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充气膜结构发展历程
作者:www.szmjg100.com    发布于:2012-06-16 14:12:48    文字:【】【】【
摘要:早在1946年美国的沃尔特·勃德就大胆的设计出世界上第一座充气膜结构,在当时膜材屋面以什么支承,始终是膜结构设计中有待于探索的问题。也许当初是从气球或橡皮艇受到的启发,人们考虑以空气为支承,就是向气密性好的膜材所覆盖的空间注入空气,利用内外空气的压力差使膜材受拉,结构就具有一定的刚度来承重。
  早在1946年美国的沃尔特·勃德就大胆的设计出世界上第一座充气膜结构,在当时膜材屋面以什么支承,始终是膜结构设计中有待于探索的问题。也许当初是从气球或橡皮艇受到的启发,人们考虑以空气为支承,就是向气密性好的膜材所覆盖的空间注入空气,利用内外空气的压力差使膜材受拉,结构就具有一定的刚度来承重。
       而后大阪博览会的美国馆则是大跨度气承式膜结构的里程碑。在大阪博览会上还出现了一种气胀式膜结构,即将膜材本身做成一个封闭体,注入空气的压力要比气承式大得多。象富士馆就是以轮胎状的半圆形筒体组成50m直径的圆顶,在节日广场大跨度网架上,铺设的屋面板是上下两层,其为聚酯膜材,10.8m见方的充气板。
   气承式膜结构用作大跨度体育馆屋顶,建成之后由于在恶劣天气时维护不当,曾出现过好几次事故,轻者屋面下瘪,重者膜材被撕裂,砸坏了下面的设施。这些事故虽然只造成一些财产的损失,并没有人员伤亡,但在公共建筑中屋面出问题,还是引起了公众的关注,甚至对气承式膜结构是否安全也产生了疑问。
  1986年以后,在美国建造的大型体育馆就没有采用过空气膜结构,对于有些已建成的体育馆,其膜材将达到保证的使用年限,需改建时也不再考虑采用气承式膜结构。不过由于其造价低廉、安装方便,中小跨度的健身房、网球馆、仓库等,气承式膜结构还是受到欢迎。
   对膜结构能否用在永久性建筑上一向比较慎重的日本,却在东京后乐园采用了气承式膜结构。它在构造上与以前在美国建造的空气膜结构没有什么差别,其主要特点是在屋顶上采用了先进的自动控制系统,同时屋面膜材为双层,其间有循环的热空气,以融化雪。这个号称为机械、电子与土建相结合的智能建筑,确保了膜结构的安全与体育馆的正常运行。然而,曾几何时,昂贵的运转与维持费用又使后乐园背上了沉重的经济包袱。近年来日本大量建造穹顶,而没有继续采用气承式膜结构。1997年日本熊本公园体育场主屋盖采用了加劲索的双层气胀式膜结构,使空气再一次作为膜的支承。熊本穹顶融合了车轮型双层圆形悬索和气胀式膜结构的特点,成为一种新型的杂交结构。直径107m的圆形屋顶宛如一朵浮云覆盖着体育馆,双层膜之间的充气量远小于要对整个室内空间充气的气承式膜结构。一旦漏气,屋盖还可由钢索支承,不至于塌落。美国工程师盖格(D.Geiger)是气承式膜结构的先驱者,他设计了大阪博览会的美国馆,其后又将改进的玻璃纤维膜材用于银色穹顶。由于气承式膜结构出现过的多次事故,使他察觉到空气支承的潜在缺陷,转而寻求其他的支承方式。在此之前,美国的发明家和工程师富勒(B.Fuller)提出了张拉整体(Tensegrity)的概念,即以连续的受拉钢索为主,以不连续的压杆为辅,组成一种结构体系,然而他的概念始终没有在工程中实现。盖格创造性地把这个概念运用到以索、膜与压杆组成的索穹顶(cable dome)设计上,荷载从中心受拉环通过一系列辐射状脊索,受拉环索与斜拉索传到周围的受压圈梁上。
        索穹顶首先用在1986年韩国汉城奥运会的体操馆与击剑馆上,其直径分别为120m与93m。其后又得到了不断的发展,跨度最大的是美国佛罗里达州的太阳海岸穹顶,直径达210m。此外,美国李维(M.levy)也继承了张拉整体的构想,并采用了富勒的三角形网格,设计了双曲抛物面的张拉整体穹顶,其代表作就是1996年在美国亚特兰大举行的奥运会主馆--佐治亚穹顶,这个240mX192m的椭圆形索膜结构成为世界上最大的室内体育馆。主要依靠索来支承膜的索穹顶是膜结构体系的一大进展。膜材也完全可以支承在平面或空间结构上,如拱、网壳等,其材料可选用钢、木或铝合金。象日本秋田天空穹顶采用了钢结构的空间拱系,而位于同一地区的大馆穹顶,178mX157m卵形平面上以双向胶合木拱支承着双层膜面。膜结构还可以采用桅杆作为支承,赋予建筑立面以新的变化,第一个采用涂覆PTFE玻璃纤维织物的拉维思学生活动中心屋顶由4个圆锥形的帐蓬组成,每一个圆锥体有一倾斜15度的桅杆,支承膜材的钢索就由桅杆顶部辐射状地伸向周围的圈梁。英国千年穹顶的12根桅杆穿出了屋面,膜面支承在72根辐射状的钢索上,这些钢索则通过斜拉吊索与系索由桅杆所支撑,吊索与系索对桅杆起稳定作用。在这些建筑中,传统的承重结构与先进的膜面形成了完美的结合。
        2008年北京奥运会“水立方”是世界上最大的充气膜结构工程,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。除了地面之外,外表都采用了膜结构。安装成功的气枕将通过事先安装在钢架上的充气管线充气变成“气泡”,整个充气过程由电脑智能监控,并根据当时的气压、光照等条件使“气泡”保持最佳状态。     这种像“泡泡装”一样的膜材料有自洁功能,使膜的表面基本上不沾灰尘。即  国家游泳中心使沾上灰尘,自然降水也足以使之清洁如新。此外,膜材料具有较好的抗压性,人们在上面“玩蹦床”都没问题,“正常的放上一辆汽车都不会压坏”。如果万一出现外膜破裂,根据应急预案,可在8个小时内把破损的外膜修好或换新。“水立方”晶莹剔透的外衣上面还点缀着无数白色的亮点,被称为镀点,它们可以改变光线的方向,起到隔热散光的效果。
        从多年来国内外的实践经验来看,由于新材料、新形式的不断出现,膜结构具有强大的生命力,必将是21世纪建筑结构发展的主流。它的应用范围不仅限于体育或展览建筑,已向房屋建筑的各个方面扩展,因而具有广阔的发展前景。在中国,膜结构的开发与研究还刚刚起步,因此当务之急是学习并引进国外先进技术,开发生产中国自己的膜材,解决设计中存在的问题。膜结构在中国也将会得到越来越多的应用。
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广西:南宁、柳州、桂林、梧州、北海、防城港、钦州、贵港、玉林、百色、贺州、河池、来宾、崇左
西藏:拉萨、日喀则、樟木镇、江孜、泽当、林芝、那曲
海南:海口、三亚、五指山、琼海、儋州、文昌、万宁、东方
宁夏:银川、石嘴山、吴忠、固原、中卫
商业设施:商场/商业街/购物中心/游乐中心/酒店/餐厅/商店门头(挑檐)等张拉膜结构
文化设施:展览中心/剧院/表演中心/会议厅/博物馆/植物园/水族馆/河道景观/公园雨亭等张拉膜结构
体育设施:体育场/体育馆/网球场/游泳馆/训练中心/健身中心/高尔夫球场/看台主席台等张拉膜结构
交通设施:飞机场/火车站/汽车站/公交车站/码头/停车场/天桥连廊/加油站/收费站等张拉膜结构
景观设施:建筑出入口/标志性小品/广场标识/小区景观/步行街/膜建筑屋顶等张拉膜结构
工业设施:工厂/仓库/污水处理中心/物流中心/科研中心/温室等张拉膜结构51La