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      膜結構建筑體系及適用性研究

      發布時間:2019年11月23日 點擊數:1883

      0 引言

      近年來,科技不斷發展,復合材料工藝不斷進步,膜材料具有輕質、高強度、強透光性、強柔性張力、易于施工及易回收等優點,在現有的建筑體系中嶄露頭角并已組成膜結構建筑體系。隨著膜結構的普遍應用,關于膜結構越來越多的問題也得到了人們的關注。

      膜結構與傳統建筑結構存在較大差異,主要在材料、結構、造型等方面。膜材料的差異導致了透明度、強度、防火性能等差異,膜結構的不同會影響支撐強度及形變量等,這些問題都會影響膜結構的適用范圍。文章針對膜材料及膜結構的不同,進行膜結構的適用性分析,有利于膜結構更好的應用。

      1 膜結構及其特性分析

      1.1 膜材料的分類

      1.1.1 膜材組成

      (1)織物膜材:(1)涂層織物膜材的組成主要是涂層、纖維基布、膠粘劑及表面涂層等。主要有聚酯纖維基布PVC涂層膜(PVC/PES)、玻璃纖維基布Silicone涂層膜、玻璃纖維基布PVC涂層膜(PTFE/GF)、PBO纖維基布PVF涂層膜及聚酯纖維基布Silicone涂層膜等類型。(2)非涂層織物膜材主要包括棉質纖維膜、氟化物織物及金屬織物。

      (2)非織物膜材:主要指以EPFE薄膜、THV/FEP薄膜及PVC薄膜等為代表的熱塑性化合物薄膜。

      1.1.2 防火性能

      A類膜材:涂層為PTFE、基布為玻璃纖維,不燃;B類膜材:涂層為聚乙烯基類、基布為乙烯-四氟乙烯共聚物或者玻璃纖維,可燃但不會燒穿,B1、DIN4120防火等級標準;C類膜材:涂層為聚氯乙烯,基布為聚酯纖維,可燃但不蔓延。

      1.1.3 工程應用膜材

      (1)PVC膜材:多用于臨時性或半永久性建筑,耐久能力和自潔性較差,解決此問題需要靠TiO2或PVDF涂層。

      (2)PTFE和ETFE膜材:自潔性和耐久能力較好,使膜結構走向永久性建筑,應用更加廣泛。

      1.2 膜結構分類

      (1)骨架式膜結構:骨架的組成部分為鋼材和木材,上方的膜材主要起覆蓋作用,局部范圍內發揮張拉作用,受骨架的約束,不易變形,風振效應相對較小。

      (2)張拉式膜結構:拉索將膜材料張拉于結構上,膜面可以承擔起覆蓋建筑物的作用。這種結構形式下膜面本身也是受力體系的組成部分,結構受力體系由膜材壓桿拉索共同構成,結構變形大,風振效應較明顯。

      (3)充氣式膜結構:(1)氣承式膜結構:直接用單層薄膜作為屋面和外墻,借助送風系統使室內氣壓大于外界氣壓,從而產生氣壓差來抵抗外力。(2)氣肋(囊)式膜結構:拱形膜肋通過充氣可具支撐能力作為氣肋(囊)式膜結構的骨架,屋面體系則由骨架和膜材共同形成。

      (4)索桁架膜結構:由索桁架與膜復合而成,索桁架本身就是一種獨立的建筑結構體系,完整且穩定,有足夠的剛度。

      (5)張拉整體與索穹頂膜結構:是一種有自穩定性的閉合結構體系。在一定空間內,經連續拉力桿按特定幾何拓撲關系組成,有較大剛度和穩定性。

      1.3 膜材料的特性分析

      (1)PVC(聚氯乙烯):彈性大,徐變大,強度低,柔韌性能好,可卷折,有良好的抗震性能,受光照影響較大,不易清洗,結構受力不理想。

      (2)PVDF(聚二氟乙烯):比PVC使用期限多7~10年,耐火性合格,可實現較大程度跨越。

      (3)PVF(聚偏氟乙烯):更耐用,防沾污,但防火性、加工性、施工性不佳,100°以下幾乎不溶于任何溶劑。

      (4)PTFE(聚四氟乙烯):適宜溫度范圍為-70~230℃,具有極好的耐久、防火及防污特性;樹脂含量大于90%,在拉伸強度上,與鋼材相似;光學性能好,耐老化,但成本高且柔軟性差。

      (5)ETFE(乙烯—聚四氟乙烯共聚物):能在-200~150℃的溫度中長期使用,高抗污,易清洗,延展性、耐火性好,質量輕,可循環使用,有較強的耐腐蝕性,且可強力附著在金屬表面,克服了PTFE不黏合金屬的缺陷,是金屬的理想復合材料;因其耐負壓極為優良,在建筑中常常以氣墊的形式被采用,并監控補充氣壓保證效果良好;光學性能極好,不易被外界環境影響。

      2 膜結構建筑適用性分析

      2.1 膜結構形式的建筑適用性分析

      (1)骨架式膜結構十分穩定,一般暴露于膜內測,膜的強透光性也消除了關于視覺效果不佳的問題,同時,這樣的結構形式更簡單有效地減小膜面曲率。平緩膜面,增加水平方向上的預張力,對骨架的布置、形式、結構、節點的設計要求較高,適用于居住建筑。

      (2)張拉式膜結構、膜曲面起重要結構作用,可充分發揮張力膜特點,造型豐富,可提供良好的建筑標志形成獨特的視覺效果,多用于開敞式建筑。但受力計算復雜,材料找形安裝與制作都較為困難。

      (3)充氣式膜結構自重小,使用鋼材少,但遭遇自然災害后易使膜不穩定造成膜漏氣、氣壓控制系統不穩定與屋面下癟;與ETFE膜結合可使膜更具穩定性,但成本及后期維護所需費用較高,所需建筑智能化水平較高。

      (4)索桁架膜結構與其他結構膜相比,體系更加完整穩定,可承受更強大的壓力,可獨立于膜存在,性能更好,綜合造價更低,跨度更廣,使其內空間更加簡潔,且對安裝誤差不敏感,適用于半封閉建筑屋頂。

      2.2 單層膜結構建筑適用性分析

      單層膜具有一定的透光性,且易于施工更替,更加輕便,大大減少了支撐結構的重量與體積,利于回收利用,符合當代舒適、綠色節能的要求。

      (1)特點:質地柔軟、透氣性良好、造價低、耐久性好。此外單層PVC膜結構透光率較小但采光均勻,易施工且色彩豐富;其實惠的造價與簡便的施工使其適用于臨時性建筑,便于安置與拆卸。但是可使用時間較短,各項功能隨時間推移逐步弱化。

      (2)PTFE膜耐久性極高,可用作永久性建筑的材料,同時透光性良好,為均勻漫射光,在一定程度上可以阻擋紫外線,但膜結構表皮材料易產生褶皺較難恢復原狀,在一定程度上影響建筑物美觀,因此在施工過程中有一定的局限性,適用于中、大型建筑,具有一定的透氣性,但不適用于充氣式膜結構建筑。

      (3)ETFE膜耐久性良好,可用作永久性建筑的材料,其透光性與玻璃相似,可作為玻璃替代品,但透光性極高易造成眩光,容易受紫外線破壞,可與其他膜同時使用來達到遮光效果;ETFE膜易于回收利用,是良好的綠色節能材料,但需要持續充氣保持特定壓力,維護費用較高,且加工較難。

      2.3 改良提升膜結構

      2.3.1 膜結構保溫隔熱性能的改善

      我們常用雙層膜結構進行保溫隔熱。但雙層膜結構或涂覆low-e涂層的膜結構并不適用于對保溫隔熱要求嚴苛的建筑。因此,改善其保溫隔熱性能,往往需要減少光線和熱量輸出,故可將多層膜進行疊加降低透光率以達到理想效果;另外,在夏熱冬冷時,可將反射性涂層涂抹在膜表皮。有些建筑對透光性要求較高,不適合以上兩種方法。為解決此類問題,可采用透光保溫材料,既可改善膜結構的保溫隔熱性能,又不影響建筑物的透光效果。

      2.3.2 對膜結構遮陽及透光的改進

      PVC膜及PTFE膜一般無需處理。ETFE膜分為透明和白色兩種。透明ETFE膜一般要進行鍍膜或印刷的表面處理以避免眩光及紫外線照射,且可產生良好的視覺效果及豐富的色彩。另外,ETFE膜一般以氣囊式充氣膜的形式運用于建筑。改良后的ETFE膜材料可解決采光不足和光線過強對室內所產生的影響。

      2.3.3 對膜結構聲學性能的改善

      主要對隔聲性能及吸聲性能的改善。隔聲性能的改善主要是使用雙層膜或與隔聲材料配合使用,適用于對隔聲要求不高的場所,不適用專業聲音場所。打孔處理膜材是改善吸聲性能的主要方式,這種處理方式的膜材大多采用ETFE膜,將其打孔可用于雙層膜內表面,或者使用一些吸聲材料以改善吸聲性能,用于對室內聲學有一定要求但沒有嚴苛要求的場所。

      2.4 膜結構建筑適用性展望

      2.4.1 膜結構適用于建筑屋頂或庭院覆蓋

      膜材料具有強透光性、膜面分子密度小、易于回收等特點,故在某些建筑物的運用上可替代玻璃。建筑屋頂影響建筑物保溫性能,在膜材料與玻璃保溫性能相近的前提下,不同型號不同材料的膜,運用不同形式可滿足建筑對采光照度與光線的不同需求。另外,膜結構的輕質和施工便利特點,使對庭院封閉處理的應用更為合理。

      2.4.2 膜結構適用于臨時性建筑及需要移動的建筑

      膜結構易于施工、回收,因此在臨時性建筑應用方面極具優勢。憑借其良好的施工性能及極小的面密度,膜結構也可應用于可移動建筑。用膜結構設計可移動建筑的優點在于節省人力物力,有很強的靈活性。

      2.4.3 膜結構適用于大跨度或高層建筑

      因其極小的面密度和較高的透光率,現階段大跨度建筑運用膜材料較多,而高層建筑因膜表皮的柔性易受風力影響而難以適用。但未來隨著各方面發展,膜材料可在更具特點柔性的高層建筑形態中使用,膜結構除了為人熟知的強性變形,還可以變柔為剛,且其極輕的質量十分適用于高層建筑。

      2.4.4 膜結構適用于居住建筑

      各種膜結構可與居住建筑結合以拓寬用途。與傳統的剛性建筑體系不同,膜結構是一種獨特的柔性張力體系。在某些情況下,膜結構需要與其他建筑結構形式復合使用。同樣,膜材料也要與其他建筑材料一起使用以達到最大程度體現各自優勢的效果。比如:將不透明膜材料和保溫材料一起運用于建筑,不僅可以達到保溫效果還可以隔絕外界光線和視線。膜結構用作建筑墻體部件的研究,拓寬了輕質外墻結構設計范圍,但如何更合理、經濟美觀地將膜結構運用于建筑還有待研究。

      3 結語

      結合國內外相關研究現狀,從膜材料和膜結構兩方面,對膜結構建筑體系進行較為詳細的論述;針對不同的膜結構形式和膜結構建筑,進行利弊分析并闡述實用性;根據膜結構的缺點提出改進措施,展望了膜結構的適用性和運用的合理性,展示了膜結構在將來建筑體系中的優越地位。

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