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膜結構是一種代表當今建筑技術和材料科學發展水平的新型結構,是現代空間結構體系的一個重要分支。膜結構外觀造型新穎,滿足現代人的審美觀念,成為現代建筑結構的新風格。同時膜結構具有充分利用陽光、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構符合目前提倡的“可持續發展”重大戰略,也為高科技生態建筑的發展提供了廣闊的空間,因此受到世界各地綠色建筑倡導者們的青睞。膜結構在世界范圍內迅猛發展,主要應用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務設施等大跨建筑中。
1 充氣膜結構的概述
充氣膜結構的分類與特點現代膜結構一般可分為充氣膜、張拉膜、骨架式膜及索穹頂膜結構等結構體系,其中充氣膜結構是膜結構最初發展過程中的主要形式。充氣膜結構利用帆船原理,由膜內的空氣壓力支撐膜面,具有穩定的形狀和一定的剛度,同時可以抵抗外力的作用。根據力學性質,可分為氣承式和氣囊式膜結構。
氣承式膜結構是固定膜面周圍邊緣,對膜建筑內加壓使膜面鼓起至設計空間曲面,保持內外壓差使膜面受壓以確保剛度,從而維持形態并抵抗荷載。
氣囊式膜結構則是充氣于特定形狀的氣囊內,使之成為具有一定剛度的結構或構件,并由此來承受荷載。
充氣膜結構建筑不僅可以滿足傳統建筑的功能要求,還具有跨度大、造型奇特和自潔性強等特點。同時,膜結構建筑造價合理,其造價僅為傳統建筑造價的一半左右。同時,與傳統建筑結構相比,其施工周期可縮短一半,且施工期內其他工程的施工不受影響。
膜材料概述國內外目前應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。
織物類膜材是膜結構工程中應用最廣泛的膜材,在紡織學里也稱為涂層織物,其由基布纖維、涂層、面層等構成(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,通過機織、針織等編織方式加工成基材,基質則采用聚氯乙烯(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。內部織物決定了膜材的主要力學性能[9],涂層和面層具有粘結增強和傳遞應力的作用,同時決定膜材的物理特性。
2  充氣膜結構的發展
國外充氣膜結構的發展20世紀初現代充氣膜結構逐漸開始發展。1917年,英國人W.Lanchester申請了通過鼓風機吹氣支撐膜材而建立野外醫院的專利,但由于當時技術和設備的限制并沒有實現。1970年日本萬國博覽會上,膜結構被系統地推向世界。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構。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構,它也是迄今為止建成的最大的氣肋式充氣膜結構。