氣膜建筑結(jié)構(gòu)及設(shè)計與發(fā)展(2013-6-8)

1、氣膜結(jié)構(gòu)建筑形式的設(shè)計與發(fā)展作者 焦亮有一大類建筑形式是應(yīng)用氣體沖壓進入一個柔性的封閉材料里，使其成為堅硬和穩(wěn)定的建筑結(jié)構(gòu)，一般這種形式都歸屬于“沖壓氣膜建筑結(jié)構(gòu)”。如：單層的或是氣球一樣的結(jié)構(gòu)里面充滿氣體并始終保持與外部環(huán)境微量的壓力差，這種建筑結(jié)構(gòu)一般稱為氣承式膜結(jié)構(gòu)。雙層膜組成的如管柱式或小隔室組成的不同形狀承壓的膜結(jié)構(gòu)形式，(一般應(yīng)用空間是不承壓的)通常叫做氣肋式膜結(jié)構(gòu)。這篇文章主要討論單層式的氣承式膜結(jié)構(gòu)， 這種結(jié)構(gòu)包換四個基本組成部分：圍護結(jié)構(gòu)、錨固結(jié)構(gòu)、充氣裝置、建筑用門（圖1）。這些組件的選擇和配備應(yīng)嚴格符合設(shè)計標準，只有這樣才能保證運營和操作的安全性。Figure 1. Ty

2、pical single-wall air-supported structure氣膜建筑的發(fā)展史1917年英格蘭人F. W. Lanchester首選申請了氣膜建筑的一個專利1946年美國空軍需要一種新式裝備在北極區(qū)應(yīng)用于雷達天線罩。航空專家Walter Bird帶領(lǐng)他的團隊設(shè)計、建造了并成功實驗出樣品，這種被稱作氣膜式雷達天線罩。到1954年上百個這種雷達天線罩分布在美國和加拿大。十年之后1956年初，Walter Bird和他的一些同事成立了一個加工公司專門促進氣膜建筑的研發(fā)和商業(yè)應(yīng)用。隨著其他競爭對手的加入，一個新的工業(yè)協(xié)會在美國成立了，他就是ASMSA（氣膜建筑加工和應(yīng)用協(xié)會），這個

3、協(xié)會隨后促進并編寫了第一個氣膜建筑的行業(yè)標準。氣膜建筑的主要應(yīng)用由于重量的原因氣膜建筑是最高效的建筑結(jié)構(gòu)形式之一，不僅僅是建造成本低廉，而且由于柔性材料的巨大張力決定了氣膜建筑建設(shè)周期的快捷性。但是氣膜建筑也有自己的弱點，如必須保證充氣裝置的24小時電源連通性，人員和貨物進出必須通過一套氣鎖門才能進出；建筑膜材的壽命只有30年，短于一般建筑材料。大跨度建筑體系中只有氣膜建筑能夠?qū)崿F(xiàn)無梁無柱完全純凈空跨度達到180米。完全依靠氣壓支撐不需要柱和梁作輔助支撐，這種結(jié)構(gòu)可以達到超常的高度。在美國馬薩諸塞州安多弗、緬因州都有高度超過16層樓高的氣膜建筑結(jié)構(gòu)。氣承式膜結(jié)構(gòu)建筑除了應(yīng)用于天線的圍護結(jié)構(gòu)(天

4、線罩)、臨時的倉庫、就地儲存庫、物料遮蓋倉庫、建筑的圍護結(jié)構(gòu)、游泳館以及其他體育娛樂館、展覽館、室內(nèi)避難場所等。這些應(yīng)用一般都是應(yīng)用了氣承式膜結(jié)構(gòu)的基本特性，便攜式、可移動和速度快和拆解容易。氣承式膜結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)外形和設(shè)計外形必須清楚認識到氣膜建筑外形的局限性。氣膜建筑外部結(jié)構(gòu)的每一個點的受力須保持均衡，這樣才能保證氣膜建筑在外部荷載的作用下不會發(fā)生跨塌。如果這些條件在設(shè)計和構(gòu)造過程中無法滿足的情況下，氣承式膜結(jié)構(gòu)體上會出現(xiàn)皺褶，整體會變形直致新的建筑平衡實現(xiàn)。建筑結(jié)構(gòu)的變形不僅僅是建筑外形難看這么簡單，更重要的是應(yīng)力集中（stress concentrations）現(xiàn)象的發(fā)生會直接導(dǎo)致氣膜建

5、筑圍護結(jié)構(gòu)的破裂和解體。最常見的氣承式膜結(jié)構(gòu)的外形是半球體或者半圓柱體兩邊是四分之一球體。其實只要建筑主體依同一軸線設(shè)計氣承式膜結(jié)構(gòu)建筑可以適用于任何形狀。結(jié)構(gòu)氣承式膜結(jié)構(gòu)的圍護體上所承受的核載主要有內(nèi)部充氣壓力和風(fēng)壓(空氣動力)核載。產(chǎn)生在圍護結(jié)構(gòu)體上的壓力梯度變化主要依據(jù)煙囪效應(yīng)進行分布。但是這種現(xiàn)象只發(fā)生在寒冷冬季里氣承式膜結(jié)構(gòu)體室內(nèi)部溫度很高的情形下。很多氣承式膜結(jié)構(gòu)都是依照能滿足最嚴酷的環(huán)境條件進行設(shè)計的，設(shè)計容余指標都需要設(shè)定很高才能保證五十年以上風(fēng)核載作用下氣膜建筑安全運營。為了保證建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性和安全性，需要進行更精確的應(yīng)力分析。膜體的應(yīng)力分布情況需要借助風(fēng)洞實驗來測試不同點

6、的壓力變化，試驗出適用于不同形狀下的膜材指標。美國人已在1964到1969年已在風(fēng)洞中有了相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)，我們可以直接引用。應(yīng)力值直接反映出風(fēng)核載。所選擇的膜材一定要適應(yīng)設(shè)計的應(yīng)力值，其他指標也要滿足建筑結(jié)構(gòu)的需求，比如：膜材受力強度的一致性、耐溫性、拉伸強度、應(yīng)力變化范圍和抗撕裂強度等。這部分指標一般膜材的生產(chǎn)廠家會提供。氣承式膜結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定因素有，偏轉(zhuǎn)、擺動等帶來的氣膜建筑整體的移動，解決這方面的問題需要了解膜材的孔隙變化和圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)部壓力之間的關(guān)系。通過試驗提示出當(dāng)內(nèi)部壓力等于或大于動態(tài)或風(fēng)駐點的風(fēng)壓時，整體結(jié)構(gòu)就會表現(xiàn)出高度的穩(wěn)定性和抗偏轉(zhuǎn)能力。材料膜材的指標高低決定了氣承式膜結(jié)構(gòu)建

7、筑質(zhì)量的好壞。膜材的某些指標必須滿足氣膜建筑30年跨度的要求這些指標包括：經(jīng)緯度的拉力系數(shù)、撕裂強度、涂層的耐老化程度、耐溫性、包括紫外線的反射率、耐磨性和長時間暴露在環(huán)境中的物理特性、膜材的焊接強度、耐火實驗確定的指標、透光性等。充氣裝置氣膜建筑只需要很小的壓力就可以支持整個建筑系統(tǒng)。大約一英寸的水柱的壓力或0.036P.s.i即可。為了表現(xiàn)出其的壓力值，當(dāng)人臉感覺到有風(fēng)吹到臉上時，就有大約30英寸水柱壓力吹出來。汽車輪胎有800英寸水柱的壓力。只有當(dāng)人打開進入氣膜建筑的門時才能感覺到氣膜建筑里面的壓力。充氣壓力越大，氣膜建筑的就越穩(wěn)定抗風(fēng)能力也越強。實際上，氣膜建筑所需要壓力是根據(jù)風(fēng)壓和風(fēng)

8、速來設(shè)計的。基于廣泛的風(fēng)洞試驗，根據(jù)ASMSA的標準最小的充氣壓力值50%的動態(tài)風(fēng)壓。美國的標準是需要抵抗60-70MPH的風(fēng)速（壓差為1英寸水柱）。加拿大的國家標準要求氣壓要抵抗當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)速。因而不同地點的氣膜建筑所需要的風(fēng)壓可能是不同的。風(fēng)機的容量應(yīng)當(dāng)按以下標準設(shè)計1、 估計整個建筑的漏氣量。包括圈梁、門洞和出風(fēng)口（一般為1英寸水柱下，圈梁的漏氣量為10 cuft/min per，門的漏氣量為200 cuft/min per、通風(fēng)口的漏氣量為2400 x A cfm：A是所有通風(fēng)口的平方英尺。2、 一個人需要30 cuft/min 的新風(fēng)量3、 需要的通風(fēng)次數(shù)是依設(shè)計要求進行的初始的充氣量依據(jù)風(fēng)機的提供人的數(shù)量確定的，一個人大約需要30平方英尺。還需要考慮門和風(fēng)口的數(shù)量以及漏氣量。一般風(fēng)機的容量配置還要比測算的數(shù)量超一倍才能保證建筑的安全。另外需要設(shè)置兩套一樣的風(fēng)機，一用一備，當(dāng)其中一臺風(fēng)機發(fā)生故障