膜结构设计(1-9)

《膜结构设计(1-9)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《膜结构设计(1-9)（46页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、技术讲座 编者按: 膜结构因轻盈、 造型独特而极具吸引力, 为人们提供了有别于传统建筑的全新视觉感受。许多 发展商和建筑师都愿意在自己的项目中采用膜结构, 不少结构工程师也很想掌握膜结构设计的有关知识。 为此, 我刊从本期开始推出? 膜结构设计专题讲座?, 特邀请新加坡 Right Tech( s) Pte Ltd的胥传喜先生、 哈尔滨 工业大学武岳先生, 撰写了关于膜结构设计的系列专题文章, 介绍和讨论膜结构设计、 建造过程中各个阶段 的工作内容, 同时, 配合讲座在本期推出? 建筑视窗?膜结构专辑, 以飨读者。 本讲座的内容包含膜结构的基本体系与方案选择、 膜结构的形状确定与建筑功能考量、

2、 膜结构的内力分 析与结构设计、 膜结构的节点和相关结构设计、 膜结构的裁剪设计与加工制作、 膜结构的施工安装与维护、 膜 结构工程事故分析与质量控制、 膜结构设计实例, 侧重点放在应用上。希望通过本专题讲座的推出, 能对建 筑师和工程师系统了解、 掌握膜结构知识、 应用膜结构于工程实际方面有所帮助。 膜结构设计( 1) 膜结构的基本体系与方案选择 * 胥传喜 (Right Tech(s) Pte Ltd? 新加坡) ? ? 武 ? 岳 ( 哈尔滨工业大学? 哈尔滨? 150090) ? ? 摘? 要: 膜结构所用的材料和技术均不同于传统结构。膜结构的设计一般在方案阶段就有专业膜结构 公司介入

3、。就膜结构方案建议阶段的工作内容及相关知识如结构体系的确定、 膜材料的选择、 造价估算等展 开论述和讨论。 ? ? 关键词: 膜结构? 结构体系? 膜材料? 工程设计? 造价估算 STRUCTURAL SYSTEM DETERMINATION AND COST ESTIMATING FOR MEMBRANE CONSTRUCTION Xu Chuanxi (Right Tech(s) Pte Ltd? Singapore) ? Wu Yue (Harbin Institute of Technology? Harbin? 150090) Abstract : The material and

4、the technology used for membrane structure are different fromthe traditional structure. Usually, the specialized membrane structure company involves the construction in the design proposal stage. This lecture focuses on the knowledge of the conceptual proposal, including structure system determinati

5、on, the fabric choice, the cost estimating and so on. Keywords : membrane structure? structural system? fabric? engineering design? cost estimating * 作者感谢蓝天教授、 沈世钊院士等前辈的鼓励和指导。本专题文 章中的图片部分为笔者工作单位承建工程的照片, 部分日常收集自 相关资料或网站, 恕不一一列出, 特此致谢。 第一作者: 胥传喜? 男? 1964年 9 月出生 收稿日期: 2004- 02- 28 1? 膜结构的基本形式与结构体系 膜结构是

6、以厚度通常小于 1mm 的薄膜材料为主要受力 构件的表面张力结构。根据施加张力的媒介不同, 膜结构可 分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。 1?1? 充气膜结构的基本形式 充气膜结构通过向膜内充气而使膜面形成张力、 维持设 计的形状并承受荷载。充气膜结构的基本形式有气承式、 双 层或多层气垫式、 气肋式等。 充气膜结构在膜结构发展的早期曾得到很大发展, 其典 型工程有 B. C. Place Stadium(Canada, 232m? 190m, 1983, 气承 式) 、 GALET EXPO 2002( 103m? 80m? 71m, 双层气垫式)、 Fuji Group Pavilion

7、(Expo ?70, 气肋式) 等, 见图 1。除了充空气外, 79 Industrial Construction Vol?34, No?6, 2004工业建筑? 2004 年第 34 卷第 6期? ? 日本的石井一夫教授还研究了 300m? 150m 的充氦气悬浮膜 结构屋顶方案1, 而这一构想也被应用于我国深圳龙岗商业 中心( 图 2) 的工程设计中。尽管近年来膜结构的发展重点在 张力膜结构上, 以英国 Eden Project 为代表的、 利用以透明 ETFE 膜材做成的双层或多层气垫为基本单元( 图 3) 的结构 也很引人注目。 1?2? 张拉膜结构的基本形式 张拉膜结构以钢索、 钢

8、结构构件等为边界, 通过张拉边 界或顶升飞柱等手段给膜面施加张力, 以保持设计的形状并 承受荷载。 a- 气承式;b- 气垫式; c- 气肋式 图1? 充气膜结构的基本形式 ? ? ? ? 图2? 龙岗商业中心充氦气悬浮膜结构方案? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图 3? ETFE 气垫及其代表工程 ? ? 张拉膜结构的基本外形有马鞍形、 圆锥形( 伞形) 、 拱支 承形、 脊谷式等, 见图 4。应用于实际工程的张拉膜结构常常 是这些基本外形的组合。 a- 马鞍形; b- 圆锥形(伞形) ; c- 拱支承形;d- 脊谷式 图 4? 张拉膜结构的基本形式 张拉膜结构设计的一大特点是

9、需要进行形态分析, 即通 常所说的找形。张拉膜结构的? 自由造型?需要满足力学平 衡。事实上, 找形的目的不仅仅是找出一个满足平衡的形 状, 还包括对所找出曲面的预应力及刚度的分析, 或者说是 对曲面的病态判别及其修改。张拉膜结构的外形设计需要 建筑师与膜结构专业技术人员共同完成。有关找形方法及 ? 形?与? 力?的关系等, 将在下一讲中专门论述。本专题讲座 将主要就张拉膜结构展开讨论。 1?3? 张拉膜结构的支承体系 张拉膜结构工程按支承结构及边界约束可分为三种类 型, 即柔性支承体系、 刚性支承体系、 混合支承体系(刚性支 承、 柔性边界) , 如图 5 所示。 柔性边界膜结构和刚性支承、

10、 柔性边界膜结构, 以柔性 的钢索为边界, 且连接膜节点板(Membrane Plate) 与支承结 构、 已有建筑或锚固基础的连接段(Link)常做成长度可调节、 在其他方向上可以转动(见图 6), 以较好地适应荷载作用下 的变形及二次张拉。这种边界形式特别适用于采用 PVC 覆 盖膜材的工程, 对设计及制作、 安装的精度要求也相对较低。 国内目前的膜结构工程绝大多数都采用柔性边界。 刚性边界的膜结构, 膜面的所有边界都为刚性构件。相对 于柔性边界而言, 刚性边界的膜结构造型更为简捷、 受工程场地 约束少, 但其造型受边界的影响更为明显, 且精度要求更高。 2? 膜结构的材料及其选用 与传统

11、结构不同, 膜结构以柔性的薄膜和索为主要受力 材料。要进行膜结构的工程设计, 必须了解其材料; 在方案 建议阶段, 也需要就可供选择的材料作出比较并给出建议。 2?1? 膜材的种类及其性能 用于建筑工程的薄膜材料可以分为织物类膜材和非织 物类膜材两大类。其中织物类膜材常用的有聚氯乙烯涂层 覆盖聚酯纤维织物( 以下简称 PVC 膜材) 以及聚四氟乙烯涂 层覆盖玻璃纤维织物( 以下简称 PTFE 膜材); 非织物类膜材 则以乙烯- 四氟乙烯共聚物( ETFE) 薄膜最具代表性和竞争 性。 1) 织物类膜材的构造 织物类膜材由织物基层加表面涂层复合而成(图 7), 基 80 工业建筑? 2004 年

12、第 34 卷第 6期 a- 柔性支承体系;b- 刚性支承体系; c- 混合支承体系 图5? 张拉膜结构的支承体系 图 6? 膜节点板(Membrane Plate) 及连接段(Link) 层提供材料以强度等力学性能, 涂层则提供防火、 防老化等 物理及化学性能。常用的基层材料有聚酯纤维、 玻璃纤维、 聚丙烯纤维、 聚酰胺纤维等; 常用的涂层材料则有聚氯乙烯 ( PVC) 、 聚四氟乙烯(PTFE, 俗称Teflon)、 硅酮及聚酰胺等。 1- 外涂层; 2- 底料层;3- 主涂层; 4- 粘和层; 5- 基材织物 图 7? 织物类膜材的构造( MEHLER HAKU) ? ? 2)PVC 涂层

13、覆盖聚酯纤维膜材的性能 PVC 膜材的主要性能指标如下: a. 颜色及透光性能: 有多种颜色可供选择, 透光率在 8% 16% 之间; b. 寿命及稳定性能: 寿命为 10 15 年, PVC 涂层受紫外 线影响将逐步老化; c. 防火性能: 阻燃材料; d ? 自洁性能: 自洁性能一般, 随着 PVC 涂层的老化, 表 面会泛黄、 积尘、 起斑点甚至发生涂层脱落, 在强紫外线照射 地区尤为明显; e ? 可加工性能: 柔软、 可折断, 可加工性能好, 可采用高 频焊接融合。 常用 PVC膜材的抗拉强度、 撕裂强度等性能见表 1。 3)PTFE 涂层覆盖玻璃纤维膜材的性能 PTFE 膜材的主要

14、性能指标如下: a ? 颜色及透光性能: 只有白色一种。PTFE 膜材刚安装 时略微呈黄色, 随着太阳光的照射, 一般在 3 6 个月变为纯 白色。透光率在 10% 15% 之间; 表 1? 常用 PVC膜材的性能指标 产品性能指标 VALMEX FR700 VALMEX FR900 FERRARI 1002T FERRARI 702 材料 聚酯纤维 涂 PVC 聚酯纤维 涂PVC 聚酯纤维 涂乙烯基 聚酯纤维 涂乙烯基 质量? ( g?m- 2) 8009001 050750 厚度 ? mm0?600?80 ?80?6 条张拉强度 ? ( N? 5cm) 经向3 0004 2004 2002

15、 800 纬向3 0004 0004 0002 800 撕裂强度 ? N 经向300500550300 纬向300450500280 粘结强度 ?(N? 5cm)100125120100 透光率 ? %15131511 ? ? b? 寿命及稳定性能: 寿命为 25 80 年, 涂层受紫外线影 响小, 稳定性好; c ? 防火性能: 不燃材料; d? 自洁性能: 自洁性能好, 雨水即可冲刷表面积尘而保 持清洁; e ? 可加工性能: 可加工性能一般, 可采用高温焊接。 常用PTFE 的性能指标见表 2。 表 2? 常用 PTFE 膜材的性能指标 产品性能指标 CHEMFAB SHEERFILL

16、? C HEMFAB SHEERFILL ? SKYTOP FGT?800 VERSEIDAG B18089 GF 材料 玻璃纤维 涂PTFE 玻璃纤维 涂 PTFE 玻璃纤维 涂 PTFE 玻璃纤维 涂PTFE 质量? ( g?m- 2)1 6501 3751 3001 150 厚度 ? mm0?960?80 ?80?7 条张拉强度 ? ( N? 5cm) 经向7 0005 5007 8007 000 纬向6 1004 8006 5006 000 撕裂强度 ? N 经向520530350500 纬向700530400500 粘结强度 ? ( N? 5cm)1309080 透光率 ? %12 1612 161212 14 ? ? 4) 网状膜材 上述膜材可做成带不同大小和间距的孔洞的网状, 既可 以遮阳, 又可以减少作用于膜面的风荷载。同时, 由于膜材 为网状, 由此而围护的空间又可以说是开敞的, 在一些地方 可以不计入总建筑面积, 节省大笔的发展税费, 因而也深受 发展商和建筑师的喜爱。 5) ETFE 膜材 ETFE是英文 Ethylene Tetra Fl