欢迎光临辽宁润霖户外用品有限公司! 关于我们 | 联系我们 | 在线留言
服务热线:
13840507089
当前位置:主页 > 膜结构资讯 > 行业动态 >

「四平膜结构」膜布局的设计现状与应用前景

文章出处:润霖 人气:发表时间:2019-09-09 16:51

  膜布局是20世纪中期开展起来的一种新式建筑布局模式,是由多种高强薄膜材质及加强构件(钢架、钢柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状,作为覆盖布局,并能承受一定的外荷载作用的一种空间布局模式。其属于柔性布局,具备轻质、薄而柔软的特性,与传统的刚性布局有很大的不同。膜只能承受拉力而不能受压和弯曲,其曲面稳定性是依靠互反向的曲率来保障,因此需制造成凹凸的空间曲面,故习惯上又称空间膜布局。膜布局集建筑学、布局力学、精细化工与材质力学、计算机技术等为一体,具备很高的技术含量,是古老又当代的建筑布局模式。因为膜材的透光性使膜布局的内部最明亮,这在建筑中是没有先例的。这种独特的布局有着无限的潜力,能适应种种功能,可广泛应用于运动场馆、展览馆、会议厅、机场候机厅、街景建筑等。

  1、膜布局简介

  1.1 膜布局的开展回顾

  虽然人们喜欢从非常广泛的意义出发,把铁木构架和帆布建成的大棚,甚至以枝条和兽皮搭成的帐篷都纳入膜布局的局限,但从严格的布局受力的定义来说, 真正意义上的当代膜布局是在20世纪50年代发现的。美国的沃尔特,伯德( Watler. Bird)在1946年为美国军方设计制造的球形充气雷达罩,1957年为自己家游泳池罩上的充气膜;德国建筑师佛赖·奥托(FreiOtto)在1955年、1957年分别为两届德国联邦园艺博览会设计的临时音乐台和场馆入口挑篷及音乐台均是这一时期里程碑式的膜布局建筑。但谈及当代膜布局大批展现在世人面前并风靡于世,则不得不叙述一下1970年在日本大阪举行的万国博览会。本次博览会上的美国馆是一个空气支承膜布局。这个建筑物的蒙皮接纳了优秀的复合材质——建筑织物。大阪博览会之后,作为临时性建筑的美国馆虽已拆除,但膜布局的建筑技术却逐渐推行应用到永远性的建筑上。

  随后,膜布局建筑如雨后春笋般在各地涌现,比较有代表性的有:1981年的沙特阿拉伯哈吉(Haj)国际航空港;1985年的沙特阿拉伯利雅德(Riyadh)皇家运动场;1992年建成的日本熊本公园体育馆以及1993年的美国丹佛国际机场候机大厅等。值得一提的是丹佛国际机场候机大厅屋顶由双层PTFE膜材组成,中心间隔600 mm,以保证大厅内温暖舒适并且不受飞机噪声的影响。同时该工程也被看作寒冷地区大型封闭张拉膜布局的胜利范例。

  1.2 膜布局的主要模式

  膜布局在工程实践中有种种应用模式,根据构造和受力特色,大致可分为以下几种类型:

  (1)充气膜布局,即薄膜的刚度由空气压力提供。一般两种模式:①以室内气压支承膜材的气承式膜布局。②充气于特定形状的封闭囊内,使之形成具备一定刚度的布局或构件的气肋状膜布局。

  (2)张拉式膜布局,其形状类似帐篷。它的布局形成机制与预应力索网类似,呈负高斯曲率的鞍形曲面形状,张紧在柔性或刚性的边缘构件上,还可利用桅杆或立柱提供独立的吊点;张拉式膜布局要通过一定的张拉手段建立预应力,使之具备必要的刚度。

  (3)骨架支承膜布局,膜材绷紧在刚性骨架上,刚性骨架是屋盖的主要承重布局,作为覆盖材质的膜材则是局部局限内的承重单元。

  (4)索弯顶,国外近几年来用得较多的“索弯顶”(Cable Dome) ,实际上是空间双层索系与覆面膜材的联合运用,形成一种高效的大跨度轻型屋盖布局模式,它是一种特殊模式的索一膜布局。布局型式有:张拉弯顶布局,张拉整体索弯顶布局。

  1.3 常用膜材

  当前业界比较常用的膜材也是PVC和PTFE这两种织物类膜材。其中,PVC膜材是非常早获得应用的,但因为PVC涂层中含有的增塑剂极易向表层迁移,而当该种物质与灰尘或其余污染物粘在一起时,很难用一般洁净剂除去,因此相对于PTFE膜材,PVC膜材的自洁性要差一些。而且PVC膜材的强度特性也比PTFE膜材稍差,因此PVC类膜材多用于临时性布局上。后来发现了PVDF(聚偏二氟乙烯)膜材,这种膜材就是为了改善PVC膜材的自洁性而在其外观涂敷了PVDF涂层。再加上这类膜材具备易加工,价格便宜的优点,因此现在国内的常见临时性膜布局大多接纳的是PVDF膜材。另外改变PVC膜材自洁性的做法还有在PVC外观粘贴含氟薄膜(如PVF)。这些方法都能改善PVC膜材质的自洁性,特别是在外观粘贴PVF薄膜(氟化乙烯)能大大改善膜材质的自洁性及抗老化性。

  因为我国国家游泳中间所使用的膜材是ETFE膜材,即乙烯一四氟乙烯共聚物。因此,这种膜材也就更多地进入人们的视线中。ETFE( Ethylene Tetra Fluoro Ethylene)是一种含氟高分子(fluoropolymer)热塑型( thermoplastic)材质。该种膜材与上述两种膜材非常大的区别之一是ETFE不属于织物类膜材,而且ETFE膜材的厚度通常小于0.20mm 。

  因为常被做成两层或三层的气垫式,且需要充气及控制设备,ETFE工程的造价折人民币达2 400元/m2 ~3 000元/m2。但因为ETFE膜材最轻,支承布局及基本工程的造价可以大大地节省。就整个名目而言,利用ETFE气垫作屋盖比较于利用传统通明材质如玻璃等,其投资节省可达40%一50% 。

  国际上非常早的ETFE工程已有20余年的汗青—1983年,由Foiltec公司建造的荷兰Amhiem公园里的一座建筑。而非常著名的ETFE膜布局建筑要数2001年3月对游人开放的英国伊甸园了。其建筑物覆盖的面积有2hm2之广,原先预计一年可达75万参观人次,结果才开幕8个月,参观人次就已经超过预期的两倍。新颖奇特的建筑造型以及其所接纳ETFE膜材所特有的美丽及迷幻与高科技共同打造了它的胜利。

  1.4 膜布局的机能特色

  因为高机能膜材的发现和计算机技术的飞速开展,使膜布局建筑具备明显的特色:

  (1)艺术、雅观: 膜布局以造型学、色彩学为依托,可结合自然及民族风情创意出曲线和造型,且造型优美、风格各异、飘逸自然,膜布局建筑溶技术、艺术、自然美于一体,每一座膜布局建筑都是一道亮丽的风景线,被誉为21世纪非常有代表性与充满前途的建筑模式。

  (2)透光、节能、环保、杭紫外线: 膜材具备优良的透光性,透光率为20%-95%,白天可以获得自然的漫射日光,节约大批照明能源,另外膜材具备反射光热作用,可以节省部分作用于空调的能源。

  (3)耐候性好,使用寿命长: 常用膜材以涂层聚脂织物纤维为主要材质,外观加上100%PVDP、涂层,物理机能可靠稳定,确保其使用寿命在20年以上。

  (4)自重轻、抗震机能佳: 膜材质自重仅为钢布局1/8,混凝土的1/40,可以建成大跨度的建筑。膜布局的预应力使其建筑膜材尺寸持久稳定,能够抵抗狂风、大雪、地震等。

  (5)防火、防潮、自洁: 膜材质外观经防护涂层处理后,不吸水、不受潮、抗磨损,防火阻燃,且落在膜材外观的灰尘可以靠雨水的自然冲洗达到自洁效果。

  (6)大跨度一无柱大空间: 膜布局从根本上克服传统布局在大跨度(无支撑)建筑上完成所遇到的困难,可建造出巨大、明亮、无遮挡的可视大空间。

  (7)经济性: 对于同等大小的建筑,如果接纳膜布局,其成本只相当于传统建筑的1/2或更小,特别是在建筑短期应用的大跨度建筑时更为合算。膜布局的主要制造在工场实现,现场组装工作量少,建筑工期为一般传统建筑工期的30%,大大缩短建造的时间,而且膜布局能够拆卸,「吉林膜结构」,易于搬迁。

  2、膜布局的设计现状

  2. 1 膜布局的设计过程

  因为索、膜等主要受力构件均为柔性材质,必须施加预应力,才能决定索膜布局不同的形状。因此,索膜建筑的设计,就是要把建筑功能、内外环境的协调、找形和布局传力体系分析、材质的选择与剪裁等集为一体,并借助于计算机的图形和多媒体技术进行统筹规划与方案设计,再用布局找形、体系内力分析与剪裁的软件,实现索与膜的下料与零件的加工图纸。设计一般分为三个步骤找出一个初始平衡形状(form-finding即找形);种种荷载组合下的力学分析以保证安全(analysis);裁剪制造(pat-teming) 。需要解决的主要问题有:保证膜面有足够的曲率,以得到较大的刚度和美学效果;细化支承布局,以充分表达通明的空间和轻巧的形状;简化膜与支承布局间的连接节点,降低现场施工量。

  (1)找形设计是索膜布局设计的重点和难点。所谓找形,就是根据膜材的特色和建筑师的要求,找出非常合理的空间形体。当前比较流行的找形方法有,力密度法、动力松弛法和非线性有限元法。

  (2)受力分析薄膜布局的受力分析一般是应用有限单元法计算布局在雪荷载、自重等外部荷载的作用下的反应。计算时要考虑几何非线性,可以忽略材质的物理非线性,用Newton- Raphson法来求解。在静力分析过程中,如果单元发现压应力,解决的主张一般是忽略该单元在布局分析中的作用,但是必须保证刚度矩阵不奇异,以便求解的顺利进行。

  与传统布局相比,薄膜布局的自重较小,柔度很大,自振频率很低,因此其静力和地震作用不起主导作用。而在风荷载的作用下布局极易产生风振现象,使膜材撕裂毁坏。因此,薄膜布局在风载下的动力特性是当前理论和试验钻研中的难点和热点之一。

  布局荷载分析的另一个目的是确定索、膜中初始顶张力的变化。在外荷载的作用下,薄膜中一个方向的应力增加,而另一个方向的应力减少。这就要求所施加的顶张应力,一方面要在外载的作用下膜中的应力不至于减少到零,发现褶皱;另一方面在非常不利荷载作用下,也不可以使膜材中的应力过大,使强度储备过小。因此,初始顶应力的确定要通过荷载计算来实现。同时还要考虑施工过程中产生的附加应力。

  (3)剪裁分析经由找形分析获得的膜布局几何外形通常为三维的不可展曲面,且呈空间曲面形状的薄膜布局非常终要由平面膜材来拼接;而工场生成的膜材幅宽有限,无法也不可能用一块薄膜材质形成膜布局的整个外观。因此薄膜布局的剪裁分析,就是将三维的薄膜布局尽可能精确地展开为平面膜材,·并且确定其剪裁线的问题。

  剪裁分析的结果要求:平面膜材拼接为曲面时,浪费的膜材质非常少;拼接后形成的曲面同找形分析获得的初始曲面相吻合,而且顶应力的偏差要小。这是薄膜切割加工时必须解决的问题。

  2.2 膜布局设计中存在的问题

  现在膜布局的设计有很多方法,但缺乏一套系统的理论,仍存在很多问题需要解决和钻研。比如膜建筑的隔振问题、内部环境问题、屋顶膜材的融雪问题、隔热问题、积灰问题等,还有应将现在的计算理论与计算机相结合并开辟相应的软件,钻研索膜布局的风振响应,解决索膜布局在设计和施工过程中发现的问题。

  裁剪分析过程中,「长春膜结构」,必须选定合适的裁剪式样并精确确定连接坐标,把膜材由空间的预应力状态还原为平面的无应力状态。而一般情况下这时所对应的布局的整体刚度趋于零。据此建立的非线性方程组将变为奇异方程组,这样获得的解可能是病态的。以是如何把膜材由预应力状态还原为无应力状态是进行膜布局裁剪分析中的关键技术,但这个问题至今还未获得很好的解决。

  因为裁剪分析与膜布局的形状、大小、曲率、材质机能等诸多因素有关,使得当前种种裁剪方法的应用均受到一定程度的限制。

  到当前为止以有限元法为非常优秀、非常遍及被接纳的裁减分析方法,计算理论都是以平面膜单元作为膜布局的计算模型。该方法是从刚性板壳大变形理论移植过来的。膜布局作为只能抗拉的软壳体是不适宜接纳这种平面单元的,其缺点是需要过多的平面内位移来满足平衡的要求,而实际情况是只需要一定的平面外和平面内的位移及曲率变化就可以了。其后果就是在后面要进行的内力计算时,代人真实材质常数后,因为前面找形获得的极小曲面与实际可能存在的膜布局形状的差距在视觉上可能不大,但对计算来说却是不能忽视的,因此计算很容易发散或发现皱褶。这也是其余方法的共同缺点,往往把这一连贯的过程区分成理想化的找形和实际验算两个阶段,也就不能保证找出的形状都能用真实的膜材建成等应力极小曲面。膜布局现有分析方法所遇到的这些困难,其主要原因是有限元法对有限元网格的依赖性,它们底子上都是因为有限元网格的存在而产生的。消除了网格也就避免了这些困难。因此,如何把无网格法引入膜布局的分析中是一个值得钻研的课题。

  2.3 膜布局的施工过程及存在的问题

  在膜布局中,膜材预张力是确保布局稳定与安全的一个重要因素。在施工现场为了获得设计的平衡状态和形状,在张拉膜片的过程中,必须把设计预定的膜张力精确地施加到膜材中。这就要求施工人员能随时测量、调整膜张力,避免发现应力松弛区域和应力集中区域,避免张力过大引起膜材撕裂。

  另外,膜布局中膜材的一个特性是其张力会随时间发生松弛。如果膜材发生松弛,就会导致膜面下垂,在风荷载作用下发生抖颤。当这种情况发生时,需要测量膜材中的实际应力,以确定松弛造成的膜张力减退,再根据测量结果施加、调整膜张力。第一个当代膜布局建成至今已有好几十年了,因此大批已建成的膜布局需要定期进行膜张力松弛检测。

  非常早依靠有经验的工人或工程师凭感觉来测量薄膜预张力,国内有一些膜布局公司可能还在接纳这一方法。为了使膜结组成为一种当代技术,有必要定量地评侧薄膜预张力。为此,日本、美国等国家的一些膜布局公司,相继提出了种种膜张力测量方法,研制了一些膜张力测量装置。

  2.4 膜布局尚待进一步钻研的方面

  膜布局还需要在如下方面进行钻研:

  (1)如果剪裁不准确,会造成膜布局的曲面不平整,从而影响受力机能,以是膜布局的剪裁设计和分析方法迄今依然是需要深入钻研的重要问题。

  (2)膜材经、纬两个方向的力学机能确实有一定差别,在膜布局分析中应考虑其正交异性特色。

  (3)膜布局自振频率较低,是风敏感性布局,因而钻研这类体系在风作用下的反应是膜布局设计中的重要问题。膜布局问题国内外钻研尚少,在很多方面底子上是空白,因而还需做大批的钻研工作。

  (4)将现在的分析理论与计算机图形学相结合,对索膜布局进行从初始形态确定、受力和裁剪的全过程跟踪分析,并开辟相应的计算软件。

  (5)解决索膜布局在设计和施工过程中发现的问题,为索膜布局的应用和开展提供理论依据。

  3、膜布局的应用前景

  膜布局造型新颖、重量轻,具备广阔的开展前景,同时现在天下各国在大力提倡建设绿色建筑,这将膜布局带入了第二个“春天”。由于膜布局的张力很强,在较大的距离内都不需要钢铁的支撑,以是这就能节省许多材质。现在研制了一种绝热的内衬,叫做通明隔热层。将这个隔热层置于布中,就能达到很好的保温效果,只要能将保温工作做好,那么用来烧暖气的燃料自然就减少了,这也就达到了节能的要求。

  展望索膜布局的应用前景是十分令人鼓舞的,其作为21世纪非常具前途的建筑布局型式之一,不仅可作为标志性的建筑场馆,同时也可以广泛应用于工农业生成和日常生活中,为创造和改善人类的生活环境发挥其应有的潜力。

  4 结语

  膜布局造型新颖、重量轻,比其余布局模式更容易完成大跨度、无遮拦的空间,但同时它属于柔性布局,受风、雨、雪等外荷载的影响比较大,变形大,采取更合理的施工手段变得越来越重要。另外,「白山膜结构」,如何保证布局的非常终成形与设计相一致,除了在设计时更仔细,各部门配合更一致外,还要有一定的检测手段来保证。造型轻盈别致、抗震及其余力学机能优越以及具备绿色环保等优点的膜布局在洗尽铅华,真实还原被人们放大或者缩小了的优缺点之后,一定会迎来属于它自己的一片天空。

此文关键字:「,四平,膜,结构,」,布局,的,设计,现状,与,膜,

同类文章排行

最新资讯文章

您的浏览历史

    正在加载...