ETFE 充氣膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與特征_圖文

1、 狀態(tài)。但若是接收到新的信號，系統(tǒng)會再次重啟工 作保證結(jié)構(gòu)的安全。 4）積雪時的內(nèi)壓控制 當(dāng)測雪計(jì)監(jiān)測到積雪達(dá)到一定程度時，就會發(fā) 出信號，啟動積雪時的工作狀態(tài)。 啟動系統(tǒng) 當(dāng)氣枕受到雪荷載作用時，體積會減小同時內(nèi) 壓上升。要注意的是，當(dāng)積雪荷載超出設(shè)計(jì)荷載， 氣枕內(nèi)壓會異常上升。此時若打開排氣閥，很可能 因?yàn)榕艢饨祲簩?dǎo)致氣枕塌陷。為避免這種情況，程 序在積雪控制工作狀態(tài)時不對內(nèi)壓上升進(jìn)行響應(yīng)。 NO 強(qiáng)風(fēng)信號 YES 強(qiáng)風(fēng)時內(nèi)壓控 強(qiáng)風(fēng) 制程序 強(qiáng)風(fēng)結(jié)束 YES NO NO 積雪信號 YES 積雪時內(nèi)壓 積雪 控制程序 積雪消除 YES NO 常時內(nèi)壓控制程序 YES 圖 4 控制系統(tǒng)基本工

2、作流程 Fig.4 Basic workflow of operating system 2.3.2. 充氣管道的配管設(shè)計(jì) 充氣管道配管設(shè)計(jì)包括線路布置和材料選擇兩 部分。線路布置應(yīng)盡可能使用直線。材料上應(yīng)優(yōu)選 壓力損失最小的材料。 配管設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮安全性、 易維護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性這幾個指標(biāo)。配管設(shè)計(jì)分為并聯(lián) 配管和串聯(lián)配管兩種基本形式， 兩者可以復(fù)合使用。 串聯(lián)配管與并聯(lián)配管相比，管件用量少。但氣 枕的內(nèi)壓與其在體系中的位置有關(guān)系，例如氣枕離 主管的遠(yuǎn)近。并聯(lián)配管可以保證氣枕之間的內(nèi)壓的 平衡和相互獨(dú)立性。但是并聯(lián)配管必須給每個氣枕 配置內(nèi)壓監(jiān)測儀和閥門， 這對成本有著極大的影響。 在選擇配管是

3、串聯(lián)還是并聯(lián)的時候，需要考慮 到有氣枕損壞或者凹陷的可能。 如果采用串聯(lián)配管， 當(dāng)其中一個氣枕損壞，那所有與其相連的氣枕均會 凹陷，因?yàn)槠溆鄽庹淼目諝鈺倪@個損壞的氣枕泄 漏出去。若采用并聯(lián)配管損失就會小得多了，只需 要將配置在這個氣枕上的閥門關(guān)閉就可以了。但隨 著氣枕數(shù)目的增加，并聯(lián)配管的成本會不斷上升。 所以無論采用哪種配管方式，都需要考慮和制定一 個周密的計(jì)劃， 將氣枕損壞造成的損失降低到最小。 一般采用一個閥門來對多個氣枕進(jìn)行壓力控制 的時候，氣枕數(shù)目不宜超過 5 個且氣枕總的面積不 超過 150 平米。 一定體積的空氣在導(dǎo)管中流動時就會產(chǎn)生壓力 損失。壓力損失的大小取決于充氣管的屬性

4、，例如 長度、表面粗糙度、彎頭形式和數(shù)量、充氣管橫截 面的變化程度，以及空氣在管中的流速。 可以采用下面的公式來計(jì)算壓力損失： P = 式中 V2 2g (10 P-壓力損失（mmAq） Q-風(fēng)量（m3/min） A-管橫截面積（m2） V-流速（m/s）(V=Q/60A -氣密度（kg/m ） 3 G-重力加速度（9.8m/s2） 200C 時空氣密度 1.2kg/m3 -管固有損失系數(shù) 2.3.3. 送風(fēng)機(jī)的選擇 送風(fēng)機(jī)在控制系統(tǒng)成本組成中占有較大的比 重，對整個結(jié)構(gòu)的建設(shè)成本和維護(hù)成本都有較大的 影響。送風(fēng)機(jī)的選擇，需要根據(jù)壓力損失和必要送 風(fēng)量兩個指標(biāo)來選擇。 目前市面可以選擇的送風(fēng)機(jī)

5、，主要有離心式風(fēng) 機(jī)、渦輪風(fēng)機(jī)、多級風(fēng)機(jī)等等。在選擇送風(fēng)機(jī)時， 要關(guān)注風(fēng)機(jī)的機(jī)外靜壓這一指標(biāo)，這是決定風(fēng)機(jī)送 6 風(fēng)能力的一個關(guān)鍵指標(biāo)，數(shù)值遠(yuǎn)大，送風(fēng)能力越佳。 每一個 ETFE 氣枕外周都是通過熱合焊接，將 兩張或多張 ETFE 膜片復(fù)合在一起的，所以氣密性 很好，氣體的滲漏很少。在設(shè)計(jì)時，可以取泄漏量 為 0.15m /h/m （展開面積）進(jìn)行計(jì)算（根據(jù)上海太 陽膜結(jié)構(gòu)有限公司進(jìn)行的一次六邊形氣枕泄漏量試 驗(yàn)，泄漏量測定一般在 0.05m3/h/m2 左右） 。 算例：計(jì)算 5 個氣枕的氣體泄漏量，每個氣枕 的為水平投影面積為 50m 。 50m（水平投影面積） × 2 （表+里

6、） ×0.15×5 （氣 枕數(shù)）=75m /h=1.25m /min 2.3.4. 導(dǎo)管和配件的選擇 送風(fēng)導(dǎo)管應(yīng)該選擇在工作壓力時變形小、氣體 泄漏量少的導(dǎo)管。還應(yīng)根據(jù)運(yùn)行荷載、外荷載、環(huán) 境來選擇合適的形狀和材質(zhì)。ETFE 氣枕在受到風(fēng) 荷載作用或充氣時都會發(fā)生一定的位移，所以在靠 近氣枕一端應(yīng)選擇能夠跟隨膜面位移的軟導(dǎo)管。 除導(dǎo)管之外的配件，還有電動閥門、排風(fēng)口、 送風(fēng)口等等。閥門可以選擇能自動運(yùn)作的電動閥或 電磁閥。為防止電力中斷，電動閥門最好有彈簧復(fù) 位功能，當(dāng)電力中斷時能自動關(guān)閉閥門。 2.3.5. 壓力調(diào)整裝置 壓力調(diào)整裝置包括風(fēng)速計(jì)、積雪計(jì)、微差壓傳 感器（用

7、于監(jiān)測氣枕內(nèi)壓變化）以及控制臺（用于 操控電動閥門的開關(guān)） 。 風(fēng)速計(jì)應(yīng)該安放在能夠確保正確探測到風(fēng)速的 位置。對于規(guī)模較大、建筑立面復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或者其 他特殊場合，需要設(shè)置多個風(fēng)速計(jì)。積雪計(jì)的設(shè)置 要求同風(fēng)速計(jì)（如果假定積雪會長期殘留在氣枕上 時，則需要給程序設(shè)定一個區(qū)間值，讓控制程序能 自行判斷是否需要降低氣枕內(nèi)壓） 。 連接氣枕與微差壓傳感器的壓力導(dǎo)管要盡可能 的短。若用一個微差壓傳感器來監(jiān)測多個氣枕的內(nèi) 壓，傳導(dǎo)到傳感器的壓力值實(shí)際為這些氣枕的平均 內(nèi)壓， 此時連接這些氣枕的導(dǎo)管總長不應(yīng)超過 50m。 為了保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，要配置兩組相同 規(guī)格的送風(fēng)機(jī)，其中一組備用。兩組設(shè)備間隔使用

8、 能延長設(shè)備的使用壽命。 2.3.6. 備用設(shè)備及保障對策 從運(yùn)行角度考慮，如果發(fā)生停電時，最好能有 一套緊急發(fā)電裝置保持系統(tǒng)工作。這樣初期投入成 3 3 2 2 3 2 本會較高， 因此應(yīng)根據(jù)功能性和必要性來綜合考慮。 除此之外，還可以通過以下的措施來保障整個 結(jié)構(gòu)的安全和使用功能： 1 內(nèi)壓的降低會導(dǎo)致氣枕凹陷和積水，在設(shè)計(jì)階 段的時候，對氣枕上層膜坡度應(yīng)控制在至少 5o 以上，最好是 10o 以上。 2 在送風(fēng)機(jī)出氣口處設(shè)置一個止回閥，這樣至少 能保證在充氣過程中發(fā)生突然停電，導(dǎo)致電動 閥門無法關(guān)閉，這時止回閥能夠防止氣體回 流，防止氣枕內(nèi)壓的快速下降。 3 設(shè)置兩組或多組送風(fēng)機(jī)，當(dāng)一組

9、送風(fēng)機(jī)無法工 作時，其他的機(jī)組可以替代。 對具體工程還可結(jié)合建筑物的形狀、坡度來具 體制定更多的保障性措施。 2.3.7. 其他注意事項(xiàng) 在 ETFE 充氣膜結(jié)構(gòu)的使用過程中，還應(yīng)考慮 防結(jié)露，防塵，防浸等措施。相應(yīng)的對策分述如下。 1 內(nèi)部結(jié)露： 在多霧或者平均相對濕度大于 75% 以上的地區(qū)，會在 ETFE 氣枕內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn) 象。應(yīng)該在送風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口處連接一臺除濕機(jī)， 來保證充入氣枕的氣體是干燥的。推薦采用處 理風(fēng)量大的干式除濕機(jī)。外部空氣的濕度由濕 度計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，大于設(shè)定值就啟動除濕機(jī)。 2 3 防塵措施： 在送風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口設(shè)置過濾器可以有 效防止灰塵或者外部異物進(jìn)入。 防浸措施： 對于需

10、要考慮某些情況導(dǎo)致水流滲 入的氣枕，可以在下層膜底部根據(jù)需要設(shè)置一 個易于操作的排水旋塞。 2.4 裁剪分析 裁剪分析就是將在一定預(yù)張力及內(nèi)壓作用下的 空間曲面，在平面上展開，再進(jìn)行拼接的過程。當(dāng) 膜面為不可展曲面時，需要采用特定算法和準(zhǔn)則展 開為近似平面。 裁剪設(shè)計(jì)主要分為確定裁剪模型，選擇裁剪方 法，膜裁切線布置，確認(rèn)膜面的應(yīng)變補(bǔ)償值，裁剪 作業(yè)，裁剪片排版等幾個步驟。 由于計(jì)算機(jī)模型是用三角網(wǎng)格來模擬光滑的膜 面，因此對于裁剪模型的網(wǎng)格劃分精度一般而言至 少應(yīng)為 8×8，同時網(wǎng)格邊長應(yīng)小于 250mm。 一般常用的裁剪方法為測地線法、 切面法1 35。 7 測地線法為曲面兩點(diǎn)間

11、距離最短的一條線。將測地 線作為膜裁切線，對于可展曲面而言，展開后的測 地線是直線。用測地線作為裁剪線可以使裁剪片幅 寬大致相等， 從而達(dá)到拼接簡單和減少損耗的目的。 目前測地線是裁剪設(shè)計(jì)中最常用的方法。 膜的裁切線一般而言宜與荷載下的最大主應(yīng)力 方向平行， 還要考慮膜拼接裁剪片之間的搭接強(qiáng)度， 制作的工藝性、經(jīng)濟(jì)性。除此之外，膜拼接焊縫的 布置應(yīng)結(jié)合建筑效果整體考慮， 保證布置的均勻性、 對稱性、韻律性，與建筑造型、韻律性協(xié)調(diào)統(tǒng)一。 相鄰膜片之間裁切線宜對縫， 保證視覺連續(xù)和整齊。 需要說明的是，ETFE 焊縫的連續(xù)性主要是針 對同一層膜面來說的，不同膜面之間的焊縫是有一 定的間距的。由于

12、ETFE 氣枕是由兩個以上的膜片 復(fù)合而成的，且 ETFE 膜片很薄，從氣密性考慮， 上下層膜片的焊縫應(yīng)該錯縫布置。而且從焊接性能 角度考慮，若上下層甚至中間層都在同一位置拼接 的話，焊縫處由于焊接硬化，在受外荷載作用時， 極易在焊縫接合處撕裂。所以不同層之間的焊縫按 構(gòu)造應(yīng)至少錯開 20mm。 現(xiàn)在主要的幾家 ETFE 充氣膜結(jié)構(gòu)工程廠商均 使用膜材裁剪的全自動化系統(tǒng)， 設(shè)定排版控制程序， 主電腦控制裁剪機(jī)， 實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到裁剪的無縫連接， 避免了人工排版可能出現(xiàn)的誤操作。 3 張其林. 索和膜結(jié)構(gòu) M. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社， 2002：86-142. ZHANG Qi-lin. Cable

13、-membrane structures M. Shanghai：Tongji University Press, 2002：86-142. 4 楊慶山，姜憶南. 張拉索-膜結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì) M. 北 京：科學(xué)出版社, 2004：29-133. YANG Qing-shan, JIANG Yi-nan. Analysis and design of tensioned cable-membrane structures M. Beijing： Science Press, 2004：29-133. 5 劉開國. 氣枕式 ETFE 膜結(jié)構(gòu)的找形分析J. 空間結(jié) 構(gòu)，2009，15(4: 53-59

14、. LIU Kai-guo. Form-finding analysis of ETFE cushions in membrane structures J. Spatial Structures, 2009，15(4: 53-59. 6 CECS158. 膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 S. 北京：中國計(jì)劃出版 社，2004. CECS158. Technical specification for membrane structures S. Beijing ：China Planning Press, 2004 7 陳務(wù)軍， 唐雅芳，趙大鵬. 建筑膜材力學(xué)性能與焊接縫 合性能試驗(yàn)研究 J. 空間結(jié)構(gòu)，2

15、007，14(3: 37-44. CHEN Wu-jun, TANG Ya-fang, ZHAO Da-peng. Experiments on the mechanical properties and the welded seam properties of architectural membranes J. Spatial Structures, 2007，14(3: 37-44. 3 結(jié)語 本文總結(jié)了可用于實(shí)際工程應(yīng)用的常規(guī) ETFE 充氣膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和基本過程。給出了常規(guī) ETFE 充氣膜結(jié)構(gòu)工程在工程實(shí)踐中膜材參數(shù)和強(qiáng) 度的確定方法，還有充氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體方法、步 驟和設(shè)計(jì)

16、依據(jù)。可供設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行常規(guī) ETFE 充 氣膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時作為參考。 8 吳明兒， 劉建明， 慕仝， 等. ETFE 薄膜單向拉伸性能 J. 建筑材料學(xué)報(bào)，2008，11（2） ：241-247. WU Ming-er, LIU Jian-ming, MU Tong, et al. Uniaxial tensile properties of ETFE foils J. Journal Of Building Materials, 2008，11（2） ：241-247. 9 YOHSINO T, SEGAWA S, ODA K. Material characteristics of ETF

17、E film under the bi-axial tension C/ Proceedings of Architectural Institute of Japan 2005： s.n., 2005, 156-157. 參考文獻(xiàn)（Reference） ： 1 陳務(wù)軍. 膜結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì) M. 北京： 建筑工業(yè)出版社， 2005：118-163. CHEN Wu-jun. Design of membrane structure engineering M. Beijing ： ChinaArchitecture and Building Press, 2005：118-163. 2 T. H

18、ERZOG, Pneumatic structures M. London： Crosby Lockwood Staples, 1977：9-23. 8 10 SETSU G, KAWABATA M, NISHIKAWA K, et al. Study on heat and pressure shaping of ETFE film pneumatic panel C/ Proceedings of Architectural Institute of Japan 2005：s.n., 2005, 929-930. 11 KAWABATA M, JEONG Eul-seok. Study on three dim