膜結(jié)構(gòu)是一種代表當(dāng)今建筑技術(shù)和材料科學(xué)發(fā)展水平的新型結(jié)構(gòu),是現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)體系的一個(gè)重要分支。膜結(jié)構(gòu)外觀造型新穎,滿足現(xiàn)代人的審美觀念,成為現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的新風(fēng)格。同時(shí)膜結(jié)構(gòu)具有充分利用陽(yáng)光、空氣以及與自然融合的特性,尤其近年隨著空氣質(zhì)量日益惡化及人們健康觀念的提升,可隔絕霧霾等污染、智能凈化空氣的充氣膜結(jié)構(gòu)符合目前提倡的“可持續(xù)發(fā)展”重大戰(zhàn)略,也為高科技生態(tài)建筑的發(fā)展提供了廣闊的空間,因此受到世界各地綠色建筑倡導(dǎo)者們的青睞。膜結(jié)構(gòu)在世界范圍內(nèi)迅猛發(fā)展,主要應(yīng)用于體育建筑、商場(chǎng)、展覽中心、交通服務(wù)設(shè)施等大跨建筑中。
1 充氣膜結(jié)構(gòu)的概述
充氣膜結(jié)構(gòu)的分類(lèi)與特點(diǎn)現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)一般可分為充氣膜、張拉膜、骨架式膜及索穹頂膜結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系,其中充氣膜結(jié)構(gòu)是膜結(jié)構(gòu)最初發(fā)展過(guò)程中的主要形式。充氣膜結(jié)構(gòu)利用帆船原理,由膜內(nèi)的空氣壓力支撐膜面,具有穩(wěn)定的形狀和一定的剛度,同時(shí)可以抵抗外力的作用。根據(jù)力學(xué)性質(zhì),可分為氣承式和氣囊式膜結(jié)構(gòu)。
氣承式膜結(jié)構(gòu)是固定膜面周?chē)吘?對(duì)膜建筑內(nèi)加壓使膜面鼓起至設(shè)計(jì)空間曲面,保持內(nèi)外壓差使膜面受壓以確保剛度,從而維持形態(tài)并抵抗荷載。
氣囊式膜結(jié)構(gòu)則是充氣于特定形狀的氣囊內(nèi),使之成為具有一定剛度的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件,并由此來(lái)承受荷載。
充氣膜結(jié)構(gòu)建筑不僅可以滿足傳統(tǒng)建筑的功能要求,還具有跨度大、造型奇特和自潔性強(qiáng)等特點(diǎn)。同時(shí),膜結(jié)構(gòu)建筑造價(jià)合理,其造價(jià)僅為傳統(tǒng)建筑造價(jià)的一半左右。同時(shí),與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)相比,其施工周期可縮短一半,且施工期內(nèi)其他工程的施工不受影響。
膜材料概述國(guó)內(nèi)外目前應(yīng)用的建筑膜材料主要包括涂層織物類(lèi)膜材和熱塑化合物類(lèi)膜材兩大類(lèi)。
織物類(lèi)膜材是膜結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用最廣泛的膜材,在紡織學(xué)里也稱(chēng)為涂層織物,其由基布纖維、涂層、面層等構(gòu)成(圖1)。早期基布的原料通常采用棉、麻等天然纖維,而新型的涂層織物材料則采用滌綸和玻璃纖維,通過(guò)機(jī)織、針織等編織方式加工成基材,基質(zhì)則采用聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)、天然橡膠等材料[8],最后通過(guò)涂層、壓延等加工方式制得。內(nèi)部織物決定了膜材的主要力學(xué)性能[9],涂層和面層具有粘結(jié)增強(qiáng)和傳遞應(yīng)力的作用,同時(shí)決定膜材的物理特性。
2  充氣膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展
國(guó)外充氣膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展20世紀(jì)初現(xiàn)代充氣膜結(jié)構(gòu)逐漸開(kāi)始發(fā)展。1917年,英國(guó)人W.Lanchester申請(qǐng)了通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)吹氣支撐膜材而建立野外醫(yī)院的專(zhuān)利,但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)和設(shè)備的限制并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。1970年日本萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)上,膜結(jié)構(gòu)被系統(tǒng)地推向世界。博覽會(huì)上橢圓形的美國(guó)館(見(jiàn)圖2a)采用PVC涂層的玻璃纖維織物,無(wú)柱大廳的屋面由32根沿對(duì)角線交叉布置的鋼索和膜材所覆蓋,它是世界上第一個(gè)大跨度低輪廓的氣承式膜結(jié)構(gòu)。另一個(gè)具有代表性的建筑是富士館(見(jiàn)圖2b),該館是香腸充氣型氣肋式膜結(jié)構(gòu),它也是迄今為止建成的最大的氣肋式充氣膜結(jié)構(gòu)。