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膜结构幕墙的应用

发布时间:2015年4月3日 点击数:4594

膜结构幕墙是膜结构在建筑外围护结构的应用,具有膜结构的共同特性和优点:膜结构是一种非传统的全新结构方式。充溢张力且富于变化的曲面,自在灵敏的大空间,透明、半透明膜材所构成的亮堂而又温和的室内环境,桅杆、拉索、精致的金属节点等所表现的富有现代气息的结构技术,这些特征使膜结构为人们提供了有别于传统结构的全新视觉感受,为建筑设计(包括建筑环境设计)提供了史无前例的宽广空间和许多新的可能性。

现代膜结构技术在德国、美国、日本等国经历了三十多年的发展,如今已趋于成熟。建筑师们充沛开发和应用了这种新结构技术所提供的可能性,建造了许多具有典型意义的大型膜结构建筑,它们高度表现了建筑与结构的调和统一、技术和艺术的圆满分离。有许多膜结构建筑成为当地有代表性的人文景观。

膜结构的设计也悬殊于传统结构。柔性的膜材仅当赋予恰当预张力时才具有肯定的外形和抵御外荷载的刚度,才真正成为结构,因而初始形态剖析在膜结构设计中具有根本意义。裁剪剖析是膜结构设计中又一个特殊问题:膜结构的曲面外形普通来说是不可展的,裁剪剖析就是请求在平面膜材上合理放样,以尽可能准确地拟合空间曲面上的相应条块。而且,膜结构的初始形态剖析和裁剪剖析不只是单纯的力学问题或技术问题;其初始形态剖析与建筑外型密不可分,而膜材拼缝构成的图案经常是重要的室内装饰手腕和表现内部空间的有力工具。所以膜结构的设计从一开端就请求建筑师与结构工程师严密配合、互相协作。事实上,这种新颖体系的建筑设计和结构设计是统一的整体,应当是分离在一起同时停止并完成的。
膜结构的计算剖析也有其特殊性,例如:这种柔性结构体系位移很大,在计算中必需思索其几何非线性;风是膜结构设计中起决议作用的外荷载,膜结构对风的动力作用非常敏感,在设计计算中必需予以思索,有时以至还应当进一步思索气流与结构的互相耦协作用,即所谓的气弹动力响应问题。这些

特性在一定水平上增加了膜结构的设计难度。

福建快3 膜结构和膜结构幕墙的开展依赖于膜材的技术创新和技术开展,从历史上来看,材料技术的累计为建筑学带来越来越多的创意,也带来无穷无尽的高请求。从现代主义到后现代主义,再到解构主义建筑理论,以至所谓混沌理论,无不例外地请求材料反动,而每次材料反动又给建筑学添上更多的新创作语汇。

从建筑颜色学来看,透过建筑立面的颜色或本性看室内的颜色,从亮到暗或从暗到亮,建筑师可依据层次深浅规划,颜色的冷暖布置,昼夜光源方向的异同,取得本人想得到的建筑光学颜色效果。

人们对建筑美的认识和把握,从不同角度推进了建筑的发明和开展。良好的环境能激起人的美感,良好的环境亦能给人们认同感、亲切感、指认感、文化性和顺应性等不同的心理感受。材料技术的进步能够刺激建筑创作艺术中的异端肉体,常常能够把这种异端不合理的设计,经过运用新材料后变为合理化。采用更新的施工办法,能够完成这种异端设想。

从建筑学角度,解构主义的松懈、无序、错位、奇险、偶尔等均可在材料科学进步中,得到良好的营养,浸透到建筑文化中去,呈现百花齐放、鬼斧神工的巨大奇观。膜结构、膜结构幕墙、膜结构屋顶正是如此。

幕墙膜结构的膜材料

膜结构和膜结构幕墙的发展依赖于膜材的技术革命和技术发展,从历史上来看,材料技术的革命为建筑学带来越来越多的创意,也带来无穷无尽的高要求。从现代主义到后现代主义,再到解构主义建筑理论,甚至所谓混沌理论,无不例外地要求材料革命,而每次材料革命又给建筑学添上更多的新创作语汇。

用于幕墙的膜材有织物膜材和箔片膜材两大类。织物膜材:根据编织不同可分为平织、曲织;根据纤维材质可分为聚酯织物、玻璃织物;根据涂层可分为单边涂层、双边涂层。目前织物涂层膜材是主流材料。

常用织物膜材包括:

(1)PVC 膜材:聚氯乙烯(PVC)涂层和聚酯纤维基层复合物

(2) PTFE 膜材:聚四氟乙烯(PTFE)涂层和玻璃纤维基层复合物。

(3)加面层的PVC 膜材:在PVC 膜材表面涂覆聚偏氟乙烯或聚氟乙烯。

ETFE 箔片膜材:高强度箔片膜材都是由氟塑料制造的,它也可和织物膜材一样施加预拉力,它有很高的透光率、自洁性和防老化性,ETFE 箔片膜材近年在建筑幕墙和屋顶较多采用。


ETFE材料的是优秀的环保材料:

ETFE的化学名为乙烯-四氟乙烯共聚物。 它是从海水中提炼 出来的。由25%的乙烯和75%的四氟乙烯组成。它是属于PTFE氟聚合体的家族的产品。   ETFE是一种含氟高分子,热塑型材料,有极抗化学性,机械强度高;耐候性、耐热性、耐燃性好;几乎对所有的化学品


不发生反应;直接曝露于阳光、雨水或废气中没有损耗或变形,长时间曝露于户外特性并无改变。ETFE膜材是通过挤压ETFE颗粒而成的。膜材常见厚度 (从 50 μm到 300 μm),重量很轻。

这些性能决定了ETFE膜结构的良好的使用寿命和应用范围

PVDF/PTFE/ETFE膜材的比较

香米

单位

PVDF

PTFE

ETFE

设计使用年限

福建快3 15~20

>25

>25

耐火等级

-

B1(难燃)

A(不燃)

B1(难燃)

常用膜材厚度

mm

0.50~1.25

0。35~1。10

0.10~0.30

抗拉强度(径向/纬向)

kN/m

114 / 108 [1]

183 / 167 [2]

45 [3]

破断延伸率(径向/纬向)

%

24 / 30 [1]

3~10 / 6~15 [2]

福建快3 400 [3]

计算弹性模量(径向/纬向)

kN/m

475 / 360 [1]

3000 / 1200 [2]

225 [3]

安全系数

-

5.0

5.0

~3。5

透光率

%

4.7

12 ± 3

20~94 [3]

常用品牌

-

米勒(Mehler)

法拉利(Ferrari)
杜肯(Verseidag)

中兴化成(Chukoh)

圣戈班(Saint Gobain)

福建快3 杜肯(Verseidag)

旭硝子(Asahi)

德国   Nowofol。

ETFE 膜为现代建筑幕墙和屋顶提供了一个崭新的面材。由这种膜材制成的屋面和墙体,质量轻,只有同等大小的玻璃质量的1%;韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂,延展性大于400%;耐候性和耐化学腐蚀性强,熔融温度高达200℃,并且不会自燃,可以加工成任

何尺寸和形状,可满足大跨度要求,节省了中间支撑结构,可以设计出简洁高雅的结构;

作为一种充气后使用的材料,它可以通过控制充气量的多少,对遮光度和透光性进行调节,有效地利用自然光,节省能源;在提供了良好的透光度的同时,也兼有保温隔热性能;质量轻,可以根据需要满足通风透气、自然采光的需求;

不仅如此,这种膜还具有良好的声学性能,可有效消除回声避免了玻璃层顶产生的噪音;具有的自清洁功能,使灰尘不易附在其表面。这种材料另外的一大优点就是可在现场预制成薄膜气泡,方便施工和维修;近年来,由ETFE 制成的膜材料替代传统的玻璃和其它高分子采光板用于大型建筑物的屋面或墙体,显示出无可比拟的优势。

膜结构幕墙系统分类

幕墙的膜结构根据结构系统形式可分为3 类:

  • 骨架式膜结构幕墙、
  • 张拉索膜结构幕墙、
  • 充气膜结构幕墙。

骨架式膜结构幕墙

骨架式膜结构是由钢或其他材料构成刚性骨架,骨架具有自然稳定性、完整性,膜张拉并置于骨架上构成骨架式膜结构形态有平面形、单曲面形和以鞍形为代表的双曲线形。骨架式膜结构的显著特点在于:膜不是维持结构体系存在的必要结构单元,但膜又不仅仅是单纯的屋面覆盖系统,而是充分发挥了采光建筑功能及高强度受力特性。

虽然预张力对骨架式膜结构的形态的影响不及张拉膜,但也必须引入足够大的张力,保证结构受力特性,避免在风荷载作用下膜面发生较大震动,导致松弛膜面凹陷。骨架一般暴露于膜内侧,而且膜的透光性更加突显骨架的室内视觉效果,因此,骨架的布置、形式、材料、节点等是设计考虑的重点,要力求简洁、美观。


骨架式膜结构幕墙是采用单层膜结构,靠膜材经过张拉面产生的内部应力来抵御外部荷载,膜材可以是ETFE 膜,也可是PVC 或PTFE 膜。

ETFE 张拉膜一般不采用在其周边设置钢索并通过钢索使膜张紧的形式,而是把单层ETFE 膜切割制成所需的形状,并在其周边设置边绳,用专用的铝合金夹具夹持住,通过在周边的夹具上施加拉力,使膜材充分张紧,靠膜材内部的预应力来抵御外部荷载。由于ETFE 抗拉强度较低,不能施加过大的预紧力,

福建快3 抵御外部荷载的能力也就较差,因而一般不采用过大规格的膜单元, 特殊情况下必须采用较大的规格时,膜结构单元一般采取中部加强的方式,用钢梁或钢索将其分割成若干个较小的单元。在相同荷载条件下,不采用其它的加强措施,ETFE 膜材利用充气形式可做成较大面积的气枕,有的甚至达上百平米,而采用张拉形式,由于膜材的抗拉强度比PTFE 膜材要低,因而施加的预应力不能过大,承受外部荷载的能力有限,其单块面积也会受到一定的限制。


在国外ETFE 张拉膜的工程应用很多,但规模都不大,而在我国的应用就是国家体育场———鸟巢,当时有的膜单元面积达到一百余平米,而建筑师又不希望在主钢结构中间划分出若干个小格子,影响外视效果,因而需要对膜结构加强,经过研究和反复的试验, 创造性的在膜背面加设了钢梁和钢索,并采用特殊的技术将不锈钢索与ETFE 膜材复合在一起,共同承受外部正负方向的风荷载和雪荷载,不锈钢索固定在与其垂直交叉的钢梁上, 钢梁和钢索都隐藏在膜的后面,外观不可见,实现了预期的外视效果。一般来说,ETFE 膜材如果采用张拉形式,其应用范围受到一定的限制,但是是开敞式的没有保温要求的建筑除外

张拉式膜结构幕墙

建筑中使用的膜结构主要为张拉式索膜结构系统,顾名思义,张拉索膜结构是通过张拉使膜的内部产生一定的预应力,以抵御外界的风荷载和其它荷载,同时使膜变形成为所需要的形状。张拉膜是依靠膜材自身的张拉力和特殊的几何形状构成的稳定的承力体系。膜只能承受拉力而不能受压和弯曲,其曲面稳定性是依靠相互反向的曲率来保障,因此需制作成凹凸的空间曲面,故习惯上又称空间膜结构。张拉膜结构通常是沿着膜的边缘布设钢索,在钢索上施加拉力,钢索带动膜张紧、成型,并产生足够的预应力,因而称其是张拉式索膜结构。如果膜的面积过大,膜自身无法承受预期的荷载,则可在膜的中间增设加强钢索,以提高其抗风载能力。张拉式索膜结构可以根据需要制成任意复杂曲面形状,体现自然流畅之美,并有多种颜色的膜材可选,以适应周边的环境,满足建筑效果要求,而且膜结构重量轻,一般不需要太庞大的支撑结构,这是其它建筑材料无法比拟的优势。

充气膜结构幕墙

福建快3 充气膜结构是在ETFE 膜材料技术基础上产生的,是将两层或多层膜通过热熔焊接复合到一起, 形成封闭的袋子——气枕,其周边夹持在铝合金或其它材料制成的边框内,边框固定于建筑的主体结构上,在气枕内,通过预留的阀口,充入经过过滤及除湿处理的清洁干燥的空气, 就制成充气式膜结构系统,这种充气形式应用于建筑的外围护结构较为普遍。ETFE 充气膜结构是靠膜材自身的强度和气枕的内压来共同承担外部荷载的,虽然ETFE 膜材的抗拉强度有限,但气枕的内压是可以根据需要适当调整和平衡的,同时靠内压的调整平衡解决了安装时温度高低引起的松弛问题,气枕具有较强的承载能力,并在保温、隔声、防火、自洁、光性能、绿色环保等方面都凸显优势, 因而被大量的用于现代建筑上,尤其是作为大跨度空间建筑的围护结构。


为了提高ETFE 充气膜的保温效果, 膜的层数可由2 层提高到3 层、4 层,考虑建筑的使用功能,合理控制膜材的透光率,采用带颜色或印刷镀点和图案的措施,充气控制系统可以智能化控制。


随着现代科技的进一步发展,人类面临着保护自然环境的历史使命。因此,天然材料和传统的古老建筑材料必将被轻而薄且保温隔热性能良好的高强轻质材料所取代。索膜建筑技术在这项变革中将扮演重要角色,其在建筑领域内更广泛的应用是可以预见的,可谓前程似锦。建筑形体艺术塑造自由, 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。由于自重轻,索膜建筑可以不需要内部支撑而实现大跨度的覆盖空间,克服传统结构在大跨度(无支撑)建筑上所遇到的困难,这使得人们可以更灵活、更有创意的设计及运用更大跨度的建筑空间。膜结构是随着现代科学技术发展起来的全新建筑技术表现形式,是材料科学、建筑学、结构力学以及现代环境学高速发展的综合产物。





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