淺談膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用
摘要：膜結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中最新發(fā)展起來的一種形式。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，膜結(jié)構(gòu)已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計選型中的一個主要方案，并逐漸應(yīng)用于體育館、商場、展覽中心、交通服務(wù)設(shè)施等大跨度建筑中。
關(guān)鍵詞：膜結(jié)構(gòu),膜材,建筑
膜結(jié)構(gòu)是一種以性能優(yōu)良的織物為材料，或是向膜內(nèi)充氣，由空氣壓力支撐膜面，或是利用柔性鋼索或剛性支撐結(jié)構(gòu)將面繃緊，從而形成的具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結(jié)構(gòu)體系。
1膜結(jié)構(gòu)概述
1．1膜材
膜結(jié)構(gòu)能大量推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)是材料問題的解決，其應(yīng)用的高強度柔韌薄膜稱膜材�，F(xiàn)階段主要應(yīng)用的兩種膜材涂敷聚四氟乙烯（PTFE）的玻璃纖維織物和涂敷聚氯乙烯（PVC）的聚脂織物具有質(zhì)地柔韌、厚度小、重量輕、透光性好等特點，對自然光吸收和透射能力、阻燃，具有良好的耐久、防火、氣密等特性；表面經(jīng)過氟素處理或二氧化鈦處理的膜材料抗老化性能好，具有較高的自清潔性能。
1．2膜結(jié)構(gòu)的特點
建筑造型優(yōu)美：膜結(jié)構(gòu)的突出特點之一就是它形狀的多樣性，新穎美觀的曲面造型，簡潔明快，且色彩豐富，打破了純直線建筑風(fēng)格的模式，給人以耳目一新的感覺。
適合覆蓋大跨度空間：膜材料每平方壹公斤左右，由于自重輕，加上鋼索、鋼結(jié)構(gòu)高強度材料的采用，與受力體系簡潔合理，使膜建筑可以不需要內(nèi)部支撐面大跨度覆蓋空間，這使人們可以更靈活地設(shè)計和使用建筑空間。
造價低，工期短：膜建筑屋面重量僅為常規(guī)鋼屋面的1/30，這就降低了墻體和基礎(chǔ)的造價。同時由于膜建筑奇特的造型和外觀效果使其價格效益比更高。膜工程中所有加工和制作依設(shè)計均可在工廠內(nèi)完成，現(xiàn)場只需組裝，施工簡便，相比傳統(tǒng)建筑的施工周期，它幾乎要快一倍。
節(jié)能環(huán)保：膜材有較高的反射性及較低的光吸收低，并且熱傳導(dǎo)性較低，對太陽熱能可反射掉70%，膜材本身吸收了17%，傳熱13%，而透光率卻在20%以上，保證了適當(dāng)?shù)淖匀宦⑸涔庹彰魇覂?nèi)。具有良好的環(huán)保性、透光性、節(jié)能性。
2膜結(jié)構(gòu)的歷史
第一座真正意義上的膜結(jié)構(gòu)建成于1946年，設(shè)計者為美國的沃爾特•勃德，這是一座直徑為15的充氣穹頂。1967年在德國斯圖加特召開的第一屆國際充氣結(jié)構(gòu)會議，無疑給充氣膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展注入了興奮劑。隨后各式各樣的充氣膜結(jié)構(gòu)建筑出現(xiàn)在1970年大阪世界博覽會上。其中具有代表性的有蓋格爾設(shè)計的美國館（137m×7m8卵形），以及川口衛(wèi)設(shè)計的香腸形充氣構(gòu)件膜結(jié)構(gòu)。后來人們認(rèn)為70年大阪博覽會是把膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)地、商業(yè)性地向外界介紹的開始。大阪博覽會展示了人們可以用膜結(jié)構(gòu)建造永久性建筑。而70年代初美國蓋格爾-勃格公司開發(fā)出的符合美國永久建筑規(guī)范的特氟隆膜材料為膜結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于永久、半永久性建筑奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。之后，用特氟隆材料做成的室內(nèi)充氣式膜結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)在大中型體育館中，1975年在美國密執(zhí)安州龐提亞克興建了平面尺寸243.9X183m的銀色穹頂，這是第一次將氣承式膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用于永久性的大型體育館。其后在北美地區(qū)，類似的膜結(jié)構(gòu)就建了9座，其中象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)。雖然象這樣的充氣結(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，進入永久性建筑的行列。
3膜結(jié)構(gòu)的前景
從多年國內(nèi)外的實踐經(jīng)驗來看，膜結(jié)構(gòu)具有強大的生命力，必將是21世紀(jì)建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的主流。預(yù)計最能發(fā)揮膜結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的應(yīng)用領(lǐng)域有：
1.需要自然采光的公共建筑，如體育館、訓(xùn)練房、展覽廳等。
2.輕而而美觀的膜結(jié)構(gòu)用于敞開或半敞開建筑物的遮蔽屋蓋尤為適宜。
3.各種類型的生產(chǎn)廠房與倉庫，其尺寸都比較規(guī)則，因而可有用膜結(jié)構(gòu)并加以定型化、商品化。這種建筑有運輸、拆裝方便的優(yōu)點，對于緊急救災(zāi)或災(zāi)后重建也十分有用。
4.在改造原有建筑物時，膜結(jié)構(gòu)的自重輕是很大的優(yōu)點，可以用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的屋蓋。
4膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用
現(xiàn)在膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計有許多方法，但仍存在許多問題需要解決和研究。比如膜建筑的隔振問題、內(nèi)部環(huán)境問題、屋頂膜材的融雪問題、隔熱問題等。還有應(yīng)將現(xiàn)在的計算理論與計算機相結(jié)合并開發(fā)相應(yīng)的軟件。在設(shè)計過程中，建筑師和結(jié)構(gòu)工程師要坐在一起確定建筑物的形狀，并進行必要的計算分析。這時，所設(shè)計建筑物的平面形狀、立面要求、支點設(shè)置、材料類型和預(yù)應(yīng)力大小都將成為互相制約的因素，一個完美的設(shè)計也就是上述矛盾統(tǒng)一的結(jié)果。因此，要保證結(jié)構(gòu)的最終成形與設(shè)計相一致，除了在設(shè)計時更仔細之外，還應(yīng)保證各部門配合更為協(xié)調(diào)一致外。
同時，膜結(jié)構(gòu)施工過程中也遇到一些問題。在膜結(jié)構(gòu)中，膜材預(yù)張力是確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全的一個重要因素。在施工現(xiàn)場為了得到設(shè)計的平衡狀態(tài)和形狀，在張拉膜片的過程中，必須把設(shè)計預(yù)定的膜張力精確地施加到膜材中。這就要求施工人員能隨時測量、調(diào)整膜張力,避免出現(xiàn)應(yīng)力松弛區(qū)域和應(yīng)力集中區(qū)域，避免張力過大引起膜材撕裂。另外，膜結(jié)構(gòu)中膜材的一個特性是其張力會隨時間發(fā)生松弛。如果膜材發(fā)生松弛,就會導(dǎo)致膜面下垂。在風(fēng)荷載作用下發(fā)生抖顫。當(dāng)這種情況發(fā)生時，需要測量膜材中的實際應(yīng)力，以確定松弛造成的膜張力減退,再根據(jù)測量結(jié)果施加、調(diào)整膜張力。第一個現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)建成至今已有好幾十年了，因此大量已建成的膜結(jié)構(gòu)需要定期進行膜張力松弛檢測。為了使膜結(jié)構(gòu)成為一種現(xiàn)代技術(shù),有必要定量地評測薄膜預(yù)張力。所以，研究膜張力的一些檢測手段成了當(dāng)務(wù)之急。
5結(jié)語
隨著膜結(jié)構(gòu)技術(shù)的不斷發(fā)展，相信越來越多的膜結(jié)構(gòu)工程會出現(xiàn)在我們身邊。解決其在設(shè)計和施工中遇到的問題也成為我們下一階段研究的主要任務(wù)之一。隨著奧運會和世博會在中國的舉辦，膜結(jié)構(gòu)建筑也呈現(xiàn)出一派欣欣向榮之象。這正是我國突破現(xiàn)狀的良機，不久的將來，膜結(jié)構(gòu)一定會在我國得到夠好的發(fā)展和應(yīng)用。
參考文獻
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