建筑結(jié)構(gòu)選型18-膜結(jié)構(gòu)

1、建筑結(jié)構(gòu)選型第18章 膜結(jié)構(gòu)8/30/20221李廣軍 1 概念 膜結(jié)構(gòu)(Membrane)是20世紀(jì)中期發(fā)展起來的一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式,是由多種高強(qiáng)薄膜材料(PVC或Teflon)及加強(qiáng)構(gòu)件(鋼架、鋼柱或鋼索)通過一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生一定的預(yù)張應(yīng)力以形成某種空間形狀,作為覆蓋結(jié)構(gòu),并能承受一定的外荷載作用的一種空間結(jié)構(gòu)形式. ，是依靠膜材自身的張拉力和特殊的幾何形狀而構(gòu)成的穩(wěn)定的承力體系。膜只能承受拉力而不能受壓和彎曲，其曲面穩(wěn)定性是依靠互反向的曲率來保障，因此需制作成凹凸的空間曲面，故習(xí)慣上又稱空間膜結(jié)構(gòu)。 8/30/20222李廣軍 2 膜結(jié)構(gòu)的分類 根據(jù)膜結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)受力特性大致可分為充

2、氣式膜結(jié)構(gòu)、張拉式膜結(jié)構(gòu)（Tension/Suspension membrane structure）、骨架式膜結(jié)構(gòu)（Frame membrane structure，Cable dome membrane structure）、組合式膜結(jié)構(gòu)（Compound membrane structure）等幾大類。8/30/20223李廣軍1、造型的藝術(shù)性。2、良好的自潔性。3、施工的快捷性。4、較好的經(jīng)濟(jì)性。5、 結(jié)構(gòu)自重輕，非常適合于建造大跨度空間結(jié)構(gòu)。 3 膜結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：8/30/20224李廣軍4 膜材介紹膜材料的組成和分類 膜材就是氟塑料表面涂層與織物布基按照特定的工藝粘合在一起的薄

3、膜材料。常用的氟素材料涂層有PTFE（聚四氟乙烯）、PVDF（聚偏氟乙烯）、PVC（聚氯乙烯）等。織物布基主要用聚酯長絲（滌綸PES）和玻璃纖維有兩種。8/30/20225李廣軍 膜結(jié)構(gòu)建筑中最常用的膜材料有PTFE（聚四氟乙烯）膜材料和PVDF（聚偏氟乙烯）膜材料兩種 。8/30/20226李廣軍 PTFE膜材料是指在極細(xì)的玻璃纖維編織成的基布上涂覆PTFE（聚四氟乙烯）而形成的復(fù)合材料。 8/30/20227李廣軍 PVDF膜材料是指在聚脂纖維編織的基布上涂覆PVC（聚氯乙烯）后再加100%PVDF（聚偏氟乙烯）表面涂層而形成的復(fù)合材料。8/30/20228李廣軍 膜材料的性質(zhì) ： 膜作為

4、繼木材、磚石、金屬、混凝土之后的第五代建筑結(jié)構(gòu)材料，具有顯著的自身特性。第一代木材和第三代鋼材拉壓性能均良好，第二代磚石和第四代混凝土則只具備良好的抗壓能力，作為第五代的膜材料則只能受拉，沒有承壓和抗彎曲能力，這是膜的最本質(zhì)的特征。8/30/20229李廣軍（1）拉伸性能 （2）撕裂強(qiáng)度 （3）正交異向性 （4）蠕變和松弛 （5）非力學(xué)性質(zhì) 具體地講，膜材的主要特征如下： 8/30/202210李廣軍5 施工工序 1.基礎(chǔ)及承重鋼構(gòu)工程 2.搭設(shè)腳手架 3.現(xiàn)場除銹打磨 8/30/202211李廣軍4.鋼結(jié)構(gòu)的拼裝 5.噴刷面漆 6.鋼構(gòu)件吊裝 7.膜材吊裝 8/30/202212李廣軍8.壓

5、膜邊 9.帽口固定 10.工程竣工 8/30/202213李廣軍6 與膜結(jié)合的結(jié)構(gòu)大致有下述幾類:純鋼拱形結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)主體加鋼拱混凝土主體結(jié)構(gòu)加鋼索混凝土主體結(jié)構(gòu)加鋼柱鋼索穹頂8/30/202214李廣軍7 膜 應(yīng) 用 領(lǐng) 域： 體育設(shè)施： 體育場、健身中心、游泳館、網(wǎng)球 館、 籃球館等。 商業(yè)設(shè)施： 商場、購物中心、大型會展場所、 餐廳、酒店（挑檐）等。 文化設(shè)施： 展覽中心、劇院、會議廳、博物館、植物園、水族館、音樂廣場等。 交通設(shè)施： 機(jī)場、火車站、公交車站、收費(fèi)站、碼頭、加油站、天橋連廊等。 工業(yè)設(shè)施： 工廠、倉庫、科研中心、處理中心、溫室、物流中心等。 景觀設(shè)施： 建筑入口、標(biāo)志性

6、建筑或景觀性小品、廣場休閑區(qū)、海濱娛樂休閑建筑、居住小區(qū)、游樂場、步行街、停車場、樓宇屋頂改造更新等。8/30/202215李廣軍膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用實(shí)景（1）收費(fèi)站天棚類 8/30/202216李廣軍（2）運(yùn)動場館體育看臺類 8/30/202217李廣軍（3）停車棚類 8/30/202218李廣軍（4）建筑入口類 8/30/202219李廣軍（5）景觀小品類8/30/202220李廣軍（6）室內(nèi)張拉膜 8/30/202221李廣軍（7）屋面、舞臺、劇場 8/30/202222李廣軍（8）充氣膜結(jié)構(gòu) 8/30/202223李廣軍（9）其他應(yīng)用實(shí)景一覽 8/30/202224李廣軍 膜結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中最新

7、發(fā)展起來的一種形式，它以性能優(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(jié)構(gòu)將面繃緊，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結(jié)構(gòu)體系。 自從上世紀(jì)七十年代以來，膜結(jié)構(gòu)在國外已逐漸應(yīng)用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務(wù)設(shè)施等大跨度建筑中。膜結(jié)構(gòu)已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計選型中的一個主要方案。8/30/202225李廣軍一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)形狀多樣自重輕抗震性好跨度大充分利用自然光節(jié)能自潔性施工快8/30/202226李廣軍二、膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域文化設(shè)施展覽中心、劇場、博物館等 體育設(shè)施體育館、游泳館等商業(yè)設(shè)施購物中心、酒店、商業(yè)街等交通設(shè)施機(jī)場、火車站、收費(fèi)站、碼頭等工業(yè)設(shè)施工

8、廠、溫室、物流中心等景觀設(shè)施建筑入口、小品、停車場等8/30/202227李廣軍整體張拉膜和索系支承式：膜結(jié)構(gòu)的代表與精華。全名為骨架支撐式膜結(jié)構(gòu)。由鋼結(jié)構(gòu)為承重骨架，在骨架上按設(shè)計要求張緊膜材。三、膜結(jié)構(gòu)的分類張拉膜框架膜8/30/202228李廣軍全名氣膜建筑結(jié)構(gòu)，又稱謂充氣膜結(jié)構(gòu)。空間密閉，配置智能和機(jī)電控制系統(tǒng)，靠內(nèi)外氣壓差保持纖維膜的張力形成設(shè)計要求的曲面，形成建筑物主體。室內(nèi)無需任何框架或支撐，可輕松長達(dá)120米的建筑跨度。氣膜8/30/202229李廣軍1）安全智能氣膜建筑系統(tǒng)可達(dá)到抵御150英里/小時的颶風(fēng)和50磅/平方英尺的積雪。最小設(shè)計風(fēng)速為80英里/小時(36米/秒)設(shè)計

9、，可有效抵御颶風(fēng)，保證建筑的安全性。柔性的材料，沒有受彎、受扭和受壓的構(gòu)件，在抗風(fēng)、抗震、溫度變形、沉降變形等表現(xiàn)優(yōu)異，并有效地吸收風(fēng)荷與震波加速度。四、氣膜建筑的優(yōu)勢特點(diǎn)8/30/202230李廣軍2）保溫隔熱 在外膜和內(nèi)襯之間填充玻璃纖維保溫棉，防寒隔熱，空調(diào)暖氣能耗僅為傳統(tǒng)建筑的1/10-1/4，總體節(jié)能75%以上，使建筑能耗降低，改善建筑內(nèi)部隔音效果，提供舒適的恒溫恒濕的環(huán)境。8/30/202231李廣軍3）經(jīng)濟(jì)適用現(xiàn)場施工時間不超過一周，是最節(jié)省現(xiàn)場施工管理的建筑形式。保證30年的正常運(yùn)營?？蛇w移，并可在異地多次重復(fù)安裝充氣重復(fù)利用。還可以在原有長度的基礎(chǔ)上加長。8/30/20223

10、2李廣軍4）舒適性高微風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)，室內(nèi)超靜氣流，恒溫恒濕。室內(nèi)自然采光，漫射光照度均勻，效果優(yōu)良且節(jié)約能耗。每小時6-16次的通風(fēng)次數(shù)保證室內(nèi)空氣的新鮮。雙層膜材設(shè)計靜止空氣空間隔離層, 改善內(nèi)部的音響效果。多種顏色選擇，利用內(nèi)部兩種顏色內(nèi)膜形成色彩對比。8/30/202233李廣軍內(nèi)部無梁無柱，最大跨度可達(dá)120米，最大高度可達(dá)50米。自重輕每平米自重不超過5公斤，相當(dāng)于輕鋼結(jié)構(gòu)屋面自重的1/45。5）內(nèi)部凈空大、自重小8/30/202234李廣軍深圳東部華僑城大俠谷兒童樂園是中國首個氣膜結(jié)構(gòu)室內(nèi)兒童樂園,項(xiàng)目已于2008年7月底峻工,該樂園內(nèi)有旋轉(zhuǎn)木馬、青蛙跳和恐龍?zhí)榷囗?xiàng)兒童游樂設(shè)施，采

11、用先進(jìn)的充氣膜建筑，充份體現(xiàn)了其高跨比，大空間無梁柱，自重輕等多種特點(diǎn)。8/30/202235李廣軍朝陽體育館網(wǎng)球中心8/30/202236李廣軍張拉膜結(jié)構(gòu)膜結(jié)構(gòu)(Membrane Structure )8/30/202237李廣軍膜 結(jié) 構(gòu)Membrane structures1.充氣膜結(jié)構(gòu) Pneumatic Structures（1）氣承式膜結(jié)構(gòu)Air-Supported Membrane Structures（2）氣囊式膜結(jié)構(gòu)Air-Inflated Membrane Structures2.張拉式膜結(jié)構(gòu) Tensioned Membrane Structures 3.骨架支承式膜結(jié)構(gòu)

12、 Frame-Supported Membrane Structures4. “索穹頂” 預(yù)應(yīng)力空間索系及薄膜覆蓋 “Cable Dome” -Membrane supported on Pre-stressed spatial cable system. 8/30/202238李廣軍膜 材 Membrane Material對膜材的基本性能要求：Quality Requirement to Membrane Material: 力學(xué)性能： Mechanical properties 耐久性： Durability自潔性： Self-Cleaning Property 透光性： Light-P

13、enetration 防水性： Water-Resistancy 耐火性： Fire-Resistancy 工藝性要求：Technical Properties of Membrane8/30/202239李廣軍目前常用的兩類膜材：Two Types of Common Used Membrane Material1.玻璃纖維結(jié)構(gòu) (Glass Fabric)聚四氟乙烯(PTFE) 涂層 永久性膜材2.聚酯纖維結(jié)構(gòu) (Polyester Fabric) 聚氯乙烯(PVC) 涂層 聚偏氟乙烯 (PVDF) 面層半永久性膜材膜 材 Membrane Material8/30/202240李廣軍廣島

14、巨浪館 The Big Wave (1989, Hiroshima) 8/30/202241李廣軍1970大阪博覽會富士集團(tuán)展館 The Fuji Exhibition Hall (1970, Osaka) 8/30/202242李廣軍長沙世界之窗 A Theater in Changsha, China8/30/202243李廣軍威海體育場 The Weihai Stadium, China8/30/202244李廣軍日本秋田“天穹” “Sky Dome”, Akita Japan3.骨架支承式膜結(jié)構(gòu) Frame-Supported Membrane Structures8/30/20224

15、5李廣軍上海八萬人體育場 The Shanghai Stadium8/30/202246李廣軍 圣彼特斯堡“雷聲穹頂”Thunder Dome, st. Petersburg, Florida4. 索穹頂 Cable Dome8/30/202247李廣軍 索穹頂結(jié)構(gòu)示意圖 The Sketch of “Cable Dome”8/30/202248李廣軍亞特蘭大體育館(佐治亞穹頂) Georgia Dome, Atlanta, Georgia8/30/202249李廣軍亞特蘭大體育館(佐治亞穹頂) Georgia Dome, Atlanta, Georgia8/30/202250李廣軍 索穹頂結(jié)

16、構(gòu)示意圖 The Sketch of “Cable Dome”8/30/202251李廣軍千 年 穹 頂 Millennium Dome8/30/202252李廣軍結(jié)構(gòu)示意圖 Structural Sketch of the Dome8/30/202253李廣軍可開啟式膜結(jié)構(gòu)Retractable Membrane Structure海洋穹頂Ocean Dome, Japan8/30/202254李廣軍海洋穹頂Ocean Dome, Japan8/30/202255李廣軍蒙特利爾體育場 Montreal Olympic Stadium8/30/202256李廣軍膜結(jié)構(gòu)(Membrane Str

17、ucture )膜結(jié)構(gòu)用于過街橋8/30/202257李廣軍膜結(jié)構(gòu)(Membrane Structure )膜結(jié)構(gòu)用于法國卡巴里奧收費(fèi)站。長152m，最寬32m，4個35m高圓錐形桅桿支撐。1999年獲國際織物工業(yè)協(xié)會組織的成就獎。8/30/202258李廣軍膜結(jié)構(gòu)(Membrane Structure )氣撐式膜建筑，依靠送風(fēng)系統(tǒng)向室內(nèi)充氣，頂升膜面構(gòu)成屋蓋空間。8/30/202259李廣軍膜結(jié)構(gòu)(Membrane Structure )美國依阿華州綜合體育館。蓋格公司設(shè)計的氣撐式膜結(jié)構(gòu)。8/30/202260李廣軍膜結(jié)構(gòu)(Membrane Structure )日本 東京棒球館 充氣式索膜

18、結(jié)構(gòu).8/30/202261李廣軍膜結(jié)構(gòu)(Membrane Structure )香港大球場（中國），容納4萬觀眾，獲1995年美國建筑師協(xié)會獎8/30/202262李廣軍膜結(jié)構(gòu)(Membrane Structure ) 縱向用240m跨度，頂部標(biāo)高55m的拱形骨架支撐屋頂前沿 拱形骨架有12度的傾角，其截面為3.5m見方 8/30/202263李廣軍膜結(jié)構(gòu)(Membrane Structure )剖面8/30/202264李廣軍膜結(jié)構(gòu)(Membrane Structure ) 每塊1600m2的膜材，跨3組桁架。 這些膜材周邊壓緊，在桁架間用一直徑為80mm的谷索壓住。 膜本身施加有5100N的雙向預(yù)張力8/30/202265李廣軍膜結(jié)構(gòu)(Membrane Structure )屋頂仰視8/30/202266李廣軍膜結(jié)構(gòu)(Membrane Structure )深圳華僑城東區(qū)超市步行街8/30/202267李廣軍膜結(jié)構(gòu)(Membrane Structure )青島頤中體育場