建筑膜结构 (土木工程)课件

建筑膜结构制作：Susanye硬件支持：建筑膜结构(土木工程)1.膜结构的定义

膜结构也称为织物结构，是世纪中叶发展起来的一种新型空间结构形式，它以性能优良柔软织物为材料，由膜内空气压力支撑膜面，或利用柔性钢索或刚性支撑结构使膜面产生一定的预张力，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。

膜结构的起源可追溯至远古时代人们利用牛皮或布等制作的帐篷结构。但是长期以来由于技术原因，这种结构发展并不快。1970年日本大阪世界博览会，由美国工程师盖格尔(DavidGeiger)

设计的美国馆，其屋顶采用空气支撑膜结构，平面尺寸达到83.5m×142m，采用以聚氯乙烯(PVC)涂层的玻璃纤维织物建造。通常被认为是第一个现代意义上的大跨度膜结构。

虽然现代膜结构出现仅有几十年时间，但发展迅速。既可应用于大型大跨度的公共建筑，如体育场馆、机场大厅、展览中心、购物中心，也适用于规模较小而造型各异的休闲景观设施、建筑小品等。建筑膜结构(土木工程)2.膜结构的特点与传统结构相比，膜结构有以下几个特点：1）自重轻、跨度大、抗震性能好。薄膜结构与传统结构相比自重有数量级的差别约为后者的。可以轻易地跨越较大的跨度，且单位面积的自重与造价未明显增加。由于自重轻，膜结构建筑具有良好的抗震性能。2）建筑造型自由丰富。膜结构建筑造型丰富多彩、新颖独特，富有时代气息，可为建筑师提供较大的想象和创作空间。3）施工方便。膜材料的裁剪、熔接等工作主要在工厂完成，现场主要是将膜成品张拉就位安装。与传统建筑相比，施工程序简单，施工周期大为缩短。4）透光性。膜材具有良好的透光性，透光率约47%~16%。白天阳光形成自然漫射，几乎无需人工采光，节约能耗，而晚上室内灯光透过膜面而给夜空增添梦幻般的夜景。5）自洁性。膜材的表面涂层、特别是聚四氟乙烯涂层，具有良好的非粘着性，大气中的灰尘及脏物不易附着，表面灰尘也会被雨水冲刷干净，常年使用后仍能保持外观洁净与室内美观。

除了以上优点，膜结构也有一定的不足。如耐久性、保温隔热性能以及隔音效果都不及传统的砖石、钢筋混凝土等材料，仍有待研究。建筑膜结构(土木工程)3.膜结构的分类

根据不同的支撑方式，通常将膜结构分为空气支撑式、张拉式及骨架支撑膜结构大类。建筑膜结构(土木工程)

空气支撑式膜结构

空气支撑膜结构是利用薄膜内外的空气压差来稳定膜面以承受外荷载。又可分为气承式和气囊式两类。气承式是通过压力控制系统向建筑物室内充气，使室内外保持一定的压力差，膜体产生一定的预张力从而保证体系的刚度。气囊式是向单个膜构件通常为管状构件内充气，使其保持足够的内压。由多个膜结构进行组合形成一定形状的整体结构。建筑膜结构(土木工程)张拉式膜结构

张拉式膜结构是由索网结构发展而来的，依靠薄膜自身的预张应力与拉索、支柱共同作用构成的结构体系。张拉式膜结构中，薄膜材料既承载结构，又起到围护功能，充分发挥了膜材的结构功能。结构造型也较为丰富，可以说是最具创意的膜结构形式。但对施工精度要求较高，工程造价相对较高。建筑膜结构(土木工程)骨架支撑膜结构

骨架支撑膜结构是指以刚性结构通常为钢结构为承重骨架、并在骨架上敷设张紧的膜材的结构形式。刚性骨架是主要受力体系，膜材仅作为围护结构，故设计、制作比较简单，工程造价相对较低。但未发挥出膜材料本身的结构承载力，跨度也受支撑骨架的限制。建筑膜结构(土木工程)4.膜材料的物理性能

膜材属于柔性极大的高分子化学建材，其物理性能也与一般传统建材有很大差别。1）力学性能。中等强度的PVC膜，厚度仅0.61mm，但它的拉伸强度相当于钢材的一半。中等强度的PTFE膜，厚度仅0.8mm，但它的拉伸强度已达到钢材的水平。膜材的弹性模量较低，这有利于膜材形成复杂的曲面造型。2）光学性能。膜材料可滤除掉大部分紫外线，防止内部物品褪色。其对自然光的透射率可达225%，透射光在结构内部产生均匀的漫射光，无阴影，无眩光，具有良好的显色性，夜晚在周围环境光和内部照明的共同作用下，膜结构表面发出自然柔和的光辉，令人陶醉。3）声学性能。一般膜结构对于的低频几乎是通透的，对于有特殊吸音要求的膜结构可以采用360Hz具有吸声装置的膜材料。4）防火性能。如今广泛使用的膜材料能很好地满足对于防火的需求，具有卓越的阻燃和耐高温性能，达到法国、德国、美国、日本等多国标准。5）保温性能。单层膜材料的保温性能与砖墙相同，优于玻璃。同其他材料的建筑一样，膜建筑内部也可以采用其他方式调节其内部温度。例如：内部加挂保温层，运用空调采暖设备等。6）自洁性能。膜材经过特殊表面处理如加

TiO2涂层(TiO2涂层的膜材具有很好的自洁性能），雨水会在其表面聚成水珠流下，使膜材表面得到自然清洗。建筑膜结构(土木工程)5.膜材料

以高强纤维织物为骨架材料、表面涂覆高性能涂层材料，并具有良好的阻燃．耐老化．抗风雪载及自洁性能，可广泛用作展览，体育，交通、休闲等建筑物的屋顶材料并承载应力的新一代复合材料，人们称之为现代建筑膜结构材料。

当前常用的膜材料一般由两部分组成：基材编织物和涂层。涂层

其材料的强度和弹性性能主要取决于基材，而进一步的性能，如防火、防水、抗紫外线侵蚀以及对机械、化学等因素的不敏感性，都必须依靠涂层来加强。

建筑膜结构(土木工程)基材

基材基本上为一种织布，织布是由纤维构成。基材的选择是保证膜结构品质的关键。

常用的建筑膜材按基材可分为两类。一类是以聚酯织物为基材，表面进PVC涂层的产品，另一类是以玻璃纤维织物为基材、表面进行聚四氟乙烯涂层的产品．

前者一般用于使用年限在15年以下的幅时性或半永久性建筑，后者常用于永久性建筑。1）尼龙(Nylon)。其耐磨性和强度较高，抗拉力较聚酯类好，但其刚度较低，使得在载重情况下可能造成皱褶的概率大为升高，易受湿度变化的影响，使得在裁剪前后产生误差。另外，易受紫外线影响而逐渐失去抗拉力。若温度较高，可能发生氧化而变黄、变脆。2）聚酯类（Polyester）。又称为涤纶，抗拉力较尼龙稍差，但其具有良好的耐久性、抗紫外线性能。建筑膜结构(土木工程)6.膜结构建筑案例国家游泳中心（俗称“水立方”）位于北京奥林匹克公园内，2008年北京奥运会标志性建筑物之一。“水立方”是世界上最大的膜结构工程，建筑外围采用世界上最先进的环保节能ETFE(四氟乙烯)膜材料。“水立方”整体建筑由3000多个气枕组成，气枕大小不一、形状各异，覆盖面积达到10万平方米，堪称世界之最。建筑膜结构(土木工程)大连金石滩影视艺术中心为骨架式双层膜结构，主体膜结构为半个椭球钢网壳上面直接覆盖膜材料，椭球网壳平面长轴60米、短轴45米、高16米；为提高其保温隔热性能，本工程采用了双层膜，膜层间距475米。该项目荣获中国空间结构优秀工程三等奖。建筑膜结构(土木工程)天津保税区区标时至今日，完成于1998年5月14日的天津保税区区标膜结构工程，已经成为中国膜结构业界的里程碑，它标志着中国膜结构划时代的开始，其中索膜结构是此工程的重点内容，44个独立的膜结构单元体和钢结构采用牵拉方式连接，面材为法国法拉利公司生产的型号为1002T。建筑膜结构(土木工程)北京雕塑展览中心建筑膜结构(土木工程)大连五彩城风筝放飞场建筑膜结构(土木工程)帆船酒店建筑膜结构(土木工程)表1我国2000左右完成的大型膜结构体育馆

体育馆名称膜材投影面积(万/m2)膜材类型施工单位建成时间上海八万人体育馆3．6PVC膜材Bjrdaj公司1999

上海虹日俸育馆2．6PVC膜材Bima公司1999

广州黄埔体育馆1．0PVC膜材光翌空间膜结构技术工程公司2000

浙江义鸟体育馆1．6PVC膜材纽曼帝膜建筑技术公司2001

青岛最中体育馆3．0PVC膜材纽曼帝膜建筑技术公司2001

武秘体育中心3．0PVC膜材琢翻矗公司2001

威海体育中心2．5PVC膜材光翌空间膜结构技术工程公司2001

烟台体育馆1．6PVC膜材纽曼帝膜建筑技术公司2001郑州航海体育馆2．0PVC膜材纽曼帝膜建筑技术公司2001建筑膜结构(土木工程)5.问题与展望

我国在建筑膜材开发中需解决的核心问题有：

(1)建筑膜材基布的织造。国内生产的基布都是平纹组织结构。还没有厂家开发出可用于建筑膜材的结构的基布。(2)涂层工艺。采用的都是常规的单向张拉工艺，双向拉伸工艺未能开发。(3)表面防污自洁处理工艺。