大跨度空间结构膜结构论文.docx

大跨度空间结构膜结构论文.docx

《大跨度空间结构膜结构论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大跨度空间结构膜结构论文.docx（10页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

大跨度空间结构膜结构论文

目录

摘要……………………………………………………………

（2）

一．膜结构特点…………………………………………………（3）

二．膜结构种类及发展历史……………………………………（5）

三．膜材的分类…………………………………………………（8）

四．膜结构的设计………………………………………………（9）

五．中国膜结构发展前景和方向………………………………（10）

六．参考文献…………………………………………………（12）

摘要

大跨度空间结构是指横向跨越60米以上空间的各类结构形式的建筑结构，它往往是衡量一个国家或地区建筑技术水平的重要标志。

其结构形式主要包括网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、薄壳结构等五大空间结构及各类组合空间结构。

形态各异的空间结构在体育场馆、会展中心、影剧院、大型剧场、工厂车间等建筑中得到了广泛的应用

其中膜结构膜结构是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式，是由多种高强薄膜材料（PVC或Teflon）及加强构件（钢架、钢柱或钢索）通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。

在近几年来，由于膜结构造型非常优美灵活、适合覆盖大跨度空间、良好的耐火性和抗震性，使其在大型现代化建筑中受到了越来越多人的亲睐。

一、膜结构特点（优、缺点）

1．轻质

张力结构自重小的原因在于它依靠预应力形态而非材料来保持结构的稳定性。

从而使其自重比传统建筑结构的小得多，但却具有良好的稳定性。

2．较高的透光性（降低能源消耗）

透光性是现代膜结构最被广泛认可的特性之一。

膜材的透光性可以为建筑提供所需的照度，这对于建筑节能十分重要。

对于一些要求光照多且亮度高的商业建筑等尤为重要。

通过自然采光与人工采光的综合利用，膜材透光性可为建筑设计提供更大的美学创作空间。

夜晚，透光性将膜结构变成了光的雕塑,

透光性的缺点

如果室内阳光照射时间过长，会使得室内温度骤然升高，影响人在建筑物内的正常活动。

3．良好的柔性

张拉膜结构不是刚性的，其在风荷载或雪荷载的作用下会产生变形。

膜结构通过变形来适应外荷载，在此过程中荷载作用方向上的膜面曲率半径会减小，直至能更有效抵抗该荷载

4．造型优美且适用于大型无柱空间

由于膜为织物材料自重较轻，且拥有较好的韧性，所以可塑性很大，多变的支撑结构和柔性膜材使建筑物造型更加多样化，新颖美观，同时体现结构之美，且色彩丰富，可创造更自由的建筑形体和更丰富的建筑语言。

同时，它也可以实现大跨度无柱空间。

5．安全性

由于轻型结构自重较轻，即使发生意外坍塌，其危险性也较传统建筑结构小。

膜结构发生撕裂时，若结构布置能保证桅杆、梁等刚性支承构件不发生坍塌，其危险性会更小。

6.良好的自洁性及对积水、积雪自动下滑对策

由于膜结构多为突出弧形或半球形结构，所以当上面有积水或者积雪时，这样的结构形式有利于雪、水可自动下滑，在下滑过程中自动的进行了对膜结构表面的清洁。

7.施工周期短

膜工程中所有加工和制作依设计均可在工厂内完成，在现场只进行安装作业。

相比传统建筑的施工周期，它几乎要快一倍

8.耐久性差。

膜材在持续的张力状态下容易发生蠕变，预应力损失，膜面发生褶皱，导致整体结构的承载力下降，无法保持原有的形状，另外，长期风、雪等动荷载作用下，轻质膜材容易发生振动，结构的稳定性将受到影响。

在温差较大的区域，受天气影响较大。

而且现在的膜结构的使用年限非常短，一般只可使用10到25年左右。

9.膜材易褪色

高度的紫外线照射会引起膜材的褪色。

在紫外线照射较强的区域膜材不应采用鲜艳的色彩。

二、膜结构种类及发展历史

1.充气式膜结构：

充气式膜结构是将膜材固定于屋顶结构周边，利用送风系统让室内气压上升到一定压力后，使屋顶内外产生压力差，以抵抗外力，因利用气压来支撑，及钢索作为辅助材，无需任何梁，柱支撑，可得更大的空间，施工快捷，经济效益高，但需维持进行24小时送风机运转，在持续运行及机器维护费用的成本上较高。

世界上第一座充气膜结构建成于1946年，设计者为美国的沃尔特·勃德。

1967年在德国斯图加特召开的第一届国际充气结构会议，无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂。

随后各式各样的充气膜结构建筑出现在1970年大阪世界博览会上。

其代表建筑有1988年在日本建成的‘东京巨蛋’，又称东京棒球馆（图1），我国在08年奥运会建成的‘国家游泳中心’又称水立方（图2）等

图1东京巨蛋（东京棒球馆）图2国家游泳馆（2008）

2.张拉式膜结构

以膜材、钢索及支柱构成，利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安定的形式。

除了可实践具创意，创新且美观的造型外，

也是最能展现膜结构精神的构造形式.近年来，大型跨距空间也多采用以钢索与压缩材构成钢索网来支撑上部膜材的形式。

因施工精度要求高，结构性能强，且具丰富的表现力，所以造价略高于骨架式膜结构。

张拉形式膜结构的先行者是德国的奥托，他在1955年设计的张拉膜结构跨度在25m左右，用于联合公园多功能展厅。

由于张拉膜结构是通过边界条件给膜材施加一定的预张应力，以抵抗外部荷载的作用，因此在一定初始条件（边界条件和应力条件）下，其初始形状的确定、在外荷载作用下膜中应力分布与变形以及怎样用二维的摸材料来模拟三维的空间曲面等一系列复杂的问题，都需要有计算来确定，所以张拉膜结构的发展离不开计算机技术的进步和新算法的提出,因此计算机技术的迅猛发展为张拉膜结构的应用开辟了广阔的前景，而特氟隆摸材料的研制成功也极大地推动了张拉膜结构的应用。

其代表建筑有日本的‘白龙穹顶’、美国新丹佛国际机场（图3）以及我国在1997年建成的上海的‘八万人体育场’（图4）等。

图3丹佛国际机场图4上海八万人体育场（1997）

3.骨架式膜结构

骨架式膜结构是指钢构或是集成材构成的屋顶骨架，在其上方张拉膜材的构造形式,下部支撑结构安定性高，因屋顶造型比较单纯,开口部不易受限制，且经济效益高等特点，广泛适用于任何大,小规模的空间。

具有代表性的骨架式膜结构的建筑有日本秋天的‘天穹’（图5a、5b）等。

图5a‘天穹’结构示意图图5b天穹’外观图

4.索穹顶（组合膜结构）

索穹顶是由预应力钢索、钢杆件以及薄膜组合而成的组合膜结构，结构大量采用预应力钢索，压杆少而短，所以能充分发挥钢材的抗拉强度，结构效率极高。

自从20世纪末问世以来，便以其新颖的造型、合理的受力、经济的造价、快速的施工，赢得了工程师们的亲睐，并被成功地应用在一些大跨度、超大跨度建筑的屋盖设计中，是近年来国内外空间结构的研究热点之一。

早期的索穹顶结构是在1988年由美国工程师Geiger在韩国所设计的韩国汉城奥运会体操馆，之后美国工程师Levy对Geiger设计的索穹顶中索网平面外刚度不足、容易失稳等缺点进行了改进,将辐射状脊索变为三角化联方型布置脊索,成功设计了1996年亚特兰大奥运会的主体育馆‘乔治亚穹顶’，此后由于技术方面日渐成熟与完善，索穹顶如雨后春笋一般在世界各地出现，当中具有代表性的索穹顶建筑应属1999年英国伦敦的‘千年穹顶’（图6a、6b）,千年穹顶以其独特的膜结构，显示了当今建筑技术与材料科学的发展水平。

图6a千年穹顶（1999）图6b千年穹顶结构示意图

三、膜材的分类

目前建筑膜材广泛认可的标准是日本JISA-93所规定的A（PTFE）、B、C三类，是根据其防火性能的优劣来划分的。

A类最好，以玻璃纤维织物为基材涂PTFE（永久膜材）与我国的国家游泳中心（水立方）外墙所采用的膜材ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）为主。

PTFE膜材：

在超细玻璃纤维织物上涂以聚四氟乙烯树脂而成的材料。

这种膜材有较好的焊接性能，有优良的抗紫外线、抗老化性能和阻燃性能。

另外，其防污自洁性是所有建筑膜材中最好的，但柔韧性差，施工较困难，成本也十分惊人

ETFE膜材：

由人工高强度氟聚合物（ETFE）制成，具有以下优点。

其特有抗粘着表面使其具有高抗污，易清洗的特点；使用寿命至少为25-35年，是用于永久性多层可移动屋顶结构的理想材料；ETFE膜达到B1、DIN4102防火等级标准，燃烧时也不会滴落；膜质量很轻，每平方米只有0.15-0.35公斤；ETFE膜完全为可再循环利用材料等。

B类次之，以玻璃纤维织物为基材涂PVC而成；　　

C类是三类中最次的，以聚酯（涤纶）织物为基材涂PVC而成。

按涂层材料分，有聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、橡胶等，它的寿命因不同的表面涂层而异，一般可达12—50年。

四、膜结构的设计

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弛法、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。

五、中国膜结构发展前景和方向

一个国家膜结构建筑的规模大小从侧面反映出了一个国家的科技文化水平。

近年来，中国膜结构的发展规模是十分鼓舞人心的，从1995年开始，当年只造了一个面积为3300m2的膜结构。

从1996至2001年，六年内建造的膜结构估计达370,000m2。

由于一些大型体育场的建成，膜结构的建设以平均每年20％的速度增长。

2003年建造的膜结构约为180,000m2。

当膜结构第一次用于上海体育场时，恐怕有很少人会看到这在推动膜结构发展的潜力。

此后，膜材被用在大小不等的体育场篷盖上，浙江车棚并占据了膜结构相当大的份额。

当中最具代表性的应当属我们在2008年奥运会期间建成的国家游泳中心（俗称‘水立方’）它的建筑面积为79,532m2，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。

因此有理由预测中国的膜结构将继续以每年15-20％速度增长。

展望将来，随着中国经济的增长和文化生活的不断丰富，将建造更多的具有新颖功能、形式多样的建筑。

例如，江苏车棚按照规划需要32体育场馆，其中19个是新建的。

08年奥运会已经建成的奥林匹克公园将包括国家体育场、国家体育馆、国家游泳中心、国际展览中心等项目。

此外，2010年在上海举行的世界博览会，各种类型的展览馆由世界各国来建设。

大部分工程项目实行国际招标，这已经吸引不少国外的设计、咨询与施工单位来参与，无疑这会给中国带来新的概念和先进的技术。

由于膜结构所独有的特点与生命力，它将会在中国以更大的规模增长。

通过其发展，中国与世界的交流和合作也将不断壮大。

六．参考文献

《膜结构》来自：

XX百科

《大跨度空间结构》来自：

道客巴巴网--科学技术《薄膜结构》来自：

黑龙江大学--李方慧主编

《索和膜结构》来自：

同济大学--张其林主编

《膜结构发展》来自：

中国制造交易网

《建筑史上的神来之笔》来自：

中国期刊网