淺談膜結構的發(fā)展及應用
摘要：膜結構是建筑結構中最新發(fā)展起來的一種形式。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，膜結構已成為結構設計選型中的一個主要方案，并逐漸應用于體育館、商場、展覽中心、交通服務設施等大跨度建筑中。
關鍵詞：膜結構,膜材,建筑
膜結構是一種以性能優(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構將面繃緊，從而形成的具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結構體系。
1膜結構概述
1．1膜材
膜結構能大量推廣應用的基礎是材料問題的解決，其應用的高強度柔韌薄膜稱膜材�，F(xiàn)階段主要應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膜結構的特點
建筑造型優(yōu)美：膜結構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、鋼結構高強度材料的采用，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?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膜結構的歷史
第一座真正意義上的膜結構建成于1946年，設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構會議，無疑給充氣膜結構的發(fā)展注入了興奮劑。隨后各式各樣的充氣膜結構建筑出現(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計的美國館（137m×7m8卵形），以及川口衛(wèi)設計的香腸形充氣構件膜結構。后來人們認為70年大阪博覽會是把膜結構系統(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構建造永久性建筑。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構廣泛應用于永久、半永久性建筑奠定了物質基礎。之后，用特氟隆材料做成的室內(nèi)充氣式膜結構相繼出現(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構應用于永久性的大型體育館。其后在北美地區(qū)，類似的膜結構就建了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構也發(fā)生過幾次不愉快的坍塌事故，但是膜結構終于登堂入室，進入永久性建筑的行列。
3膜結構的前景
從多年國內(nèi)外的實踐經(jīng)驗來看，膜結構具有強大的生命力，必將是21世紀建筑結構發(fā)展的主流。預計最能發(fā)揮膜結構優(yōu)勢的應用領域有：
1.需要自然采光的公共建筑，如體育館、訓練房、展覽廳等。
2.輕而而美觀的膜結構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，因而可有用膜結構并加以定型化、商品化。這種建筑有運輸、拆裝方便的優(yōu)點，對于緊急救災或災后重建也十分有用。
4.在改造原有建筑物時，膜結構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膜結構的應用
現(xiàn)在膜結構的設計有許多方法，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。還有應將現(xiàn)在的計算理論與計算機相結合并開發(fā)相應的軟件。在設計過程中，建筑師和結構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，所設計建筑物的平面形狀、立面要求、支點設置、材料類型和預應力大小都將成為互相制約的因素，一個完美的設計也就是上述矛盾統(tǒng)一的結果。因此，要保證結構的最終成形與設計相一致，除了在設計時更仔細之外，還應保證各部門配合更為協(xié)調(diào)一致外。
同時，膜結構施工過程中也遇到一些問題。在膜結構中，膜材預張力是確保結構穩(wěn)定與安全的一個重要因素。在施工現(xiàn)場為了得到設計的平衡狀態(tài)和形狀，在張拉膜片的過程中，必須把設計預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)應力松弛區(qū)域和應力集中區(qū)域，避免張力過大引起膜材撕裂。另外，膜結構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,就會導致膜面下垂。在風荷載作用下發(fā)生抖顫。當這種情況發(fā)生時，需要測量膜材中的實際應力，以確定松弛造成的膜張力減退,再根據(jù)測量結果施加、調(diào)整膜張力。第一個現(xiàn)代膜結構建成至今已有好幾十年了，因此大量已建成的膜結構需要定期進行膜張力松弛檢測。為了使膜結構成為一種現(xiàn)代技術,有必要定量地評測薄膜預張力。所以，研究膜張力的一些檢測手段成了當務之急。
5結語
隨著膜結構技術的不斷發(fā)展，相信越來越多的膜結構工程會出現(xiàn)在我們身邊。解決其在設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之一。隨著奧運會和世博會在中國的舉辦，膜結構建筑也呈現(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，膜結構一定會在我國得到夠好的發(fā)展和應用。
參考文獻
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