu)建筑,從帳篷到永久性建筑——過去人們習(xí)慣地把膜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)最早是19世紀(jì)40年代被美國軍方用作了雷達(dá)罩,被大規(guī)模應(yīng)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(jié)構(gòu),它們是世界上最早的大型膜結(jié)構(gòu)建筑。富士館和美國館都使用了充氣膜結(jié)構(gòu),樹脂玻璃纖維鼓脹起來后靠懸索穩(wěn)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(jié)構(gòu)是一種全新的建筑結(jié)構(gòu)形式,這種日漸深刻的認(rèn)識,使得膜結(jié)構(gòu)得到了迅速的發(fā)展。
1975年在美國密執(zhí)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(jié)構(gòu)應(yīng)用于永久的大型體育館。其后在北美地區(qū),類似的膜結(jié)構(gòu)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(qū)。雖然像這樣的膜充氣結(jié)構(gòu)也發(fā)生過幾次不愉快的坍塌事故,但是膜結(jié)構(gòu)終于登堂入室,進(jìn)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(jié)構(gòu)。
在日后的發(fā)展過程中,膜結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了不少特有的優(yōu)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(jié)構(gòu)和柔性膜材可以使建筑特別適合地震多發(fā)地區(qū),也使得膜結(jié)構(gòu)建筑可以實現(xiàn)大跨度覆蓋空間;膜結(jié)構(gòu)工程所有的加工和制作都可以按照設(shè)計在工廠內(nèi)完成,在現(xiàn)場只是進(jìn)行安裝作業(yè),施工周期短。膜結(jié)構(gòu)優(yōu)良的特性,使得它具有廣泛的使用范圍。
當(dāng)然,膜結(jié)構(gòu)也有其劣勢,如耐久性差、御風(fēng)性差、環(huán)保性差等問題。目前,一般膜材使用年限15-25年之間;膜結(jié)構(gòu)受風(fēng)的影響比較大,風(fēng)對膜結(jié)構(gòu)的作用一直是科研與工程技術(shù)人員的一個課題;環(huán)保問題也是膜材料必須面對的一個問題。
建筑膜材的發(fā)展,推動了膜結(jié)構(gòu)的進(jìn)步——膜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的主流材料都是在纖維織物上面添加圖層而成。業(yè)內(nèi)一般按照織物基材和涂層來劃分膜結(jié)構(gòu)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(yōu)點是色彩豐富,價格適中;缺點是強(qiáng)度不高,耐久性差,質(zhì)量保質(zhì)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(yōu)于純PVC膜材,價格也略高于純PVC膜材。
PTFE膜材是在超細(xì)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(yōu)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(zhì)卓越,所以價格也較高。在蓋格公司領(lǐng)導(dǎo)下,多家公司共同開發(fā)永久性膜材,使永久性的PTFE膜正式誕生。這種膜材的力學(xué)性能與化學(xué)穩(wěn)定性指標(biāo)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(xué)物質(zhì)微粒極難附著與滲透,經(jīng)雨水沖刷建筑膜可恢復(fù)其原有的清潔面層與透光性,這足以顯示出 PTFE膜材的強(qiáng)大生命力和廣闊的市場前景。與傳統(tǒng)膜結(jié)構(gòu)材料不同的ETFE膜材在20世紀(jì)90年代左右面世,它在膜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用,顛覆了建筑膜材“涂層 織物”的傳統(tǒng)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(zhì)柔軟,非常適合用于充氣膜。2008年ETFE膜材應(yīng)用于北京奧運(yùn)會水立方外墻后,引起了人們的極大關(guān)注。
建筑膜材的創(chuàng)新與發(fā)展,推動了膜結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展;而膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展,同時也促進(jìn)了新型膜材的研究與應(yīng)用?梢,膜材發(fā)展和膜結(jié)構(gòu)發(fā)展,是相輔相成、相互依存和促進(jìn)的。
我國膜結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀
起步雖晚,成就卓越——我國的膜結(jié)構(gòu)建筑起步較晚。1997年上海第八屆全運(yùn)會的主體育場——上海八萬人體育場,采用了PTFE膜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的信心,加深了我國對這一新型建筑形式的認(rèn)知度和接受度,對我國膜結(jié)構(gòu)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(xù)開始應(yīng)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(guān)市體育場等膜結(jié)構(gòu)工程,有些工程已經(jīng)成為當(dāng)?shù)鼐哂刑厣臉?biāo)志建筑。ETFE膜材在我國的應(yīng)用相對滯后很多,2008年奧運(yùn)會的“水立方”建成。這是ETFE膜材在我國首次得到大面積應(yīng)用。膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用逐漸呈現(xiàn)出了活躍態(tài)勢。
在上海八萬人體育場的標(biāo)桿作用帶動下,我國一些起步于20世紀(jì)90年代初的膜結(jié)構(gòu)企業(yè)逐步發(fā)展起來?傮w而言,我國膜結(jié)構(gòu)企業(yè)在技術(shù)方面的追趕速度較快,其設(shè)計、施工技術(shù)水平已經(jīng)比較成熟。但是,我國膜結(jié)構(gòu)材料企業(yè)還處于起步階段,而且也沒能迅速跟進(jìn),目前國內(nèi)膜材的水平仍然較低。目前,我國膜材的生產(chǎn)企業(yè),在引進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)與生產(chǎn)設(shè)備,從國外進(jìn)口生產(chǎn)基材所用的原絲、外層涂料的情況下,開始生產(chǎn)PVC、PTFE等膜材。但是,國產(chǎn)膜材的性能還不完善,而且占據(jù)的市場份額也很小,可以說國內(nèi)膜結(jié)構(gòu)建筑所用膜材基本上還依賴于進(jìn)口。ETFE膜材現(xiàn)在只有德國、美國、日本等目的少數(shù)幾個公司可生產(chǎn),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(shù)研究單位進(jìn)行過初步的薄膜試制。
家珍無數(shù),各領(lǐng)風(fēng)騷——國家游泳中心即“水立方”是北京奧運(yùn)會標(biāo)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(shè)的奧運(yùn)場館。“水立方”是世界上最大的膜結(jié)構(gòu)工程,其外墻和層面圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用新型鋼膜結(jié)構(gòu)體系。該鋼模結(jié)構(gòu)體系由一系列類似于細(xì)胞、水晶體的鋼網(wǎng)架單元和世界上最為先進(jìn)的環(huán)保節(jié)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(dá)到10萬平方米。藍(lán)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(yè)能夠完成這種膜結(jié)構(gòu)?紤]到場館的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn),膜結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)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(biāo)式建筑群體。針對該項目的重要性,作為外圍護(hù)工程的屋面,膜結(jié)構(gòu)工程的選材顯得尤為重要。為了使屋面膜結(jié)構(gòu)的選材具有優(yōu)越的功能性、施工便利性和結(jié)構(gòu)先進(jìn)性,屋面采用ETFE膜材,其透光率為所有膜材中最好的。根據(jù)位置和表面印刷的情況,ETFE膜的透光率可達(dá)95%。該材料不阻擋紫外線的透射,以保證建筑內(nèi)部天然光。通過表面印刷,該材料的半透明度可進(jìn)一步降低到50%,根據(jù)幾何條件及膜的層數(shù),其K值可高達(dá)2.0W/(m.K),耗能指數(shù)以一個三層印刷的膜為例可達(dá)到0.77,氣枕式充氣結(jié)構(gòu)能起到很好的隔熱、保溫、環(huán)保和降低耗能的功能。
世博軸頂棚采用的索膜結(jié)構(gòu),是到目前為止世界上最大的索膜結(jié)構(gòu)。膜材為PTFE,具有不燃性、防紫外線、抗風(fēng)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(dá)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(jié)構(gòu)采用了首次面世的“發(fā)電膜”技術(shù),這兩張ETFE薄膜構(gòu)成枕氣枕結(jié)構(gòu)里嵌入了非晶體太陽能電池,從而使外墻能夠自主產(chǎn)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(jié)構(gòu),膜布上均勻布滿噴霧點。外層膜結(jié)構(gòu)和霧狀噴泉設(shè)計可以起到降溫、節(jié)能、環(huán)保的作用。中國航空館,通過在空間不規(guī)則的網(wǎng)殼上覆蓋聚氯乙烯(PVC)膜材來實現(xiàn)。完成于1998年5月14日的天津保稅區(qū)區(qū)標(biāo)膜結(jié)構(gòu)工程,是中國膜結(jié)構(gòu)業(yè)界的里程碑,它標(biāo)志著中國膜結(jié)構(gòu)劃時代的開始。此外,還有大連五彩城風(fēng)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?nèi)缫活w顆明珠展示在中國膜結(jié)構(gòu)建筑之林。
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