膜结构在环境设计中都有哪些应用

2023-03-16 11:29:24    961次浏览

膜结构(Membrane Structures)是20世纪中期开展起来的一种新型建筑构造方式，是由多种高强薄膜资料(PVC或Teflon)及增强构件(钢架、钢柱或钢索)经过一定方式使其内部产生一定的预张应力以构成某种空间外形，作为掩盖构造，并能接受一定的外荷载作用的一种空间构造方式。膜构造可分为充气膜构造和张拉膜构造两大类。充气膜构造是靠室内不时充气，使室内外产生一定压力差(普通在10mm-30mm水柱之间)，室内外的压力差使屋盖膜布遭到一定的向上的浮力，从而完成较大的跨度。张拉膜构造则经过柱及钢架支承或钢索张拉成型，其外型十分漂亮灵敏。

膜结构所用膜资料由基布和涂层两局部组成。基布主要采用聚酯纤维和玻璃纤维资料;涂层资料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材为聚酯纤维覆聚氯乙烯(PVC)和玻璃纤维覆聚聚四氟乙烯(Teflon)。PVC资料的主要特性是强度低、弹性大、易老化、徐变大、自洁性差，但价钱廉价，容易加工制造，颜色丰厚，抗折叠性能好。为改善其性能，可在其外表涂一层聚四氟乙烯涂层，进步其抗老化和自洁才能，其寿命可到达15年左右。Teflon资料强度高、弹性模量大、自洁、耐久耐火等性能好，但它价钱较贵，不易折叠，对裁剪制造精度请求较高，寿命普通在30年以上，适用于永世建筑。

  世界上座充气膜构造建成于1946年，设计者为美国的沃尔特·勃德(W.Bird)，这是一座直径为15m的充气穹顶。1967年在德国斯图加特召开的届国际充气构造会议，无疑给充气膜构造的开展注入了兴奋剂。随后形形色色的充气膜构造建筑呈现在1970年大阪世界博览会上。其中具有代表性的有盖格尔设计的美国馆(137m ×78m卵形)，以及川口卫设计的香肠形充气构件膜构造。后来人们认70年大阪博览会是把膜构造系统地、商业性地向外界引见的开端。大阪博览会展现了人们能够用膜构造建造永世性建筑。而70年代初美国盖格尔一勃格公司(Geiger-Berger Associates)开发出的契合美国永世建筑标准的特氟隆(Teflon)膜资料为膜构造普遍应用于永世、半永世性建筑奠定了物质根底。之后，用特氟隆资料做成的室内充气式膜构造相继呈现在大中型体育馆中，如 1975年建成的密歇根州庞蒂亚克银色穹顶(椭圆形 220 × 159m)，1988年建成的日本东京体育馆(室内净面积4.6767m2)。

  张拉式膜结构的先行者是德国的奥托(F.Otto)，他在 1955年设计的张拉膜构造跨度在 25m左右，用于结合公园多功用展厅。由于张拉膜构造是经过边境条件给膜材施加一定的预张应力，以抵御外部荷载的作用，因而在一定初始条件(边境条件和应力条件)下，其初始外形确实定、在外荷载作用下膜中应力散布与变形以及怎样用二维的膜资料来模仿三维的空间曲面等一系列复杂的问题，都需求有计算来肯定，所以张拉膜构造的开展离不开计算机技术的进步和新算法的提出。目前国外一些先进的膜构造设计制造软件已十分完善，人们能够经过图形显现看到各种初始条件和外荷载作用下的外形与变形，并能计算任一点的应力状态，使找形(初始外形剖析)、裁剪和受力剖析集成一体化，使得膜构造的设计大为烦琐，它不但能剖析整个施工过程中各个不同构造的稳定性和膜中应力，而且能准确计算由于调理索或柱而产生的次生应力，完整能够防止各种不利荷载工况产生的不测结果。因而计算机技术的迅猛开展为张拉膜构造的应用开拓了宽广的前景。而特氟隆膜资料的研制胜利也极大地推进了张拉膜构造的应用。比拟的有沙特阿拉伯吉达国际航空港、沙特阿拉伯利雅得体育馆、加拿大林德塞公园水族馆、英国温布尔登室内网球馆、美国新丹佛国际机场等。

  膜结构的设计主要包括体形设计、初始均衡外形剖析、荷载剖析、裁剪剖析等四大问题。经过体形设计肯定建筑平面外形尺寸、三维外型、净空体量，肯定各控制点的坐标、构造方式，选用膜材和施工计划。初始均衡外形剖析就是所谓的找形剖析。由于膜资料自身没有抗压和抗弯刚度，抗剪强度也很差，因而其刚度和稳定性需求靠膜曲面的曲率变化和其中预张应力来进步，对膜构造而言，任何时分不存在无应力状态，因而膜曲面外形终必需满足在一定边境条件、一定预应力条件下的力学均衡，并以此为基准停止荷载剖析和裁剪剖析。目前膜构造找形剖析的办法主要有动力松弛法、力密度法以及有限单元法等。膜构造思索的荷载普通是风载和雪载。在荷载作用下膜资料的变形较大，且随着外形的改动，荷载散布也在改动，因而要准确计算构造的变形和应力要用几何非线性的办法停止。荷载剖析的另一个目的是肯定索、膜中初始预张力。在外荷载作用下膜中一个方向应力增加而另一个方向应力减少，这就请求施加初始张应力的水平要满足在不利荷载作用下应力不致减少到零，即不呈现皱褶。由于膜资料比拟轻柔，自振频率很低，在风荷载作用下极易产生风振，招致膜资料毁坏，假如初始预应力施加过高，膜材徐变加大，易老化且强度储藏少，对受力构件强度请求也高，增加施工装置难度。因而初始预应力确实定要经过荷载计算来肯定。经过找形剖析而构成的膜构造通常为三维不可展空间曲面，如何经过二维资料的裁剪，张拉构成所需求的三维空间曲面，是整个膜构造工程中关键的一个问题，这正是裁剪剖析的主要内容。