膜结构

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膜结构范文第1篇

关键词:膜结构 风致破坏 风场特性

中图分类号:TU74文献标识码:A 文章编号:1007-3973(2010)06-074-03

1引言

随着世界工业的发展和计算技术的进步,膜结构从临时建筑逐渐迈入永久建筑的行列,成为充满活力的一种新型大跨空间结构体系。膜结构由于其轻质高强、造型新颖、施工简便、良好的抗震性和自洁性等优点受到了工程师们的青睐,得到了广泛的应用和飞速发展,所建成的一些建筑已成为当今现代化都市的重要标志。但以膜结构为代表的柔性空间结构体系,跨度大、质量轻、阻尼小、自振频率低,对风荷载特别敏感,而现今对膜结构的抗风设计理论研究还不充分,许多方面尚无相应设计规范可依,特别是涉及到风致破坏机理和防制的一些问题至今没有形成一套成熟的解决思路。因此对该类工程风致破坏机理研究是一项紧迫而又艰巨的挑战。

2膜结构的应用和分类

膜结构的出现可以追溯到游牧民族使用的帐篷,其特性与现代膜结构极为相似,只是受材料限制,其规模较小,耐久性差。最早的、真正意义上的现代膜结构体系,可以认为是1967年Frei Otto为加拿大蒙特利尔展览会设计的德国大帐篷(图1),它通过支撑在不同高度桅杆上的预应力双曲钢索网覆盖了大片平面,以轻质透明有机织物片作为围护结构连接于索网下。从上个世纪70年代以来,我国一些科研、设计单位与高等学校开始对膜结构进行研究,一些关键技术如膜结构的找形分析、荷载分析、裁剪分析等方面的研究获得了一定的进展。1995年建成的北京房山游泳馆与鞍山农委游泳馆是我国第一次正式应用于工程的空气支撑膜结构,标志着我国开始了膜结构工程的建设。1997年通过引进国外膜结构技术建成了上海八万人体育场看台挑棚(图2),促进了我国膜结构的发展。如今,该结构已广泛应用于体育馆、商场、大面积温室、公共建筑等土木建筑中。

膜结构按其结构形式可分为三种类型:充气式膜结构、骨架式膜结构和张拉式膜结构。其中充气式膜结构又可分为气承式膜结构和气胀式膜结构。

气承式膜结构(图3)是向气密性好的膜材所覆盖的空间内注入空气,利用内外空气压力差给膜以压力,使得结构具有一定的刚度来承受外部荷载作用。为了保持气压差,一般需要长期不间断的能源供应。气胀式膜结构(图4)是将膜材本身做成封闭体,向其中注入高压力的空气(3~7个大气压)使膜材产生张力,注入空气的压力要比气承式膜结构大得多。

骨架式膜结构(图5)是以膜材绷紧在刚性骨架(网壳、拱架等)上的结构,刚性骨架是膜结构体系主要的承力构件,作为覆面材料的膜材则是局部范围内的承力单元。骨架为自平衡体系,在整个膜结构体系中是主承力构件,膜体为辅助承力构件,膜体自身强大的结构作用发挥不够。

张拉式膜结构(图6)是依靠膜的张力与支撑杆和拉锁共同作用构成的结构体系,其形成机制与预应力索网类似,呈负高斯曲率的曲面形状,张紧在柔性或刚性的边缘构件上,还可以利用桅杆或立柱提供独立的吊点或支点。这种膜结构要通过张拉手段在结构内建立一定预应力,使之具有必要的刚度。

3膜结构的风致破坏工程实例及分析

经过近十几年的研究,一些涉及到膜结构工程设计中的基本问题都己得到较好解决。但是膜结构的跨度大、质量轻、阻尼小、自振频率低,对风荷载特别敏感,而在膜结构的抗风设计理论研究方面却一直进展缓慢,特别是涉及到风荷载的动力效应、风致内压等问题时,至今没有形成一套成熟的解决思路。加之有的工程由于设计、制作、安装不当给结构留下了安全隐患。迄今,国内外已出现多起膜结构在风荷载作用下破坏的实例。

3.1强风作用下膜材撕裂

膜结构在强风作用下出现膜材撕裂的现象时有发生,日本的出云穹顶和云母穹顶屡遭强风破坏;美国的佐治亚穹顶在1995年的一次强风大雨袭击下,四片薄膜被撕裂,撕裂长度达10余米;2005年台风达维在我国海南省登陆,造成三亚市的标志性建筑“美丽之冠”顶部膜材严重撕裂(图7)。该类破坏的原因有以下几点:

(1)膜面过于扁平或预张力不足,或因膜材徐变松弛后未及时二次张拉,致使膜面整体刚度很低,在强风作用下出现大幅度的摆动,导致膜材被撕裂或在摆动过程中撞击其他物件而破坏。

(2)连接部位的松动或脱落,或因节点设计不合理、不恰当而限制节点的转动自由度,也可造成膜材在强风作用下被撕裂。

3.2风力作用下门窗被打开或者破坏

1999年9月,日本熊本穹顶在台风中由于旋转门被风冲开,导致上拉索和节点板破断,内外膜面撕裂破坏。

这一破坏的原因与风致内压有很大的关系,突然开孔(窗户在大风中突然受损或门在大风中突然被吹开的瞬间)会造成初期瞬时脉动风压的激剧增加。脉动风压衰减过程的机理比较复杂,会否引起薄膜结构共振取决于多种因素,与来流风速、开孔位置与大小、建筑物内部形状以及薄膜结构屋面自振频率等参数有关。

3.3风致残片或其他物体将膜割破或者砸破

日本熊本穹顶在台风中破坏的另一原因是窗户被吹破后玻璃碎片将膜材割破,另外国内也出现了不少膜结构由于灯具,装饰物,悬挂物等物品在大风情况下坠落而砸破膜面的情况。具体原因有如下几点:

(1)膜材虽有较高的抗拉强度,足以承受径向、纬向所受的张力,但其抗撕裂强度仅为抗拉强度的1/8至1/7。

(2)局部膜材被破坏后,造成了其余膜片受力不均,进而发生破坏。

(3)该类破坏情况同样造成了突然开孔,导致了结构内压的变化。

3.4边界处损坏造成的结构破坏

国内某膜结构工程在2008年的一场大风中由于连接件断裂造成了角部膜材撕裂(图8),这一破坏情况与设计师对边界位置处连接件强度考虑不周有关。此外,在一些膜结构工程中由于膜材在边界处与铁件(索、连接件等)发生微振摩损,磨损后膜材的强度降低,最终造成了结构的破坏。

4膜结构风致破坏原因

4.1空气作用力的复杂性

结构绕流特性复杂,膜结构又多为复杂的三维空间曲面,对膜结构表面绕流特性的确定特别是涉及到风荷载的脉动特性时异常复杂。此外,由于膜结构沿水平方向的跨度通常远大于结构高度,因此结构表面的风压分布不但与来流的脉动特性有关,还会更多的受到结构自身特征湍流(即由于结构形状影响所产生的漩涡脱落、分离和再附等现象)的影响,这就使得膜结构的风振分析很难像高层和桥梁那样建立一种普遍适用的阵风荷载系数。

4.2结构的动力特性和几何非线性

现代膜结构均具有质量轻、柔性大、阻尼小等特点,结构自振周期与风速的长卓越周期较为接近, 因而风荷载成为控制膜结构设计的主要荷载。结构在风荷载作用下的动力响应是一个十分复杂的问题。另外,膜结构是典型的大变形柔性体系,不具有弯曲刚度,其刚度主要由预张力和负高斯曲面所构成的几何刚度来提供,表现出明显的几何非线性特点。

4.3开敞和开孔结构的风致效应

对于开敞式膜结构, 膜材上下表面都受到风力作用, 而设计时需要的是膜材上下表面的风压差, 即净风压。一般来说膜材上表面常受负风压, 而下表面受正风压, 净风压应大于上表面风压, 所以只考虑上表面风压的设计偏于不安全。另外对于四周封闭膜结构由于门窗破坏造成的突然开孔,开孔瞬间产生的脉冲内压值相当大, 其上限值要比气流稳定后最大内压值高出很多, 由于通常设计没有考虑内压的这一瞬间增大, 因此结构在此时也很可能发生破坏。

4.与结构的流固耦合效应

在风荷载作用下,膜结构会产生较大的变形和振动,其几何形状的改变和振动会影响周围流场的变化,进而改变作用在膜结构表面的风压,形成风与结构的相互作用,即流固耦合效应。目前国内外已有很多学者对风-结构的流固耦合效应进行了大量的研究,研究方法包括风洞试验方法、简化气弹性模型方法和数值风洞的方法。但由于其具有较大的理论难度,至今尚未很好的解决。

5结语

膜结构是空间结构中充满活力的一种结构体系,它不仅充分发挥了结构中各部分材料的力学性能,而且极大的丰富了空间结构的建筑造型,具有广阔的发展前景。然而由于试验手段和分析理论的限制,对膜结构风致破坏模式和机理研究的不充分,很多方面还是空白。

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膜结构范文第2篇

关键词：膜结构；曲面有限单元；膜材；设计；施工

Abstract: Tensioned membrane structure architecture (Tensioned Membrane structure), is building fabric, including membrane material tensioning structure system for main body, composed together with the support member or cable, with its unique architectural style, good mechanical characteristic, become one of the main forms of large span space structure. As a kind of new building structure, it combines architecture, structural mechanics, fine chemical engineering and materials science, computer technology, as a whole, with high technical content. In this paper the use of membrane structure in practical engineering are introduced, through the solution of the problems concerned in design and construction, analysis and discussion of membrane structure and performance.

Key words: surface membrane structure; finite element; membrane material; design; construction

中图分类号：TU2 文献标识码： A文章编号：

1工程概况

某体育场看台为二层框架结构，二层看台面积1616.5㎡，建筑高度9.15m。看台的膜结构在中间主席台由一个在中央的双圆锥结构构成，在两侧看台各一组六个双圆锥结构组成的。整个结构向后倾斜。雨水将流向背后。两边的双圆锥结构设计成锯齿状。

2膜结构的设计

2．1曲面有限单元建立的膜结构理论分析

膜结构的设计总体思路为：先找出一个初始平衡形状，然后进行各种荷载组合下的力学分析，最后裁剪制作。关于膜结构的计算方法，目前以有限元法为最先进、最普遍被采用的方法。而单元类型皆为三角形平面常应变单元，该方法是从刚性板壳大变形理论移植过来的。

膜结构作为只能抗拉的软壳体是不适宜采用这种平面单元的，因为对于刚性壳体来说，这种平板单元可以看成平面应力单元和平板弯曲单元的组合，其单元刚阵可以由这两种单元刚阵合并而成。而膜结构作为软壳体是不能抗弯的，只能靠薄膜曲面的曲率变化，从而引起膜表面中内力重分布来抵抗垂直于曲面的外荷载。如果还是采用这种只有平面内应力的板单元，则应变的线性部分将不反映平面外z方向位移的影响，这导致单元不包含z方向节点反力，就每个单元来说静力是不平衡的。所幸的是应变的非线性部分考虑了z向位移的影响，使得各单元合并起来的总的平衡方程通过不断迭代能近似达到平衡，缺点是需要过多的平面内位移来满足平衡的要求，而实际情况是只需要一定的平面外和平面内的位移及曲率变化就可以了。

考虑到以上因素，采用曲面膜单元，应变的线性部分引入了z向位移及单元的曲率和扭率，非线性部分仍然保留z向位移的影响项。这样无论是每个单元还是各单元合并后的平衡方程都能很容易满足，迭代次数大为减少，而变形结果也更符合真实情况。而且由于单元内各点应力都不相同，据此判断皱折是否出现会更为精确。最后求出的每个单元的曲率和扭率对于判断初始找形的正误和优劣以及裁剪下料都能提供很多非常有用的信息。用曲面有限单元建立的膜结构找形及内力计算方法极小曲面具有非常完美的表面形状和应力状态，是膜结构最合理的理想初始状态。

2．2 膜结构设计模型分析

对于两边的膜结构，每个架间由一片双圆锥膜组成。中间的膜结构仍由一片双圆锥组成。所有的膜都将会有放射性接缝的设计，这是一种最完美的双圆锥膜结构设计。

2．3对膜结构进行以下几种荷载工况分析：

（1） 预应力

（2） 均布雪荷载0.4KN/sqm

（3） 均布风压力q＝0.4KN/sqm，Cp=0.6

（4） 均布风吸力q＝0.4KN/sqm，Cp=1.0

（5） 风荷载Y+Ve（正面），q＝0.4KN/sqm，Cp不定

（6） 风荷载Y—Ve（背面），q＝0.4KN/sqm，Cp不定

（7） 风荷载Y+Ve（侧面），q＝0.4KN/sqm，Cp不定

风荷载和雪荷载分析依据中国建筑规范要求，在负载的情况下，不会有积水产生。

2．4支撑结构

支撑结构包括一根悬臂构架和桅杆的组合，高点是由短桅杆支撑在构件上，以便膜结构以下的空间不阻隔。使用膜结构的反力来分析支撑结构并且选用相应的材料。

2．5膜材选择

在选择膜材时，采用国际上通用的安全系数5，无论任何工况下的最大膜应力均可适用。参照上海膜结构技术规范（DGJ08-97-2002，J10209-2002）从膜应力分布中可以看出，最大的应力集中于高点位置。为了优化材料的选择，在这一区域使用补强片来增强它的强度。通过使用补强片，可以计算出这一部分的强度为通常强度的1.5倍。

2．6安装程序

首先，钢结构将被全部安装完成，由于膜结构是独立的部分，因此膜结构的安装可以同时进行。对于两边的膜结构，首先中间的架间将被安装，然后再安装两边，这样可以最小限度对钢结构造成损害。

膜材料的裁剪制作

膜材料的裁剪拼接过程是有误差的，这是因为首先用平面膜片拼成空间曲面就一定会有误差，其次膜布是各向异性非线性材料，在把它张拉成曲率变化多端的空间形状时，不可避免的会与初始设计形状有出入。所以就有可靠性、灵活性和完成时间这三个标准来判断裁剪方法是否实用。布置膜结构表面裁剪缝时要考虑以下几个因素：

表面曲率。采用的是曲面膜单元分析法，得到每个单元的曲率。如果相邻单元曲率相差很大，说明在这个位置，曲面扭曲得很严重，如果裁剪缝在此处不切断重新开始，那么裁剪膜块的边界在此处就会有很大的弧形。

（2） 膜材料的幅宽。找形分析过程中的平面网格划分时，就要考虑到膜材料的幅宽。尽量使一块膜布中包含的膜单元是完整的，否则还要通过插值计算确定膜块边界点的位置。

（3） 边界的走向。如果边界比较平直，可以考虑用一个膜块的长边作为这条边界。否则只能用多个膜块的短边拼接成这条边界。

（4） 美观。

4膜结构的安装

4．1施工顺序

（1） 钢结构进行到一定阶段时膜结构进场，并且依照施工顺序来进行膜结构安装。

（2） 正确卸料，膜材的每个角于出厂前都会贴上标识注明位置，确认所需的膜材及预安装的位置是否符合，以避免膜材错装或重复搬运的工时浪费。

（3） 小心拆除包装箱，避免膜材受损，拆箱后依照膜材的展张的方式图对膜材进行最优化的吊装及展张工作，吊运时要求多人在不同角度观察，以避免不必要的灾害发生。

（4） 膜材安装时，先安装中间部分的膜材，并将膜材从中间高点向外延展，施工人员同时于双向随时与之固定。

（5） 将两边的膜部分固定就位，然后各点同步实施平均拉伸，确保膜材达到设计要求。

4．2施工注意问题

（1） 施工安装前应对膜体及零配件的出厂报告、产品质保书、检测报告以及品种、规格、色泽、数量进行验收。安装前检查的项目有：膜体外观质量；膜体上所有的拼缝及结合处的质量；螺栓、垫圈及铝合金、不锈钢压条无拉伤和锈蚀；索、锚具无涂层破坏及锈蚀；缆绳无污损。

（2） 工程现场的膜体应安放在搭设的辅助架之上，保证安全，防止膜体污损。

（3） 膜的紧固夹板再安装前必须倒角打磨平整，不应有锐角锐边。螺栓不应有飞刺，所有与膜体接触的金属件不应有尖锐棱角。

（4） 膜结构安装时，应在膜面上安设爬用安全网，作业人员在膜面上行走时应穿软底鞋，不应佩带钥匙等硬物。不应破坏膜面。膜面与支撑结构间必须设隔离层，不得直接接触。

（5） 膜结构安装宜在风力不大于四级的情况下进行。在安装过程中应充分注意风速和风向，避免颤动现象。发生强风时，应终止作业。

（6） 膜结构的构件施工必须严格按照规范、工艺标准和施工组织设计执行。

膜结构范文第3篇

关键词：索模结构；找形；方法；设计策略

中图分类号：C33 文献标识码：A 文章编号：

1 引言

对于索膜这样的柔性结构来说，由于索膜材料不能承受弯距和压力，在施加预应力之前，其几何外形具有不确定性，而且柔性结构的几何外形变化会引起结构性能的较大变化，因而索膜结构的承载能力与其几何外形密切相关。索膜结构的几何外形、所承受的外荷载与其内应力三者之间以一种非线性的方式相互作用，相互影响。索膜结构的几何外形设计必须确定结构的几何外形及其预应力，这就是所谓的找形问题，这也是索膜结构设计中最基本也最为困难的问题。[ 倪志军.索膜结构找形和裁剪方法研究[D].浙江大学，2005年。]找形分析的基本任务就是确定索膜结构的初始形状并判断其能否张成，即曲面形状的合适度及求出维持该曲面的特定预应力分布并将预应力控制于指定的范围之内。

2 索膜结构找形分析的基本方法

找形过程中存在两个未知因素：其一是结构的初始形状，其二是结构的预应力分布状态。从而产生两种找形思路：第一种是给定初始形状，把初始预应力作为外荷载施加到结构上，求解达到平衡时结构的状态。此方法可以得到近似结构，但会改变初始给定的预应力分布，特别是复杂不规则的曲面的预应力分布将很不均匀，从而给结构施工和受力性能造成不利影响。[ 刘吉敏，欧阳龙.索膜结构找形分析方法研究[J].山西建筑，2007年。]第二种思路是将初始预应力分布作为已知参数，把与之对应的平衡形状作为未知数来求解。为了保证得到的预应力分布即是初始的预应力分布，必须舍弃变形协调关系和材料本构关系。

索膜结构的全过程分析包括找形分析、荷载分析和裁剪分析。其中，找形分析是全过程分析的最初阶段，也是荷载分析和裁剪分析的基础。最早的膜结构找形分析方法是物理模型法，包括肥皂模型法和丝网模型法，但是用物理模型法确定初始曲面，其设计量测极为不便，测量精度难以保证。20世纪70年代以来，随着计算机技术的迅猛发展，美国、英国、日本等外国学者提出并发展了以计算机技术为依靠的张力结构的找形分析，逐步取代了传统的模型量测法。目前所提出的有关膜结构找形分析的方法基本上都是以力密度法、动力松弛法和非线性有限元法为理论基础的。[ 刘吉敏，欧阳龙.索膜结构找形分析方法研究[J].山西建筑，2007年。]

2 不同结构形式膜结构找形设计方法

索膜结构按照结构形式的不同可以分为：充气膜结构、骨架膜结构、张拉膜结构、动力松弛格式，力密度格式和非线性有限元格式。不同结构形式的膜结构其找形方法也不同。

2.1 充气膜结构找形设计方法

充气膜结构的找形分析过程是寻找压差、预应力和形态三者间对应关系的过程，是结构中的预应力寻求自平衡态的过程。其实质是一个静力平衡状态的求解过程。在其找形过程中,所要确定的基本参数包括：结构表面拓扑关系、几何边界条件、表面几何形状、膜面内外气压差值、膜应力大小及分布。在一定大小的气压值作用下，求解满足平衡条件的膜曲面几何形状及相应的应力分布是充气膜结构找形分析中所要解决的根本问题。

2.2 张力膜结构找形设计方法

张力膜结构是预先对索和膜施加一定的预应力，使结构在张拉力的作用下，形成具有一定几何形状的空间曲面来承受荷载的结构形式。其找形设计用的最多的方法是力密度法、非线性有限元法及两者的综合。目前已经研究了三角形膜单元和曲面四边形单元张力膜结构的找形分析。综合分析的思想，即先采用力密度法进行形状确定，再以其近似解作初始值进行非线性分析，也有着较多的应用。

2.3 三种方法的比较

动力松弛格式，力密度格式和非线性有限元格式这三种形态分析方法均己被用于诸多成熟的薄膜结构设计软件的计算内核。近三十年来，这三种方法在不断地发展和完善，有各自的适用范围。

对力密度格式而言，只要已知了离散后结构各杆件的几何拓扑、设定的力密度值和边界节点坐标，就可建立关于节点坐标的线性方程组。该方法计算速度快，便于对结构方案进行修改。但因其误差大，更适合于结构方案的初始确定阶段使用。

动力松弛格式是将静力平衡问题拟为动力问题进行求解，该方法以节点为研究对象，在迭代计算过程中对结构总动能和各节点残余力值进行控制，同时也考虑了节点变位对节点平衡的影响，避免了有限元法的整体刚度矩阵组装和相应方程的求解。该法对于处理静力索网膜和受压松弛褶皱单元很有效，采用的计算机数值法简单，迭代技术也较为稳定，更适合于对大型结构的计算分析。[ 倪志军.索膜结构找形和裁剪方法研究[D].浙江大学，2005年。

]

3 改进方法

在实际的膜结构找形设计中，发现需要结合工程实际在原有三种基本方法的基础上进行一定的改进。

3.1 具有T单元的力密度法

在用力密度法进行张拉膜结构的找形设计时，膜与边索的预应力值是其中的主要因素。为了确保其边索的连续光滑，防止锯齿形状的出现，常采用T单元对边索进行强化处理。此时，可以通过对边界索进行T单元处理，建立索边界主结点、膜网内部T单元结点和膜网内部一般结点的静力平衡方程，求解这些平衡方程得到各结点的坐标，从而确定膜结构的空间曲面形状。

3.2 混合力密度法

在实际的张拉膜结构中，膜需要拉索及压杆张拉成形。这部分杆件是由弹性变形控制内力的，必须满足一定的约束条件，而这些约束条件是非线性的，所以线性的力密度法就发展成为非线性的混合力密度法。混合力密度法就是将部分单元力密度控制，部分单元弹性控制，力密度控制采用线性求解，弹性控制采用非线性求解，通过迭代计算混合找形求出各结点的坐标。

3.3 改进的动力松弛法

动力松弛法与非线性有限元法相比避免了结构整体刚度矩阵的组装与分解，减少了内存的占用，加快了运算速度，与力密度法相比提高了计算精度，能获得更为准确的初始平衡形状。并且它可以从任愈假定的初始状态开始迭代得到最终的平衡状态。因此动力松弛法是一种求解几何非线性结构体系的有效数值方法，它对于大型索膜结构的分析具有更大的优越性。对动力松弛法的研究，都是将膜单元转换为三个首尾相连的直杆单元，这样处理意味着膜单元只能沿三个边长的方向进行伸缩变形。故这种分析仅适用于三边单元，有很大的局限性。文献采用了平面膜元改进计算模型，解决了动力松弛法中膜单元网格划分仅限于三边单元的缺点，但它需要同时设定时间增量和虚拟阻尼两个计算参数，以致迭代运算呈现较大的随机性，甚至不收敛。对此，本文采用运动阻尼的概念，对一般的动力松弛法进行了改进。改进后的计算方法避免了迭代中阻尼系数的取值，并且对曲

线索单元、曲面膜单元也同样适用。[ 王建华.索模结构找形方法及自振性研究[D].河海大学，2005年。]

3.4 动力松弛法与非线性有限元法的混合

这是一种将力密度法的简化形式结合到非线性有限元法中进行找形的设计方法，它实现了动力松弛法与非线性有限元法的结合。这种用动力松弛法进行找形，然后直接用非线性有限元法进行荷载分析的混合法，能够弃弊从利，在大大缩短设计周期的。同时，又保证了分析的精度，从而实现了工程的快速选型和下部结构的准确分析。

4 有限元软件在找形分析中的实现

为了充分发挥支座移动法和节点平衡法的优点，并尽量克服它们的缺点，本文借助于有限元分析软件ANSYS采用了一种效率较高的实用找形方法。该方法的基本分析过程是：先采用小弹性棋t技术，用支座移动法进行初步找形，得到结构的近似平衡形状。在此几何位形上更新节点坐标释放预应力，然后重新设定索膜结构真实的材料常数和预应力分布进行自平衡迭代求解，直至迭代求解的结果满足给定的梢度，此时得到的几何位形即为所求的初始平衡形状。[ 王建华.索模结构找形方法及自振性研究[D].河海大学，2005年。]

膜结构范文第4篇

【关键词】绿色建筑；绿色能源；紫蚕岛

一、综述

膜结构建筑具有“轻、快、好、省、灵”五个优异性能。自重轻、施工周期块、抗震性能好、省地基处理、具有建筑灵性可与其他建筑形式随意组合。它是对城市环境影响最小的建筑结构，是绿色建筑的最高应用形式之一。其中最先端的ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）充气式膜结构，近年来随着成熟技术的引进，在诸多“高、大、上”的建筑中获得采用。绿色能源是利用现代技术开发干净、无污染新能源，这些能源消耗之后可以恢复补充，无污染。绿色能源与“绿色建筑”的结合及在具体项目中的实际运用，体现了建筑领域的一种发展新趋势。

二、应用案例

2010上海世博会是各参展国家的建筑博览会，其中将绿色建筑与绿色能源结合的最彻底的无疑是日本国家馆。它有一个可爱的中国名字“紫蚕岛”。其核心设计理念是“心之和，技之和”，寓意通过科学技术的进步来创造和谐的生存环境。因此光、水、空气等自然资源被最大限度利用。采用一整套相辅相成的动态节能系统，将尖端科技融合入于这个会呼吸的建筑。建筑本身来说，它一个最强的理念就是以大自然来使它正常的运行。利用太阳能，雨水，还有风能这些元素使场馆像一个生命体一样可以来呼吸，可以来自动调节体温，同时也能自行发电供日常使用。

1、会呼吸的建筑。这是一座“会呼吸的建筑”，建筑弧形穹顶上“长着”三个角、三个洞，其作用是强化冷暖空气的流通，减少空调能耗。接收雨水并循环利用，引入阳光减少照明用电。使用循环式呼吸孔道技术，保持建筑物内的持续新风更换。建筑物室外人员集中处设置喷雾设施，降温却不会湿衣。这三个角、三个洞，我们称之为“循环式呼吸柱”是利用“光、水、风”等自然要素的循环系统。光： 弧形穹顶顶部，三根向外突出的“触角”（又称“烟突”）和三个向内凹陷的“鼻孔”，组成“循环呼吸柱”，它们与6根建筑内部的垂直“循环呼吸柱”分别连通，构成了空气和雨水循环系统，呼吸柱向馆内引入太阳光，呼吸柱的内部与室外相连接，成为将外部阳光引入室内的通道，实现大进深空间的自然采光、向下导光。白天，外部光线通过这些循环呼吸柱导入建筑物内部，形成了一束束柔和的白色光柱，实现了建筑物中央部分室内空间的自然采光水：利用呼吸柱作为收集雨水的通道.降落到屋面的雨水沿着呼吸柱汇集到建筑底部的蓄水池，而收集到的雨水又被送回到屋面膜外侧作为夏季建筑降温用的喷淋水，喷淋水再次通过呼吸柱收集，从而又构成一个完整的水循环系统. 循环呼吸柱的“鼻孔”将雨水引入展馆底层的储水空间，通过水的蒸发，降低馆内温度。而柱内汇聚的一部分雨水又可以通过场馆外部安置的水喷系统对建筑物整体降温。洒落的水会再次通过循环呼吸柱进行循环再利用。风：通过呼吸柱将风引入建筑内。建筑底部经过冷却的新鲜空气利用呼吸柱的拔风效果加速上升，向室内送风，降低夏季的空调负荷，而展厅内聚集的热空气则通过呼吸柱顶端的开口直接向室外排出，形成自然的空气循环。循环呼吸柱的“触角”则可以有效地使地板下的冷空气上升，为馆内通风换气，以此降低空调负荷，还可以有效解决挑高展示厅的排风换气问题。

2、会自洁的建筑。这是一座“会自洁的建筑”，首先建筑护采用双层气枕式ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）膜结构形式，ETFE膜材是一种耐擦伤性、耐磨性、耐高温、耐腐蚀，绝缘性、高安全性材料。其具备超轻重量：膜材薄轻。抗震性优越，施工便利。耐久性好：气候适应：-200～150摄氏度，15年以上恶劣气候，力学和光学性能不改变。抗拉强度高：破断伸长率达300%以上。高安全性：阻燃材料，熔后收缩但无滴落物。如遇火灾其危害性较小，冰雹气候，即使玻璃碎了，ETFE也仅留下小小凹痕。材料表面经过特殊处理，非常光滑，具有极佳的自洁性能，及时表面由于外周环境、气候影响而产生的灰尘积累、污迹残留等现象，通过雨水冲刷或自发性的清水冲洗都可去除大部分的污染，回复建筑外立面的光滑、清洁状态。连接ETFE气枕之间的金属扣件上设置了许多小喷头，能够持续喷洒形成一层流动的水膜，加上薄膜表面涂了一层光触媒，在带走热量的同时也实现了自我清洁其次循环呼吸柱内汇聚的一部分雨水又可以通过场馆外部安置的水喷系统对建筑物整体清洁、冲刷表面灰尘，洒落的水会再次通过循环呼吸柱进行循环再利用。

3、会发电的建筑。这是一座“会发电的建筑”，建筑护ETFE双层气枕内采用了可弯曲的富士电机非晶硅太阳能电池，太阳能电池板设置在气枕单元内部，单个单元根据大小，设置5-2块。共设置395块薄膜太阳能电池板。每块太阳能电池板所产生的电能通过汇流箱、集合转换箱，转换为交流电能，大约可产生20到30千瓦的电能，成为整个日本馆供电系统的一部分。馆内局部通道地面设置了最新研发的人工动能发电系统，俗称发电地板。其由面积50平方厘米“发电瓷砖”组成，能把压力转化为能量，点亮周围发光二极管灯泡。预示着在实际大面积采用后，可以将设置部位人员流动转化为可使用电能。

膜结构范文第5篇

关键词：盐海神汤；膜结构；施工技术

中图分类号： TU74文献标识码：A 文章编号：

一、天乐城盐海神汤项目简介

1、盐海神汤项目介绍

天乐城盐海神汤项目，位于山东省泰安市岱岳区石膏工业园区内，紧邻104省道。本项目建筑面积约6000平方米，建筑高度15.5米，包含盐水漂浮体验馆、水疗养生馆、红花浴、黑泥疗等二十余项养生保健理疗项目。项目充分利用了泰山盐化工丰富的卤水资源，倾力打造具有放松身心、舒缓减压等理疗效果的“人造盐海”。

2、膜结构简介

该项目使用了PCV充气膜结构，该结构是通过压力控制系统向膜内充气，是内部产生一定的预张应力，使其成为结构稳定、简洁实用的充气式膜结构体系。外膜材料采用美国seman 8028品牌产品，膜材幅宽1.8米，投影面积4059平方米，膜顶部最大设计高度15m，膜内容积约4万立方米。

二、膜结构系统设计说明

1、气膜主体

1）外膜材料采用美国seman 8028品牌产品，膜材幅宽1.8米，厂家质保10年，该材料具有高强、自洁、耐久、耐火等特点。

2）气膜主体规格尺寸：99米(长)*41米（宽）*15米（高）。

2、机械单元成套设备

1）能够满足自动控制的具体要求

配备手动调压和自动调压两种调压方式，手动调压是通过触摸屏和PLC的内部程序来实现；自动调压是通过压差传感器和PLC的内部程序来实现。

2）程序设计的安全性：(第一道安全保障)

密闭空间内恒压控制，通过触摸屏将密闭空间压力值设定为D（280Pa-可抗12级风），1.当压力高时，风机降频运行；2.当压力低时，风机工频运行；3.当压力为设定值D的值域范围时（值域范围：D±10Pa），风机保持当前频率运行。

3）硬件设备的安全性：（第二道安全保障，只有当第一道安全保障失效时才会激活）

4）运行模式的安全性：每套系统设置变频运行、工频运行两种模式，变频发生故障，工频启动；工频发生故障，变频运行。

5）配备声光报警装置。

6）通道采用双重电气互锁设计，能够完全保障密闭空间的安全特性，智能控制：压力手动、自动调节智能控制，报警智能控制，显示操作画面智能控制。

3、主进门

1）旋转门2套，通道1套，满足人员和机具设备的进出需要。

2）本方案能够满足此项要求：（1）气密（2）开门执行器。

4、应急门

1）应急门5套，前方设置一道方便人员进出的旋转门。

2）能够满足此项要求：（1）专业气压平衡门。（2）材质为铝制内外门板，钢制门框。（3）易于开启和关闭，具有自动回弹功能，可自行关闭，密封良好，能够很好的维持膜内气压。

5、基础锚固系统

抗拔基础采用钢筋混凝土条形基础，基础顶面预埋铝合金铸件，铝合金铸件断面形式为U形，两侧为抗拔肋，与外膜连接简单，通过防腐木楔将膜面绳边固定，良好的气密性可有效阻止膜内空气的泄露，使气膜更加节能。铝合金铸件具有优越的抗老化、耐腐能力，与膜材连接时也不会损坏膜材，在实际工程中已得到良好运用。

三、膜结构施工技术方案分析

1编制说明及编制依据

1．编制说明

本施工组织设计为双层充气膜建筑工程安装方案。根据工程的实际情况的要求，确保工程质量、施工进度、施工安全，最终达到合格工程。

2.编制依据

2.1.基本技术条件和图纸资料。

2.2 国家有关规范、规程、技术标准等。

3.施工目标及承包范围

3.1. 施工目标：以安全施工为前提，按国家现行的有关规范、规定及膜结构技术规程进行施工，保证施工质量，确保施工工期，膜结构成品质量达到的合格标准。

3.2. 承包范围：气膜制品及通道门、设备安装、灯具安装等。

4.主要采用的新技术

本工程采用以欧美等发达国家同步的先进材料及工艺，以向室内密闭空间不断充气为主要手段，使其成为结构稳定、简洁实用的充气式膜结构体系，以抵抗不同工况的荷载；配有受力合理、技术先进的索网抗风结构体系；满足频繁开启、大尺寸红外自锁感应大门。

2膜结构工程概况

双层气膜建筑平面投影为长方形，长99米宽41米，投影面积4059平方米，膜顶部最大设计高度15m，膜内容积约4万立方米，该建筑物附属设备含2套通道门，5套应急门，2套旋转门，充气系统、照明系统、智能管理系统、变配电系统。

根据建设方的要求和场地的实际情况，结合充气膜结构体系的特点，经过反复论证和深入分析，最终确定建筑方案。下图为结构平立面图。

平面图

立面图

本建筑方案中，气膜四周边均与地面埋件直接连接，地面下部基础采用钢筋混凝土“倒T型”条形基础，基础底板宽度1.2米，顶部宽度0.5米；基础高度1.5米，顶面突出地坪高度0.45米，地下埋深1.05米。埋件采用预制铝合金槽铸件，精巧耐用，抗拉强度高，安装时只须将膜绳边埋入槽内，然后在槽内插入木楔块即可，操作简单实用。

索网中的钢索采用高强镀锌Φ16钢铰线。

膜裁剪热合均在工厂完成，为解决超大面积膜制作、运输及安装困难，设计将膜在工厂分块制作，最大块面积均在1000 m2左右，在现场用铝合金专用夹板将膜块连接成一个整体。

主通道供载重卡车和翻堆机同时出入，门体采用互锁型自动门；紧急出口设置2个，以备工作人员在使用过程中临时使用，或在有紧急事件发生时疏散人群采用。

设备控制室是充气膜建筑物的一个重要组成部分，考虑到本工程充气膜室内密闭空间容积约为8.5万m 3，初始充气时，利用3台鼓风设备对室内持续送风，使室内外形成一定的压力差，整个膜面逐渐鼓起至设计空间曲面。通常情况下，室内外压力差达到设定数值时，即可转换为2台鼓风设备低频运行，另外1台停止工作。如果因建筑物封闭不严或其他原因而出现漏气现象，导致室内压力亏损；或者当外界风速大于8m/s（约五级风）时，为使膜面有足够的刚度来维持其稳定状态，以抵御外部荷载的作用，室内压力会迅速加大，室内外压力差至少达到300Pa。这时通过安装在室内的压力传感器就会将检测到的压力值实时的传输到PLC控制系统，经其处理后通过变频控制器指令，调整鼓风设备的运行频率，迅速加大室内压力。在正常情况下，2台鼓风设备1备1用，24h转换一次，可有效降低设备的有形损耗。工程的充气自控系统是由两台鼓风设备、压力传感器、PLC控制系统、发电机组、配电控制柜及报警系统组成，是充气膜结构的“大脑中枢”，保证充气自控系统的良好运行，对整个充气膜结构有着重要的意义。

3施工技术方案

1.气膜结构的安装

1.1 安装总体思路

平整场地，在安装区域铺设铺地膜，在铺地膜上按设计图纸将膜单元整体展开；现场连接夹板链条，将膜单元连成一整体；连接索网，并固定；确认膜面完全密闭后，启动自动控制通风系统及备用风机对膜结构进行充气，直到膜面达到设计形状为止。

1.2 安装工艺流程

安装前期准备土建预埋件复测验收自控设备安装充气膜边界安装主出入大门、紧急门安装下压索网安装膜充气膜面清理清理现场竣工验收

1.3安装步骤

1.3.1检查预埋件位置，确保准确无误；

1.3.2将场地清理干净，展开铺地保护膜；

1.3.3将各膜单元大包按顺序放置在铺地保护膜上，根据包装上的标识方向打开膜单元；

1.3.4通过夹板链将膜单元连接；局部穿膜边角处夹板，便于大绳拉结；

1.3.5连接并固定下压索网体系；

1.3.6将安装膜面的手工工具分发到班组。手工工具包括人力钳、扳手、羊角锤、美工刀及带安全提钩的工具袋

1.3.7将铝合金夹板、螺栓、止水橡胶带等按顺序依次安装在膜面四边上，安装过程中应做到：螺栓无漏拧、欠拧，止水橡胶带排放平整，不间断，无起拱；

1.3.8 通过自动控制系统对膜结构充气；

1.3.9膜结构自检，安装结束.

2、自动控制设备系统的安装

2.1图纸设计

根据现场工艺设计风机柜体尺寸，设计电气原理图。

2.2前期准备

依据设计加工风机箱，依据电气图纸装配PLC、变频柜，设计工艺程序。采购充气风机、发电机组，对所有电气设备进行系统调试。

2.3现场安装

先期将电气成套设备运送到现场，清理设备摆放空间，使用吊车将电气设备就位，然后进行固定，电气接线，风口对接。仪表设备就位， 电气检查，最后进行通电测试。测试完毕，等待充气。

3、气膜出入口系统的安装

3.1工程准备

设计尺寸，焊接预埋件，加工门体，门框就位。调试门锁，安装防爆观察窗。

3.2现场安装

安装工艺流程：安装前期准备门体就位气膜充气成形焊接预埋连接气膜加强片调整门体形状调试门的功能调试门的气密性撕开膜体粘扣，验收使用。

结语

充气膜结构是轻型空间结构的一个重要分支，在建造过程中没有湿作业、没有扬尘、没有施工噪音、没有对环境任何污染，充气膜全部材料均可回收再利用，在使用寿命终止后不形成任何建筑垃圾。同时膜结构具有丰富多彩的造型、优异的建筑特性、结构特性、和适宜的经济型等其他传统建筑无法比拟的优势，具有广阔的应用前景。