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1、奥运的那层膜2008年8月8日晚，举世瞩目的北京第二十九届奥林匹克运动会开幕式在国家体育场（鸟巢）隆重举行。国家主席胡锦涛出席开幕式并宣布本届奥运会开幕。具有两千多年历史的奥林匹克运动与五千多年传承的灿烂中华文化交相辉映，共同谱写人类文明气势恢弘的新章程。夜幕下，“鸟巢”造型的国家体育场华灯灿烂，流光溢彩。水立方同样也不逊色。膜结构简介膜结构的设计主要包括体形设计、初始平衡形状分析、荷载分析、裁剪分析等四大问题。通过体形设计确定建筑平面形状尺寸、三维造型、净空体量，确定各控制点的坐标、结构形式，选用膜材和施工方案。初始平衡形状分析就是所谓的找形分析。由于膜材料本身没有抗压和抗弯刚度，抗剪强主芤
2、很差，因此其刚度和稳定性需要靠膜曲面的曲率变化和其中预应力来提高，对膜结构而言，任何时候不存在无应力状态，因此膜曲面形状最终必须满足在一定边界条件、一定预应力条件下的力学平衡，并以此为基准进行荷载分析和裁剪分析。目前膜结构找形分析的方法主要有动力松驰法、力密度法以及有限单元法等。膜结构考虑的荷载一般是风载和雪载。在荷载作用下膜材料的变形较大，且随着形状的改变，荷载分布也在改变，因此要精确计算结构的变形和应力要用几何非线性的方法进行。荷载分析的另一个目的是一确定索、膜中初始预张力。在外荷载作用下膜中一个方向应力增加而另一个方向应力减少，这就要求施加初始张应力的程度要满足在最不利荷载作用下应力不致
3、减少到零，即不出现皱褶。因为膜材料比较轻柔，自振频率很低，在风荷载作用下极易产生风振，导致膜材料破坏，如果初始预应力施加过高，膜材涂变加大，易老化且强度储备少，对受力构件强度要求也高，增加施工安装难度。因此初始预应力的确定要通过荷载计算来确定。经过找形分析而形成的摸结构通常为三维不可展空间曲面，如何通过二维材料的裁剪，张拉形成所需要的三维空间曲面，是整个膜结构工程中最关键的一个问题，这正是裁剪分析的主要内容。 膜结构在我国也不乏工程实例，其中规模最大、最具影响力的膜结构要数1997年竣工的上海八万人体育场看台罩棚张拉膜结构工程。但该膜结构为美国Weidlinger公司设计制作，由此也可以看出我
4、国在该领域与国外先进国家的差距很大。目前影响我国膜结构广泛应用的主要因素有：国产膜材料性能差，而进口膜材料价格高；尚无商业性的膜结构计算南辅助设计系统；人们对膜结构缺乏足够的认识等。1970年日本大阪万国博览会上的美国馆和富士馆均采用了膜结构建筑，在建筑行业引起了不小的轰动。水立方的一层膜“水立方”是国内首次采用ETFE膜结构的建筑物，也是国际上面积最大、功能要求最复杂的膜结构系统。当初它的设计方案一出笼，国外建筑学家就用“令人惊叹”来形容它。当去年底膜结构的施工完成后，伫立在人们面前的“水立方”如同披上了一件水的外衣，亦真亦幻，风姿动人。成就“水立方”建筑独特风格的正是性能优异的ETFE膜材
5、料。 ETFE的中文名为乙烯-四氟乙烯共聚物，它是上世纪70年代最早由杜邦公司开发成功的，当时主要用作航空工业中的绝缘材料。随后人们发现这种材料在使用时可以做成片状，也可以制成一种薄而耐用的膜，再加上材料本身具有的透明、自洁等性能，ETFE很快就成为替代像玻璃这样的传统材料的最佳材料。许多工程证明了它是一种可信赖且经济实用的屋顶材料。 ETFE膜一般厚度仅有0.25毫米。把两层或者更多层的膜“缝制”在一起，向里面充气后，形状就像一个枕头，所以被称为气枕。它可以充当建筑物的外墙，而且耐久性很好。“水立方”的墙体就是由3000多个这样的气枕组成。 由于这种膜材料制成的屋面和墙体质量轻，只有同等大小
6、的玻璃质量的1%；韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂，延展性大于400%；耐候性和耐化学腐蚀性强，熔融温度高达200，并且不会自燃。 作为大型比赛场馆的建筑材料用ETFE膜，更大的优势还在于可以被加工成任何尺寸和形状，满足大跨度的需求，节省了中间支撑结构。作为一种充气后使用的材料，它可以通过控制充气量的大小，对遮光度和透光性进行调节，有效地利用自然光，节省能源，同时起到保温隔热作用。正是由于这一特性，才保证了国家游泳中心室内光热得到最大程度的平衡。 不仅如此，这种膜还具有自清洁功能，使灰尘不易附在其表面，清洁周期大约为5年。这将保证“水立方”以后的日常维护费用较少。另外，合理的成本也是其竞争优势之
7、一，覆盖层加上结构的费用只有玻璃的一半，而使用寿命却长达25年。 尽管ETFE膜在国外已经有近30年的应用历史，但在国内还是首次使用。化工新材料的应用，让“水立方”在所有奥运场馆中显得格外与众不同。它不仅带给人们视觉上的美感，还让人们充分感受到科技与奥运完美结合的魅力。 “水立方”以它独特的膜结构吸引了世界的目光，但是你知道吗，国家体育场“鸟巢”的外面，也有一层膜！鸟巢的两层膜作为一座充满了阳刚之气的建筑，外膜的存在为“鸟巢”增添了几分柔和风韵。值得一提的是，承接“鸟巢”膜结构工程的，是来自咱们沈阳的远大集团。该工程项目经理高永军在接受记者采访时，讲述了“鸟巢”膜结构的一些鲜为人知的秘密。上下
8、两层 比“水立方”多一层膜记者：作为一个钢结构建筑，“鸟巢”为什么还要使用膜结构呢？高永军：简单点说，膜结构就如同一张大伞，为鸟巢遮风挡雨，同时膜结构还将过滤掉紫外线，弱化钢结构阴影，甚至具备吸声作用。此外，膜的大量使用，有效地减轻了“鸟巢”的支撑重量。记者：“鸟巢”膜结构和“水立方”膜结构相比，有什么不同？高永军：“水立方”的膜结构是充气的气囊式，主要是用于反射天空的蓝色，而“鸟巢”的膜则是单层张开的，这在国内是首次使用。除此之外，“鸟巢”的膜不是一层，而是有两层。记者：两层膜？能否介绍一下？高永军：“鸟巢”上层用的是透明的ETFE膜，下层是乳白色的PTFE膜。面积巨大 能弱化钢结构阴影 记
9、者：两层膜在功能上有什么不同吗？高永军：ETFE膜具备自洁功能，下雨就能够清除污垢，它起到了“屋顶”的作用。 除了遮风挡雨外，ETFE膜同时能滤去紫外线。而下层的PTFE膜实际上是一层“隔音幕”，它紧紧地包住了所有的看台，加上一些声学技术的处理，能够较好地解决噪音问题，另外，这层膜也能够遮蔽钢结构屋顶和一些设备、管道，起到了美观的作用，使得“鸟巢”乱七八糟的钢结构阴影被强烈弱化了。记者：这层膜能保证“鸟巢”体育场任何角落的观众都能清晰地听到广播吗？高永军：除了隔音效果，“鸟巢”还可以算得上是一部高级“音响”，拥有极佳的收音效果。内层膜有吸音材料，钢结构上也有吸音材料，场内同时还使用电声扩音系统
10、，使“鸟巢”内部的语音特别清晰。记者：两层膜结合，会不会使得场内变暗？高永军：两层膜结合，在强光照射后将留下连续、成片、柔和的阴影，但绝不会对观众视线造成影响。记者：“鸟巢”的两层膜面积能有多大？高永军：“鸟巢”可以说是全世界最大的膜结构，11万平方米膜组成的巨大顶棚可以覆盖所有的观众席，就像为体育场内的9万多名观众撑起了一把“大伞”。不耐高温 开幕式要用冷焰火 记者：这种薄薄的膜是怎么固定在钢架上的呢？高永军：简单地讲，给“鸟巢”装膜就好像做窗户一样，先制作一个金属框，然后将膜放置到金属框中，如果“窗户”较大，就将它固定在钢梁上。 安装时就好比做鼓皮一样，鼓皮是软的，如果不绷紧的话，鼓槌一敲
11、很容易破掉。绷得越紧，鼓就越有劲，膜结构也一样。当然，这些说起来很简单，但实际操作很难，膜结构与“鸟巢”钢结构的衔接难度，在世界上是独一无二的。记者：如果遇到暴雨，“鸟巢”顶部会不会出现积水？高永军：如果遇到大雨，膜结构上的积水将顺着边上的天沟流到隐藏在膜结构中的120个大水槽里，这时再利用已经安装好的虹吸排水系统，让雨水通过40多根管道流进地下蓄水池，过滤净化后再次利用。记者：奥运会开闭幕式上如果使用焰火，会不会对膜结构造成危害？高永军：因为膜的问题，奥运会开幕式如果要使用焰火的话，必须是冷焰火。普通礼花燃烧的温度在400摄氏度左右，即使落到膜上温度有所降低，也会将膜烧化。而冷焰火燃烧时的温
12、度只有270摄氏度，落在膜上也就100摄氏度左右，膜结构能耐100多摄氏度的温度，这样就基本上不会烧化了。膜结构公司目前膜结构公司并不是很多，例如徐州永翔膜结构公司，徐州浩博膜结构公司，上海太阳膜结构公司，杭州知辉膜结构公司等等，大多数的公司还是致力于景观膜的设计与制造。膜结构是一种全新的建筑结构形式，它集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学、计算机技术等为一体，具有很高技术含量。其曲面可随着建筑师的设计需要任意变化，结合整体环境建造出标志性的形象工程。膜结构的特性艺术性：充分发挥建筑师的想象力，又体现结构构件清晰受力之美。 经济性：由于膜材具有一定的透光率，白天可减少照明强度和时间，能很好地
13、节约能源。同时夜间彩灯透射形成的绚烂景观也能达到很好的广告宣传效益。 大跨度：膜结构可以从根本克服传统结构在大跨度（无支撑）建筑上实现所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡可视空间，有效增加空间使用面积。自洁性：膜建筑中采用具有防护涂层的膜材，可使建筑具有良好的自洁效果，同时保证建筑的使用寿命。 工期短：膜建筑工程中所有加工和制作均在工厂内完成，可减少现场施工时间，避免出现施工交叉，相对传统建筑工程工期较短。膜结构应用 体育设施：体育场/体育馆/网球场/游泳馆/训练中心/健身中心等。 商业设施：商场/游乐中心/酒店/餐厅/商业街等。 文化设施：展览中心/剧院/表演中心/水族馆等 。 交通设施：飞机场/火车站/码头/停车场/天桥/加油站/收费站等。 景观设施：标志性小品/广场标识/小区景观/步行街等。 工业设施：工厂/仓库/污水处理中心/物流中心/温室等 。
