充气膜结构简介

1、建筑2班 葛伟涛 刘广明大跨度建筑实例的结构分析大跨度建筑简介充气结构概述实例分析123CONTENTS随着科技水平的进步与建筑技术的不断发展，现今建筑物的跨度和规模越来越大，目前，尺度随着科技水平的进步与建筑技术的不断发展，现今建筑物的跨度和规模越来越大，目前，尺度能达到能达到150m以上的超大规模建筑已非个别；并且它们结构形式丰富多彩，采用了许多新材料和以上的超大规模建筑已非个别；并且它们结构形式丰富多彩，采用了许多新材料和新技术，发展了许多新的空间结构形式。大跨度建筑通常是指跨度在新技术，发展了许多新的空间结构形式。大跨度建筑通常是指跨度在30米以上的建筑，主要用米以上的建筑，主要用于民

2、用建于民用建筑的影剧院、体育场、展览馆、大会堂、航空港以及其他大型公共建筑在工业建筑中筑的影剧院、体育场、展览馆、大会堂、航空港以及其他大型公共建筑在工业建筑中则主要用于飞机装配车间、飞机库和其他大跨度厂房中。则主要用于飞机装配车间、飞机库和其他大跨度厂房中。大跨度建筑主要包括大跨度建筑主要包括网架结构、网壳结构、悬索结构、桁架结构、膜结构、薄壳网架结构、网壳结构、悬索结构、桁架结构、膜结构、薄壳结构结构等基本空等基本空间结构。还包括他们的各种组合与演变。正是这种组合与演变间结构。还包括他们的各种组合与演变。正是这种组合与演变,造就了当今大跨度建筑的纷繁多造就了当今大跨度建筑的纷繁多样的建筑形

3、式以及纷繁的建筑空间。样的建筑形式以及纷繁的建筑空间。充气结构充气结构Chapter充气膜结构在索穹顶体系出现之前，创造了段大跨建筑的辉煌发展史。充气结构简介简介充气结构，又名充气结构，又名充气膜结构充气膜结构,是指在以高分子材料制成的薄膜制品中充入空气后而形成房屋是指在以高分子材料制成的薄膜制品中充入空气后而形成房屋的结构。充气式的结构。充气式充气结构充气结构结构又可分为气承式膜结构和气胀式膜结构（或叫气肋式膜结构）。结构又可分为气承式膜结构和气胀式膜结构（或叫气肋式膜结构）。气承式膜结构（索膜结构）是通过压力控制系统向建筑物内充气，使室内外保持一定的压力差，气承式膜结构（索膜结构）是通过压

4、力控制系统向建筑物内充气，使室内外保持一定的压力差，使覆盖膜体受到上浮力，并产生一定的预张应力，以保证体系的刚度。气胀式膜结构是向单个使覆盖膜体受到上浮力，并产生一定的预张应力，以保证体系的刚度。气胀式膜结构是向单个膜构件内充气，使其保持足够的内压，多个膜构件进行组合可形成一定形状的一个整体受力体膜构件内充气，使其保持足够的内压，多个膜构件进行组合可形成一定形状的一个整体受力体系。系。充气结构发展发展充气结构于充气结构于20世纪世纪40年代开始应用，可作为体育场、展览厅、仓库、战地医院等。特别适宜于年代开始应用，可作为体育场、展览厅、仓库、战地医院等。特别适宜于轻便流动的临时性建筑和半永久性建

5、筑。充气结构具有重量轻、跨度大、构造简单、施工方便、轻便流动的临时性建筑和半永久性建筑。充气结构具有重量轻、跨度大、构造简单、施工方便、建筑造型灵活等优点；其缺点是隔热性、防火性较差，且有漏气问题需要持续供气。建筑造型灵活等优点；其缺点是隔热性、防火性较差，且有漏气问题需要持续供气。材料材料薄膜材料主要有玻璃纤维布、塑料薄膜、金属编织物等，其中用得最多的是玻璃纤维布，其表薄膜材料主要有玻璃纤维布、塑料薄膜、金属编织物等，其中用得最多的是玻璃纤维布，其表面可涂聚四氟乙烯等类涂料，以增加耐久性和防火性。薄膜材料的接缝可采用熔接、粘接和缝面可涂聚四氟乙烯等类涂料，以增加耐久性和防火性。薄膜材料的接缝

6、可采用熔接、粘接和缝合等三种形式。合等三种形式。充气结构建筑的空间造型设计中，可以充分利用符合力学原理的建筑造型来增强建筑艺术表现力。这就建筑的空间造型设计中，可以充分利用符合力学原理的建筑造型来增强建筑艺术表现力。这就是通过结构件变形来表现出的整体结构形式，完全不需要任何媒介而呈现空间造型，简洁、流是通过结构件变形来表现出的整体结构形式，完全不需要任何媒介而呈现空间造型，简洁、流畅、自然。充气结构就是这样造型别致、变化无穷的结构形式。一片只能承受拉力的柔性薄膜畅、自然。充气结构就是这样造型别致、变化无穷的结构形式。一片只能承受拉力的柔性薄膜在受到有压差的气体作用时，呈现出充气的形状，它朝着气

7、体密度低的方向变在受到有压差的气体作用时，呈现出充气的形状，它朝着气体密度低的方向变形，直到位移和形，直到位移和形状趋于稳定。充气加压后的薄膜能够承受一定的外力，根据这一基本原理，可利用薄膜和受形状趋于稳定。充气加压后的薄膜能够承受一定的外力，根据这一基本原理，可利用薄膜和受约束的气体共同构成的一种充气结构体。充气结构是通过压差保持稳定的结构类型，对所采用约束的气体共同构成的一种充气结构体。充气结构是通过压差保持稳定的结构类型，对所采用的充气结构的稳定性或承重构件作出正确的分析，就必须对其造型规律进行基本的研究。的充气结构的稳定性或承重构件作出正确的分析，就必须对其造型规律进行基本的研究。广岛

8、巨浪馆充气结构结构类型结构类型充气结构主要有气承式和气囊式两种结构形式：充气结构主要有气承式和气囊式两种结构形式：气承式结构是直接用单层薄膜作为屋面和外墙，将周边锚固在圈梁或地梁上，充气后形成圆气承式结构是直接用单层薄膜作为屋面和外墙，将周边锚固在圈梁或地梁上，充气后形成圆筒状、球状或其他形状的建筑物。室内气压为室外气压的筒状、球状或其他形状的建筑物。室内气压为室外气压的1.0011.003倍。人和物通过气锁出倍。人和物通过气锁出入口进出。为减小薄膜拉力、增大结构跨度，气承式结构薄膜上面可设置钢索网。入口进出。为减小薄膜拉力、增大结构跨度，气承式结构薄膜上面可设置钢索网。气囊式结构是将空气充入

9、由薄膜制成的气囊，形成柱、梁、拱、板、壳等基本构件，再将这气囊式结构是将空气充入由薄膜制成的气囊，形成柱、梁、拱、板、壳等基本构件，再将这些构件连接组合而成的建筑物。气囊中的气压为室外气压的些构件连接组合而成的建筑物。气囊中的气压为室外气压的27倍，故是一种高压体系。倍，故是一种高压体系。充气结构造型分类造型分类在造型设计过程中，为了产生复杂多样的空间造型，必须关注不同造型之间的边界形状即其连在造型设计过程中，为了产生复杂多样的空间造型，必须关注不同造型之间的边界形状即其连接部分的曲面拟合。造型表面必须满足一些基本条件：封闭，有向，有界和连接。只有封闭表接部分的曲面拟合。造型表面必须满足一些基

10、本条件：封闭，有向，有界和连接。只有封闭表面才能保证平面立体的拓扑关系成立。而且造型还要满足一定的结构刚性，以满足承受一定外面才能保证平面立体的拓扑关系成立。而且造型还要满足一定的结构刚性，以满足承受一定外荷载的要求。荷载的要求。充气结构根据不同的分类依据有多种划分。根据大气层中使用空间的主要结构效用可分为单层充气结构根据不同的分类依据有多种划分。根据大气层中使用空间的主要结构效用可分为单层充气结构和双层充气结构。单层膜的空间只有一层薄膜围成，支承介质必须是空气；双层膜的充气结构和双层充气结构。单层膜的空间只有一层薄膜围成，支承介质必须是空气；双层膜的两层受力薄膜总是向相反方向弯曲，中间可以用

11、其他气体或高压空气，室内无超压，虽然跨度两层受力薄膜总是向相反方向弯曲，中间可以用其他气体或高压空气，室内无超压，虽然跨度能力有所限制，但保持了快速折装、便于运输（体积小、质量轻）、可反复使用和抗灾性好，能力有所限制，但保持了快速折装、便于运输（体积小、质量轻）、可反复使用和抗灾性好，光环境宜人等特点。同时保温隔热，在建筑形式上灵活多样。光环境宜人等特点。同时保温隔热，在建筑形式上灵活多样。充气结构造型分类造型分类根据被约束气体压力的大小：可以分为低压充气结构和高压充气结构。它们在内压、结构功能、根据被约束气体压力的大小：可以分为低压充气结构和高压充气结构。它们在内压、结构功能、支承类型等方面

12、都有所不同。低压充气结构内压为支承类型等方面都有所不同。低压充气结构内压为1001000N/m2，而高压充气结构内压高达，而高压充气结构内压高达1000070000N/m2。通常单气膜是低压的，而双气膜可以是高压，也可是低压。高压体系的。通常单气膜是低压的，而双气膜可以是高压，也可是低压。高压体系的充气结构一般都是由管状构件组成，在一个方向上为弧形曲率，而在另一个方向曲率很小，或充气结构一般都是由管状构件组成，在一个方向上为弧形曲率，而在另一个方向曲率很小，或为零。管状构件还可以承受垂直膜面作用外力，如同梁、拱的作用，其在承受较大的外力时只为零。管状构件还可以承受垂直膜面作用外力，如同梁、拱的

13、作用，其在承受较大的外力时只有通过较高的内压平衡。但是高压体系会发生膜内气体渗透现象。有通过较高的内压平衡。但是高压体系会发生膜内气体渗透现象。充气结构造型分类造型分类根据被约束气体的压力性质，又可以把充气结构分为负压体系和正压体系。简单区分就是膜内根据被约束气体的压力性质，又可以把充气结构分为负压体系和正压体系。简单区分就是膜内气压若低于大气压则为负压体系，反之，则为正压体系。负压体系空间造型的外廓线为凹曲面气压若低于大气压则为负压体系，反之，则为正压体系。负压体系空间造型的外廓线为凹曲面形，凹曲面造型充气结构属于低压体系，原因是膜材的应力一般都不大，而极小的压差会在膜形，凹曲面造型充气结构

14、属于低压体系，原因是膜材的应力一般都不大，而极小的压差会在膜面引起足够的膜面应力，容易获得要求的凹曲面造型。但凹曲面造型会引起积雪和积水等可能面引起足够的膜面应力，容易获得要求的凹曲面造型。但凹曲面造型会引起积雪和积水等可能造成的问题，并因风荷载可能会引起形状不稳定。而正压体系空间造型的外廓线为凸曲面形，造成的问题，并因风荷载可能会引起形状不稳定。而正压体系空间造型的外廓线为凸曲面形，其结构内部气压应高于周围结构外部的大气压。凸曲面造型充气结构既有低压体系，又有高压其结构内部气压应高于周围结构外部的大气压。凸曲面造型充气结构既有低压体系，又有高压体系。因而凸曲面造型充气结构膜材的应力变化较大，

15、在凸曲面充气结构造型设计时首先要确体系。因而凸曲面造型充气结构膜材的应力变化较大，在凸曲面充气结构造型设计时首先要确定是低压体系还是高压体系，以确定选用的膜材。定是低压体系还是高压体系，以确定选用的膜材。充气结构边界条件边界条件充气结构中不论任何形式的造型分类，根据膜面边界条件的受力特性分为无附加支承约束、有充气结构中不论任何形式的造型分类，根据膜面边界条件的受力特性分为无附加支承约束、有附加支承约束两种情况。无附加支承约束是指充气膜面仅仅依靠内部气压作用而张紧受力，不附加支承约束两种情况。无附加支承约束是指充气膜面仅仅依靠内部气压作用而张紧受力，不需要依靠有附加支承约束来张紧膜面。有附加支承

16、约束又具体分为附加点支承、附加线支承和需要依靠有附加支承约束来张紧膜面。有附加支承约束又具体分为附加点支承、附加线支承和复合支承。有附加支承约束是指充气膜面不仅依靠内部气压作用而使膜面张紧受力，而且需要复合支承。有附加支承约束是指充气膜面不仅依靠内部气压作用而使膜面张紧受力，而且需要依靠有附加支承约束来张紧膜面。因而有附加支承约束充气结构可以适用于更大跨度、更大空依靠有附加支承约束来张紧膜面。因而有附加支承约束充气结构可以适用于更大跨度、更大空间的要求，因而使空间造型更加多样，更加变化。间的要求，因而使空间造型更加多样，更加变化。充气结构边界条件边界条件有附加支承约束通过调整膜面的曲率半径降低

17、膜面应力，也为了减少正压结构的体积或撑张负有附加支承约束通过调整膜面的曲率半径降低膜面应力，也为了减少正压结构的体积或撑张负压结构，以利于在建筑中应用，设计出形形色色的结构形式和建筑造型。分为三种承接方式。压结构，以利于在建筑中应用，设计出形形色色的结构形式和建筑造型。分为三种承接方式。（1）附加点支承）附加点支承此类支承可分为柔性和刚性两类。此类支承可分为柔性和刚性两类。点支承是采用刚性圆盘、刚性球面；或是用柔性绳环、高压充气点支承是采用刚性圆盘、刚性球面；或是用柔性绳环、高压充气球等构件对膜面进行牵拉或撑顶。通常柔性支承比刚性支承更好地与膜面协同工作，并有效避免应力的集中。但支承点球等构件

18、对膜面进行牵拉或撑顶。通常柔性支承比刚性支承更好地与膜面协同工作，并有效避免应力的集中。但支承点构造复杂，材料费用昂贵。且容易应力集中，导致膜面破裂。构造复杂，材料费用昂贵。且容易应力集中，导致膜面破裂。（2）附加线支承）附加线支承膜面的附加线支承也可分为柔性和刚性两大类。膜面的附加线支承也可分为柔性和刚性两大类。柔性线支承通常是用索来实现的，包括金属线、纤维线、链条和绳等。索广泛应用于膜面的支承中，起结构支撑的作用，柔性线支承通常是用索来实现的，包括金属线、纤维线、链条和绳等。索广泛应用于膜面的支承中，起结构支撑的作用，有些对膜面起稳定的作用。在点支承中经常布置沿支承点放射的索，即点索支承来

19、满足造型与受力需要。梁、拱等则是有些对膜面起稳定的作用。在点支承中经常布置沿支承点放射的索，即点索支承来满足造型与受力需要。梁、拱等则是刚性的线支承。平直的梁多用于双气膜和建筑物其它部位相连接时的情况；而利于均布受压的拱则多用于支承负压体系刚性的线支承。平直的梁多用于双气膜和建筑物其它部位相连接时的情况；而利于均布受压的拱则多用于支承负压体系的外膜或正压体系的内膜。的外膜或正压体系的内膜。（3）复合支承）复合支承可以利用超压的气体或膜面为充气膜的膜面提供线、面支承。可以利用超压的气体或膜面为充气膜的膜面提供线、面支承。将单层膜、双层膜的使用空间充入一定的气压，使用空间的气压可以高于、低于也可以

20、等于气囊内的气压。采用附加点将单层膜、双层膜的使用空间充入一定的气压，使用空间的气压可以高于、低于也可以等于气囊内的气压。采用附加点支承和附加线支承的复合支承，不仅有效地提高了充气结构的承载能力，而且极大地提高了安全性能一一无论是外膜还支承和附加线支承的复合支承，不仅有效地提高了充气结构的承载能力，而且极大地提高了安全性能一一无论是外膜还是内膜受到严重意外破坏并退出工作，整个结构仍可以继续工作而不坍落。是内膜受到严重意外破坏并退出工作，整个结构仍可以继续工作而不坍落。实例分析1.中央党校气膜网球馆中央党校气膜网球馆-中国第一个自然采光的气膜网馆中国第一个自然采光的气膜网馆尺寸：长尺寸：长109

21、米米*宽宽38米米*高高12.5米米面积：面积：4142平方米平方米该项目片网球场采用二次反光照明系统，运动时完全看不到光源，环境舒适不会晃眼该项目片网球场采用二次反光照明系统，运动时完全看不到光源，环境舒适不会晃眼,气膜顶气膜顶部搭配使用透光膜部搭配使用透光膜(光率光率25%)，达到日间充分利用自然光的效果。，达到日间充分利用自然光的效果。实例分析2.深圳东部华侨城大侠谷儿童乐园项目深圳东部华侨城大侠谷儿童乐园项目世界第一个七彩气膜室内游乐园世界第一个七彩气膜室内游乐园项目特点：直径项目特点：直径54米，高米，高15米米面积：面积：2289平方米平方米外膜采用七彩膜，是世界第一个七彩圆形气膜

22、建筑，优美的外观充分体现了膜材颜色的多样。外膜采用七彩膜，是世界第一个七彩圆形气膜建筑，优美的外观充分体现了膜材颜色的多样。安全智能的送风系统，既能保持场内空气新鲜又可以防止热能的损耗，为游人提供舒适的游乐安全智能的送风系统，既能保持场内空气新鲜又可以防止热能的损耗，为游人提供舒适的游乐环境。高跨比，大空间无梁柱，自重轻这些都是传统建筑所无可比拟的气膜建筑系统可达到抵环境。高跨比，大空间无梁柱，自重轻这些都是传统建筑所无可比拟的气膜建筑系统可达到抵御御67米米/秒的台风和秒的台风和250kg/m2的积雪，保证建筑的安全性，空调能耗仅为传统建筑的的积雪，保证建筑的安全性，空调能耗仅为传统建筑的1

23、/101/4，总体节能总体节能75%以上。以上。实例分析3.南京南湖俱乐部羽毛球馆南京南湖俱乐部羽毛球馆中国首个气膜球馆中国首个气膜球馆该项目利用气膜建筑的轻质高强度，项目跨度为该项目利用气膜建筑的轻质高强度，项目跨度为27米，长米，长44米，原有女儿墙体高米，原有女儿墙体高1.4米，气膜从米，气膜从墙上起拱，高墙上起拱，高11.6米米,主要受力为上扬力等特质，在原有的老式建筑顶楼加盖出一层建筑。主要受力为上扬力等特质，在原有的老式建筑顶楼加盖出一层建筑。原建原建筑为老式四层楼房，利用气膜建筑在楼顶设计出一个新型的羽毛球馆，经过核算，气膜建筑的筑为老式四层楼房，利用气膜建筑在楼顶设计出一个新型的羽毛球馆，经过核算，气膜建筑的建设和使用完全在原有建筑的基础承受范围之内，不会影响到原建筑的