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。同時膜結(jié)構(gòu)具有充分利用陽光、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、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)是固定膜面周圍邊緣,對膜建筑內(nèi)加壓使膜面鼓起至設(shè)計空間曲面,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,膜結(jié)構(gòu)建筑造價合理,其造價僅為傳統(tǒng)建筑造價的一半左右。同時,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。
膜材料概述國內(nèi)外目前應(yīng)用的建筑膜材料主要包括涂層織物類膜材和熱塑化合物類膜材兩大類。
織物類膜材是膜結(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,同時決定膜材的物理特性。
2  充氣膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展
國外充氣膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展20世紀(jì)初現(xiàn)代充氣膜結(jié)構(gòu)逐漸開始發(fā)展。1917年,英國人W.Lanchester申請了通過鼓風(fēng)機(jī)吹氣支撐膜材而建立野外醫(yī)院的專利,但由于當(dāng)時技術(shù)和設(shè)備的限制并沒有實(shí)現(xiàn)。1970年日本萬國博覽會上,膜結(jié)構(gòu)被系統(tǒng)地推向世界。博覽會上橢圓形的美國館(見圖2a)采用PVC涂層的玻璃纖維織物,無柱大廳的屋面由32根沿對角線交叉布置的鋼索和膜材所覆蓋,它是世界上第一個大跨度低輪廓的氣承式膜結(jié)構(gòu)。另一個具有代表性的建筑是富士館(見圖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)。