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膜结构建筑体系及适用性研究

发布时间:2019年11月23日 点击数:19

0 引言

近年来,科技不断发展,复合材料工艺不断进步,膜材料具有轻质、高强度、强透光性、强柔性张力、易于施工及易回收等优点,在现有的建筑体系中崭露头角并已组成膜结构建筑体系。随着膜结构的普遍应用,关于膜结构越来越多的问题也得到了人们的关注。

膜结构与传统建筑结构存在较大差异,主要在材料、结构、造型等方面。膜材料的差异导致了透明度、强度、防火性能等差异,膜结构的不同会影响支撑强度及形变量等,这些问题都会影响膜结构的适用范围。文章针对膜材料及膜结构的不同,进行膜结构的适用性分析,有利于膜结构更好的应用。

1 膜结构及其特性分析

1.1 膜材料的分类

1.1.1 膜材组成

(1)织物膜材:(1)涂层织物膜材的组成主要是涂层、纤维基布、胶粘剂及表面涂层等。主要有聚酯纤维基布PVC涂层膜(PVC/PES)、玻璃纤维基布Silicone涂层膜、玻璃纤维基布PVC涂层膜(PTFE/GF)、PBO纤维基布PVF涂层膜及聚酯纤维基布Silicone涂层膜等类型。(2)非涂层织物膜材主要包括棉质纤维膜、氟化物织物及金属织物。

福建快3 (2)非织物膜材:主要指以EPFE薄膜、THV/FEP薄膜及PVC薄膜等为代表的热塑性化合物薄膜。

1.1.2 防火性能

A类膜材:涂层为PTFE、基布为玻璃纤维,不燃;B类膜材:涂层为聚乙烯基类、基布为乙烯-四氟乙烯共聚物或者玻璃纤维,可燃但不会烧穿,B1、DIN4120防火等级标准;C类膜材:涂层为聚氯乙烯,基布为聚酯纤维,可燃但不蔓延。

1.1.3 工程应用膜材

(1)PVC膜材:多用于临时性或半永久性建筑,耐久能力和自洁性较差,解决此问题需要靠TiO2福建快3或PVDF涂层。

(2)PTFE和ETFE膜材:自洁性和耐久能力较好,使膜结构走向永久性建筑,应用更加广泛。

1.2 膜结构分类

(1)骨架式膜结构:骨架的组成部分为钢材和木材,上方的膜材主要起覆盖作用,局部范围内发挥张拉作用,受骨架的约束,不易变形,风振效应相对较小。

(2)张拉式膜结构:拉索将膜材料张拉于结构上,膜面可以承担起覆盖建筑物的作用。这种结构形式下膜面本身也是受力体系的组成部分,结构受力体系由膜材压杆拉索共同构成,结构变形大,风振效应较明显。

(3)充气式膜结构:(1)气承式膜结构:直接用单层薄膜作为屋面和外墙,借助送风系统使室内气压大于外界气压,从而产生气压差来抵抗外力。(2)气肋(囊)式膜结构:拱形膜肋通过充气可具支撑能力作为气肋(囊)式膜结构的骨架,屋面体系则由骨架和膜材共同形成。

(4)索桁架膜结构:由索桁架与膜复合而成,索桁架本身就是一种独立的建筑结构体系,完整且稳定,有足够的刚度。

(5)张拉整体与索穹顶膜结构:是一种有自稳定性的闭合结构体系。在一定空间内,经连续拉力杆按特定几何拓扑关系组成,有较大刚度和稳定性。

1.3 膜材料的特性分析

(1)PVC(聚氯乙烯):弹性大,徐变大,强度低,柔韧性能好,可卷折,有良好的抗震性能,受光照影响较大,不易清洗,结构受力不理想。

(2)PVDF(聚二氟乙烯):比PVC使用期限多7~10年,耐火性合格,可实现较大程度跨越。

(3)PVF(聚偏氟乙烯):更耐用,防沾污,但防火性、加工性、施工性不佳,100°以下几乎不溶于任何溶剂。

(4)PTFE(聚四氟乙烯):适宜温度范围为-70~230℃,具有极好的耐久、防火及防污特性;树脂含量大于90%,在拉伸强度上,与钢材相似;光学性能好,耐老化,但成本高且柔软性差。

(5)ETFE(乙烯—聚四氟乙烯共聚物):能在-200~150℃的温度中长期使用,高抗污,易清洗,延展性、耐火性好,质量轻,可循环使用,有较强的耐腐蚀性,且可强力附着在金属表面,克服了PTFE不黏合金属的缺陷,是金属的理想复合材料;因其耐负压极为优良,在建筑中常常以气垫的形式被采用,并监控补充气压保证效果良好;光学性能极好,不易被外界环境影响。

2 膜结构建筑适用性分析

2.1 膜结构形式的建筑适用性分析

(1)骨架式膜结构十分稳定,一般暴露于膜内测,膜的强透光性也消除了关于视觉效果不佳的问题,同时,这样的结构形式更简单有效地减小膜面曲率。平缓膜面,增加水平方向上的预张力,对骨架的布置、形式、结构、节点的设计要求较高,适用于居住建筑。

(2)张拉式膜结构、膜曲面起重要结构作用,可充分发挥张力膜特点,造型丰富,可提供良好的建筑标志形成独特的视觉效果,多用于开敞式建筑。但受力计算复杂,材料找形安装与制作都较为困难。

(3)充气式膜结构自重小,使用钢材少,但遭遇自然灾害后易使膜不稳定造成膜漏气、气压控制系统不稳定与屋面下瘪;与ETFE膜结合可使膜更具稳定性,但成本及后期维护所需费用较高,所需建筑智能化水平较高。

(4)索桁架膜结构与其他结构膜相比,体系更加完整稳定,可承受更强大的压力,可独立于膜存在,性能更好,综合造价更低,跨度更广,使其内空间更加简洁,且对安装误差不敏感,适用于半封闭建筑屋顶。

2.2 单层膜结构建筑适用性分析

单层膜具有一定的透光性,且易于施工更替,更加轻便,大大减少了支撑结构的重量与体积,利于回收利用,符合当代舒适、绿色节能的要求。

(1)特点:质地柔软、透气性良好、造价低、耐久性好。此外单层PVC膜结构透光率较小但采光均匀,易施工且色彩丰富;其实惠的造价与简便的施工使其适用于临时性建筑,便于安置与拆卸。但是可使用时间较短,各项功能随时间推移逐步弱化。

(2)PTFE膜耐久性极高,可用作永久性建筑的材料,同时透光性良好,为均匀漫射光,在一定程度上可以阻挡紫外线,但膜结构表皮材料易产生褶皱较难恢复原状,在一定程度上影响建筑物美观,因此在施工过程中有一定的局限性,适用于中、大型建筑,具有一定的透气性,但不适用于充气式膜结构建筑。

(3)ETFE膜耐久性良好,可用作永久性建筑的材料,其透光性与玻璃相似,可作为玻璃替代品,但透光性极高易造成眩光,容易受紫外线破坏,可与其他膜同时使用来达到遮光效果;ETFE膜易于回收利用,是良好的绿色节能材料,但需要持续充气保持特定压力,维护费用较高,且加工较难。

2.3 改良提升膜结构

2.3.1 膜结构保温隔热性能的改善

我们常用双层膜结构进行保温隔热。但双层膜结构或涂覆low-e涂层的膜结构并不适用于对保温隔热要求严苛的建筑。因此,改善其保温隔热性能,往往需要减少光线和热量输出,故可将多层膜进行叠加降低透光率以达到理想效果;另外,在夏热冬冷时,可将反射性涂层涂抹在膜表皮。有些建筑对透光性要求较高,不适合以上两种方法。为解决此类问题,可采用透光保温材料,既可改善膜结构的保温隔热性能,又不影响建筑物的透光效果。

2.3.2 对膜结构遮阳及透光的改进

PVC膜及PTFE膜一般无需处理。ETFE膜分为透明和白色两种。透明ETFE膜一般要进行镀膜或印刷的表面处理以避免眩光及紫外线照射,且可产生良好的视觉效果及丰富的色彩。另外,ETFE膜一般以气囊式充气膜的形式运用于建筑。改良后的ETFE膜材料可解决采光不足和光线过强对室内所产生的影响。

2.3.3 对膜结构声学性能的改善

主要对隔声性能及吸声性能的改善。隔声性能的改善主要是使用双层膜或与隔声材料配合使用,适用于对隔声要求不高的场所,不适用专业声音场所。打孔处理膜材是改善吸声性能的主要方式,这种处理方式的膜材大多采用ETFE膜,将其打孔可用于双层膜内表面,或者使用一些吸声材料以改善吸声性能,用于对室内声学有一定要求但没有严苛要求的场所。

2.4 膜结构建筑适用性展望

2.4.1 膜结构适用于建筑屋顶或庭院覆盖

膜材料具有强透光性、膜面分子密度小、易于回收等特点,故在某些建筑物的运用上可替代玻璃。建筑屋顶影响建筑物保温性能,在膜材料与玻璃保温性能相近的前提下,不同型号不同材料的膜,运用不同形式可满足建筑对采光照度与光线的不同需求。另外,膜结构的轻质和施工便利特点,使对庭院封闭处理的应用更为合理。

2.4.2 膜结构适用于临时性建筑及需要移动的建筑

膜结构易于施工、回收,因此在临时性建筑应用方面极具优势。凭借其良好的施工性能及极小的面密度,膜结构也可应用于可移动建筑。用膜结构设计可移动建筑的优点在于节省人力物力,有很强的灵活性。

2.4.3 膜结构适用于大跨度或高层建筑

因其极小的面密度和较高的透光率,现阶段大跨度建筑运用膜材料较多,而高层建筑因膜表皮的柔性易受风力影响而难以适用。但未来随着各方面发展,膜材料可在更具特点柔性的高层建筑形态中使用,膜结构除了为人熟知的强性变形,还可以变柔为刚,且其极轻的质量十分适用于高层建筑。

2.4.4 膜结构适用于居住建筑

各种膜结构可与居住建筑结合以拓宽用途。与传统的刚性建筑体系不同,膜结构是一种独特的柔性张力体系。在某些情况下,膜结构需要与其他建筑结构形式复合使用。同样,膜材料也要与其他建筑材料一起使用以达到最大程度体现各自优势的效果。比如:将不透明膜材料和保温材料一起运用于建筑,不仅可以达到保温效果还可以隔绝外界光线和视线。膜结构用作建筑墙体部件的研究,拓宽了轻质外墙结构设计范围,但如何更合理、经济美观地将膜结构运用于建筑还有待研究。

3 结语

结合国内外相关研究现状,从膜材料和膜结构两方面,对膜结构建筑体系进行较为详细的论述;针对不同的膜结构形式和膜结构建筑,进行利弊分析并阐述实用性;根据膜结构的缺点提出改进措施,展望了膜结构的适用性和运用的合理性,展示了膜结构在将来建筑体系中的优越地位。

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