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張拉膜結構的概念設計

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:15 [收藏]

    一、從結構方式上大致可分為骨架式、張拉式、充氣式膜結構3種形式海口海洋世界入口膜結構

    　　1.骨架式膜結構（Frame Supported Structure）

    　　以鋼構或是集成材構成的屋頂骨架后，在其上方張拉膜材的構造形 式，下部支撐結構安定性高，因屋頂造型比較單純，開口部不易受限制， 且經濟效益高等特點，廣泛適用于任何大，小規模的空間。

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    　　2.張拉式膜結構（Tension Suspension Structure）

    　　以膜材、鋼索及支柱構成，利用鋼索與支柱在膜材中導入張力以達安 定的形式。除了可實踐具創意，創新且美觀的造型外，也是最能展現膜結 構精神的構造形式。 近年來，大型跨距空間也多采用以鋼索與壓縮材構成 鋼索網來支撐上部膜材的形式。因施工精度要求高，結構性能強，且具豐 富的表現力，所以造價略高于骨架式膜結構。

    　　3.充氣式膜結構（Pneumatic Structure）

    　　充氣式膜結構是將膜材固定于屋頂結構周邊，利用送風系統讓室內氣 壓上升到一定壓力后，使屋頂內外產生壓力差，以抵抗外力，因利用氣壓 來支撐，及鋼索作為輔助材，無需任何梁，柱支撐，可得更大的空間，施工 快捷，經濟效益高，但需維持進行24小時送風機運轉，在持續運行及機器 維護費用的成本上較高。

    　　二、膜材料用于膜結構建筑中的膜材是一種具有強度，柔韌性好的薄膜材料，是由纖維編織成織物基材，在其基材兩面以樹脂為涂層材所加工固定而成的材料，中心的織物基材分為聚酯纖維及玻璃纖維，而作為涂層材使用的樹脂有聚氯乙烯樹脂（PVC），硅酮（silicon）及聚四氟乙烯樹脂（PTFE），在力學上織物基材及涂層材分別具有影響下列的功能性質。

    　　織物基材??抗拉強度，抗撕裂強度，耐熱性，耐久性，防火性。

    　　涂 層 材??耐候性，防污性，加工性，耐水性，耐品，透光性。

    　　三、膜材的正確選定用于建筑膜結構的膜材，依涂層材不同大致可分為PVC膜與PTEF膜，膜材的正確選定應考慮其建筑的規模大小、用途、形式，使用年限及預算等綜合因素后決定。

    　　PVC膜（PVC-Coated Polyester）

    　　PVC膜材在材料及加工上都比PTFE膜便宜，且具有材質柔軟，易施工的優點。但在強度、耐用年限、防火性等性能上較PTFE膜差。PVC膜材是由聚脂纖維織物加上PVC涂層（聚氯乙烯）而成，一般建筑用的膜材，是在PVC涂層材的表面處理上，涂以數micron厚的壓克力樹脂（acrylic），以改善防污性。但是，經過數年之后就會變色、污損、劣化。一般PVC膜的耐用年限，依使用環境不同在5~8年。為了改善PVC膜材的耐侯性，近年來已研發出以氟素系樹脂于PVC涂層材的表面處理上做涂層，以改善其耐侯性及防污性的膜材。

    　　PVDF PVDF是二氟化樹脂（Polyvinylidene Fluoride）的略稱，在PVC膜表面處理上加以PVDF樹脂涂層的材料稱為PVDF膜。PVDF膜與一般的PVC膜比較，耐用年限改善至7~10年左右。

    　　PVF PVF是一氟化樹脂（Polyvinyl Fluoride）的略稱。PVF膜材是在PVC膜的表面處理上以PVF樹脂做薄膜狀薄片（laminate）加工，比PVDF膜的耐久性更佳，更具有防沾污的優點。但因為加工性、施工性與防火性都不佳，所以使用用途受到限制。

    　　PTFE膜（PTFE Coated Fiberglass）

    　　PTFE膜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。PTFE膜最大的特微就是耐久性、防火性與防污性高。但PTFE膜與PVC膜比較，材料費與加工費高，且柔軟性低，在施工上為避免玻璃纖維被折斷，須有專用治工具與施工技術。

    　　耐久性：涂層材的PTFE對酸、鹼等化學物質及紫外線非常安定，不易發生變色或破裂。玻璃纖維在經長期使用后，不會引起強　　　　　　度劣化或張力減低。膜材顏色一般為白色、透光率高，耐久性在25年以上。

    　　防污性：因涂層材為聚四氟乙烯樹脂，表面摩擦系數低，所以不易污染，可藉由雨水洗凈。

    　　防火性：PTFE膜符合近所有國家的防火材料試驗合格的特性，可替代其它的屋頂材料做同等的使用用途。

    　　四、工程應用體育設施?體育場館、健身中心等交通設施?機場、火車站、公交車站、高速公路收費站、加油站等文化設施?展覽/會議中心、劇場、博物館、動物園、水族館等景觀設施?建筑入口、泳池小品、小區長廊、戶外廣場、公園小品、標識性建筑等商業設施?購物中心、餐廳、步行街等工業設施?工廠、倉庫、污水處理中心、物流中心、溫室等 張拉膜結構的概念設計只有正確表達結構邏輯的建筑才有強大的說服力與表現力“這句話揭示了張拉膜結構的精髓。對于張拉膜結構，任何附加的支撐和修飾都是多余的，其結構本身就是造型；換句話說，不符合結構的造型是不可能的，因為那樣的薄膜不是飄動的就是缺乏穩定性的。張拉膜結構的美就在于其”力“與”形“的完美結合。

    　　張拉膜結構的基本組成單元通常有：膜材、索與支承結構（桅桿、拱或其他剛性構件）。

    　　膜材一種新興的建筑材料，已被公認為是繼磚、石、混凝土、鋼和木材之后的“第六種建筑材料”。膜材本身不能受壓也不能抗彎，所以要使膜結構正常工作就必須引入適當的預張力。此外，要保證膜結構正常工作的另一個重要條件就是要形成互反曲面。傳統結構為了減小結構的變形就必須增加結構的抗力；而膜結構是通過改變形狀來分散荷載，從而獲得最小內力增長的。當膜結構在平衡位置附近出現變形時，可產生兩種回復力：一個是由幾何變形引起的；另一個是由材料應變引起的。通常幾何剛度要比彈性剛度大得多，所以要使每一個膜片具有良好的剛度，就應盡量形成負高斯曲面，即沿對角方向分別形成“高點”和“低點”。“高點”通常是由桅桿來提供的，也許是由于這個原因，有些文獻上也把張拉膜結構叫做懸掛膜結構（suspension membrane）。

    　　索作為膜材的彈性邊界，將膜材劃分為一系列膜片，從而減小了膜材的自由支承長度，使薄膜表面更易形成較大的曲率。有文獻指出，膜材的自由支承長度不宜超過15米，且單片膜的覆蓋面積不宜大于500平米。此外，索的另一個重要作用就是對桅桿等支承結構提供附加支撐，從而保證不會因膜材的破損而造成支承結構的倒塌。

    　　膜結構設計主要包括以下內容：

    　　1，初始態分析：確保生成形狀穩定、應力分布均勻的三維平衡曲面，并能夠抵抗各種可能的荷載工況；這是一個反復修正的過程。

    　　2，荷載態分析：張拉膜結構自身重量很輕，僅為鋼結構的1／5，混凝土結構的1／40；因此膜結構對地震力有良好的適應性，而對風的作用較為敏感。此外還要考慮雪荷載和活荷載的作用。由于目前觀測資料尚少，故對膜結構的設計通常采用安全系數法。

    　　3，主要結構構件尺寸的確定，及對支承結構的有限元分析。當支承結構的設計方法與膜結構不同時，應注意不同設計方法間的系數轉換。

    　　4，連接設計：包括螺栓、焊縫和次要構件尺寸。

    　　5，剪裁設計：這一過程應具備必要的試驗數據，包括所選用膜材的楊氏模量和剪裁補償值（應通過雙軸拉伸試驗確定）。

    　　膜結構在方案階段需要考慮的問題有：

    　　1，預張力的大小及張拉方式；

    　　2，根據控制荷載來確定膜片的大小和索的布置方式；

    　　3，考慮膜面及其固定件的形狀以避免積水（雪）；

    　　4，關鍵節點的設計，以避免應力集中；

    　　5，考慮膜材的運輸和吊裝；

    　　6，耐久性與防火考慮。

    　　在膜結構設計階段所要考慮的要點有：

    　　1，保證膜面有足夠的曲率，以獲得較大的剛度和美學效果；

    　　2，細化支承結構，以充分表達透明的空間和輕巧的形狀；

    　　3，簡化膜與支承結構間的連接節點，降低現場施工量。

    　　膜結構研究的主要問題有：

    　　1，找形（Form-finding）或更進一步叫“形態理論”；

    　　2，考慮膜材松弛和各向異性下的結構響應；

    　　3，結構在風荷載作用下的動力穩定性；

    　　4，裁剪優化；

    　　5，膜與索及支承結構間的相互作用。

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