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膜結(jié)構(gòu)：在創(chuàng)新中成長(zhǎng)
信息來(lái)源：www.szdebang.cn 發(fā)表時(shí)間：[2015-1-12 16:21:43]
對(duì)膜結(jié)構(gòu)這一新型建筑結(jié)構(gòu)，分析其性能特點(diǎn)、歷史沿革，探討膜結(jié)構(gòu)技術(shù)在我國(guó)建筑業(yè)的應(yīng)用成果，就目前膜結(jié)構(gòu)工程的問(wèn)題提出解決方案，旨在挖掘膜結(jié)構(gòu)的潛力，提高建筑設(shè)計(jì)水平。
國(guó)家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”和國(guó)家游泳中心“水立方”，作為膜結(jié)構(gòu)建筑的經(jīng)典之作，如同站在炫目舞臺(tái)上的明星，驚艷動(dòng)人，光芒四射，讓大家對(duì)這種新型建筑嘆為觀止。2010年上海世博會(huì)集中，膜結(jié)構(gòu)建筑也繼2008年北京奧運(yùn)會(huì)之后再次得到完美體現(xiàn)。
膜結(jié)構(gòu)(Membrane)是20世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式，集建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、精細(xì)化工與材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體，具有很高技術(shù)含量：有多種高強(qiáng)薄膜材料(PVC或Teflon)及加強(qiáng)構(gòu)件（鋼架、鋼柱或鋼索通過(guò)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。
膜結(jié)構(gòu)可分為充氣膜結(jié)構(gòu)和張拉膜結(jié)構(gòu)兩大類(lèi)。其曲面可以隨著建筑師的設(shè)計(jì)需要任意變化，結(jié)合整體環(huán)境，建造出標(biāo)志性的形象工程。在陽(yáng)光的照射下，由膜覆蓋的建筑物內(nèi)部充滿(mǎn)自然漫射光，無(wú)強(qiáng)反差的著光面與陰影的區(qū)分，室內(nèi)的空間視覺(jué)環(huán)境開(kāi)闊和諧。夜晚，建筑物內(nèi)的燈光透過(guò)屋蓋的膜照亮夜空，建筑物體形顯現(xiàn)出夢(mèng)幻般的效果。
膜結(jié)構(gòu)所用膜材料由基布和涂層兩部分組成，基布主要采用聚酯纖維和玻璃纖維材料；涂層材料主要為聚氯乙烯和聚四氟乙烯。
膜結(jié)構(gòu)前進(jìn)的腳步從未停息
膜結(jié)構(gòu)建筑，從帳篷到永久性建筑——過(guò)去人們習(xí)慣地把膜結(jié)構(gòu)看作是個(gè)帳篷，而帳篷只能算是一個(gè)臨時(shí)性建筑——不夠牢固、不能防火、又不能保暖或隔熱。膜結(jié)構(gòu)最早是19世紀(jì)40年代被美國(guó)軍方用作了雷達(dá)罩，被大規(guī)模應(yīng)用于建筑物上是在1970年日本大阪市世博會(huì)上。
大阪市世博會(huì)上，日本富士館和美國(guó)館采用了膜結(jié)構(gòu)，它們是世界上最早的大型膜結(jié)構(gòu)建筑。富士館和美國(guó)館都使用了充氣膜結(jié)構(gòu)，樹(shù)脂玻璃纖維鼓脹起來(lái)后靠懸索穩(wěn)定，富士館“吹起”了16個(gè)拱門(mén)，美國(guó)館則吹起了長(zhǎng)142米、寬83米的橢圓形大屋頂。大阪世博會(huì)后，人們意識(shí)到膜結(jié)構(gòu)是一種全新的建筑結(jié)構(gòu)形式，這種日漸深刻的認(rèn)識(shí)，使得膜結(jié)構(gòu)得到了迅速的發(fā)展。
1975年在美國(guó)密執(zhí)安州龐提亞克興建了平面尺寸243.9×183米的銀色穹頂，這是第一次將氣承式膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用于永久的大型體育館。其后在北美地區(qū)，類(lèi)似的膜結(jié)構(gòu)就建了9座，其中像美國(guó)的明尼阿波利斯和加拿大的溫哥華均位于北方地區(qū)。雖然像這樣的膜充氣結(jié)構(gòu)也發(fā)生過(guò)幾次不愉快的坍塌事故，但是膜結(jié)構(gòu)終于登堂入室，進(jìn)入永久性建筑的行列。日本在徘徊了10多年之后，也在1988年修建東京后樂(lè)園棒球場(chǎng)時(shí)采用了氣承式膜結(jié)構(gòu)。
在日后的發(fā)展過(guò)程中，膜結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了不少特有的優(yōu)勢(shì)，如阻燃性能好、外形新穎美觀、自重輕、跨度大、工期短。目前常用的膜材料都具良好的阻燃性能或不燃性；膜材色彩豐富，支撐結(jié)構(gòu)和柔性膜材可以使建筑特別適合地震多發(fā)地區(qū)，也使得膜結(jié)構(gòu)建筑可以實(shí)現(xiàn)大跨度覆蓋空間；膜結(jié)構(gòu)工程所有的加工和制作都可以按照設(shè)計(jì)在工廠內(nèi)完成，在現(xiàn)場(chǎng)只是進(jìn)行安裝作業(yè)，施工周期短。膜結(jié)構(gòu)優(yōu)良的特性，使得它具有廣泛的使用范圍。
當(dāng)然，膜結(jié)構(gòu)也有其劣勢(shì)，如耐久性差、御風(fēng)性差、環(huán)保性差等問(wèn)題。目前，一般膜材使用年限15-25年之間；膜結(jié)構(gòu)受風(fēng)的影響比較大，風(fēng)對(duì)膜結(jié)構(gòu)的作用一直是科研與工程技術(shù)人員的一個(gè)課題；環(huán)保問(wèn)題也是膜材料必須面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題。
建筑膜材的發(fā)展，推動(dòng)了膜結(jié)構(gòu)的進(jìn)步——膜結(jié)構(gòu)材料長(zhǎng)期以來(lái)一直被稱(chēng)為“涂層織物”，這是因?yàn)橄绕谟糜谀そY(jié)構(gòu)的主流材料都是在纖維織物上面添加圖層而成。業(yè)內(nèi)一般按照織物基材和涂層來(lái)劃分膜結(jié)構(gòu)材料，常見(jiàn)的有：PVC膜材、聚偏二氟乙烯(PVDF)膜材和PTFE膜材。PVC膜材，基材為聚酯纖維，涂層為 PVC。這種膜材的優(yōu)點(diǎn)是色彩豐富，價(jià)格適中；缺點(diǎn)是強(qiáng)度不高，耐久性差，質(zhì)量保質(zhì)期一般在5-8年。PVDF膜材，基材為聚酯纖維，涂層為PVC，然后 再加PVDF涂層處理。它的使用年限提高至10-12年；性能優(yōu)于純PVC膜材，價(jià)格也略高于純PVC膜材。
PTFE膜材是在超細(xì)玻璃纖維織物上涂以聚四氟乙烯樹(shù)脂而成的材料。這種膜材有較好的焊接性能，有優(yōu)良的抗紫外線(xiàn)、抗老化性能和阻燃性能。另外，其防污自潔性是所有建筑膜材中最好的，但柔韌性差，施工較困難，由于品質(zhì)卓越，所以?xún)r(jià)格也較高。在蓋格公司領(lǐng)導(dǎo)下，多家公司共同開(kāi)發(fā)永久性膜材，使永久性的PTFE膜正式誕生。這種膜材的力學(xué)性能與化學(xué)穩(wěn)定性指標(biāo)只下降了20%~30%，顏色也幾乎沒(méi)變，膜的表層光滑，具有彈性，大氣中的灰塵、化學(xué)物質(zhì)微粒極難附著與滲透，經(jīng)雨水沖刷建筑膜可恢復(fù)其原有的清潔面層與透光性，這足以顯示出 PTFE膜材的強(qiáng)大生命力和廣闊的市場(chǎng)前景。與傳統(tǒng)膜結(jié)構(gòu)材料不同的ETFE膜材在20世紀(jì)90年代左右面世，它在膜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，顛覆了建筑膜材“涂層 織物”的傳統(tǒng)定義，拓寬了建筑膜材的范圍。ETFE膜材是采用擠出流延方法加工成膜，采用這種擠出流延法制作的薄膜厚度、均勻性、表面平滑性都好于擠出吹塑薄膜。這種直接成型的ETFE膜材，透光性、阻燃性、自潔性、著色性都很好，使用壽命在10-12年左右，而且材質(zhì)柔軟，非常適合用于充氣膜。2008年ETFE膜材應(yīng)用于北京奧運(yùn)會(huì)水立方外墻后，引起了人們的極大關(guān)注。
建筑膜材的創(chuàng)新與發(fā)展，推動(dòng)了膜結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展；而膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了新型膜材的研究與應(yīng)用�？梢�(jiàn)，膜材發(fā)展和膜結(jié)構(gòu)發(fā)展，是相輔相成、相互依存和促進(jìn)的。
我國(guó)膜結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀
起步雖晚，成就卓越——我國(guó)的膜結(jié)構(gòu)建筑起步較晚。1997年上海第八屆全運(yùn)會(huì)的主體育場(chǎng)——上海八萬(wàn)人體育場(chǎng)，采用了PTFE膜結(jié)構(gòu)來(lái)完成看臺(tái)罩棚。這個(gè)可同時(shí)容納8萬(wàn)名觀眾的大型體育場(chǎng)館，是我國(guó)第一次大面積地將膜結(jié)構(gòu)使用在永久性建筑上。造價(jià)不菲的上海八萬(wàn)人體育場(chǎng)，建立了我國(guó)使用膜結(jié)構(gòu)的信心，加深了我國(guó)對(duì)這一新型建筑形式的認(rèn)知度和接受度，對(duì)我國(guó)膜結(jié)構(gòu)建筑具有里程碑式的意義。自此以后，PTFE膜材在我國(guó)不少地方陸續(xù)開(kāi)始應(yīng)用，如青島頤中體育場(chǎng)、義烏體育場(chǎng)、煙臺(tái)市體育中心體育場(chǎng)、蕪湖市體育場(chǎng)、威海市體育中心體育場(chǎng)、嘉峪關(guān)市體育場(chǎng)等膜結(jié)構(gòu)工程，有些工程已經(jīng)成為當(dāng)?shù)鼐哂刑厣臉?biāo)志建筑。ETFE膜材在我國(guó)的應(yīng)用相對(duì)滯后很多，2008年奧運(yùn)會(huì)的“水立方”建成。這是ETFE膜材在我國(guó)首次得到大面積應(yīng)用。膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用逐漸呈現(xiàn)出了活躍態(tài)勢(shì)。
在上海八萬(wàn)人體育場(chǎng)的標(biāo)桿作用帶動(dòng)下，我國(guó)一些起步于20世紀(jì)90年代初的膜結(jié)構(gòu)企業(yè)逐步發(fā)展起來(lái)�？傮w而言，我國(guó)膜結(jié)構(gòu)企業(yè)在技術(shù)方面的追趕速度較快，其設(shè)計(jì)、施工技術(shù)水平已經(jīng)比較成熟。但是，我國(guó)膜結(jié)構(gòu)材料企業(yè)還處于起步階段，而且也沒(méi)能迅速跟進(jìn)，目前國(guó)內(nèi)膜材的水平仍然較低。目前，我國(guó)膜材的生產(chǎn)企業(yè)，在引進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)與生產(chǎn)設(shè)備，從國(guó)外進(jìn)口生產(chǎn)基材所用的原絲、外層涂料的情況下，開(kāi)始生產(chǎn)PVC、PTFE等膜材。但是，國(guó)產(chǎn)膜材的性能還不完善，而且占據(jù)的市場(chǎng)份額也很小，可以說(shuō)國(guó)內(nèi)膜結(jié)構(gòu)建筑所用膜材基本上還依賴(lài)于進(jìn)口。ETFE膜材現(xiàn)在只有德國(guó)、美國(guó)、日本等目的少數(shù)幾個(gè)公司可生產(chǎn)，它在我國(guó)尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，只有北京市塑料研究所等少數(shù)研究單位進(jìn)行過(guò)初步的薄膜試制。
家珍無(wú)數(shù)，各領(lǐng)風(fēng)騷——國(guó)家游泳中心即“水立方”是北京奧運(yùn)會(huì)標(biāo)志性建筑之，也是北京市政府指定的唯一由港澳臺(tái)僑胞捐資建設(shè)的奧運(yùn)場(chǎng)館�！八⒎健笔鞘澜缟献畲蟮哪そY(jié)構(gòu)工程，其外墻和層面圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用新型鋼膜結(jié)構(gòu)體系。該鋼模結(jié)構(gòu)體系由一系列類(lèi)似于細(xì)胞、水晶體的鋼網(wǎng)架單元和世界上最為先進(jìn)的環(huán)保節(jié)能ETFE充氣薄膜共同組成。它總共由3000多個(gè)氣枕組成，氣枕大小不一，形狀各異，覆蓋面積達(dá)到10萬(wàn)平方米。藍(lán)色的表面出乎意料地柔軟但又很充實(shí)。這種材料的壽命超過(guò)20年，目前世界上只有三家企業(yè)能夠完成這種膜結(jié)構(gòu)。考慮到場(chǎng)館的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，膜結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的隔熱功能。
廣州新火車(chē)站是廣州市最大的交通樞紐，它也成為—個(gè)新地標(biāo)式建筑群體。針對(duì)該項(xiàng)目的重要性，作為外圍護(hù)工程的屋面，膜結(jié)構(gòu)工程的選材顯得尤為重要。為了使屋面膜結(jié)構(gòu)的選材具有優(yōu)越的功能性、施工便利性和結(jié)構(gòu)先進(jìn)性，屋面采用ETFE膜材，其透光率為所有膜材中最好的。根據(jù)位置和表面印刷的情況，ETFE膜的透光率可達(dá)95%。該材料不阻擋紫外線(xiàn)的透射，以保證建筑內(nèi)部天然光。通過(guò)表面印刷，該材料的半透明度可進(jìn)一步降低到50%，根據(jù)幾何條件及膜的層數(shù)，其K值可高達(dá)2.0W/(m.K)，耗能指數(shù)以一個(gè)三層印刷的膜為例可達(dá)到0.77，氣枕式充氣結(jié)構(gòu)能起到很好的隔熱、保溫、環(huán)保和降低耗能的功能。
世博軸頂棚采用的索膜結(jié)構(gòu)，是到目前為止世界上最大的索膜結(jié)構(gòu)。膜材為PTFE，具有不燃性、防紫外線(xiàn)、抗風(fēng)化、高自潔性和高反射性等特點(diǎn)，使用壽命在20年以上，膜材達(dá)到使用時(shí)間后更換也很方便。世博會(huì)日本館外墻的超輕膜結(jié)構(gòu)采用了首次面世的“發(fā)電膜”技術(shù)，這兩張ETFE薄膜構(gòu)成枕氣枕結(jié)構(gòu)里嵌入了非晶體太陽(yáng)能電池，從而使外墻能夠自主產(chǎn)生能源。世界氣象組織所建的世界氣象館外觀采用亮白色膜結(jié)構(gòu)，膜布上均勻布滿(mǎn)噴霧點(diǎn)。外層膜結(jié)構(gòu)和霧狀噴泉設(shè)計(jì)可以起到降溫、節(jié)能、環(huán)保的作用。中國(guó)航空館，通過(guò)在空間不規(guī)則的網(wǎng)殼上覆蓋聚氯乙烯(PVC)膜材來(lái)實(shí)現(xiàn)。完成于1998年5月14日的天津保稅區(qū)區(qū)標(biāo)膜結(jié)構(gòu)工程，是中國(guó)膜結(jié)構(gòu)業(yè)界的里程碑，它標(biāo)志著中國(guó)膜結(jié)構(gòu)劃時(shí)代的開(kāi)始。此外，還有大連五彩城風(fēng)箏放飛場(chǎng)、北京雕塑展覽中心、長(zhǎng)沙世界之窗劇場(chǎng)、成都死海漂浮中心水上樂(lè)園等，它們?nèi)缫活w顆明珠展示在中國(guó)膜結(jié)構(gòu)建筑之林。
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