膜结构在施工中的应用

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1膜结构的特点

1·1材料特点

膜结构的自重特别轻。膜材的厚度一般在1mm左右,与压型钢板相比,虽然厚度差不多,但容重要小得多,即使加上加劲钢索,自重也只有10kg/m2左右,而一般的轻钢结构屋盖,其自重至少在100kg/m2以上。正因为自重轻,使膜结构能容易地跨越几百米、甚至上千米的跨度。所有膜材都是半透明的,最高透光率可达20%,因此整个建筑物在白天可以不用人工照明。同时光线能均衡地漫射,从而创立一个无眩光的、明亮的室内空间。此外浅色的膜材能反射阳光,反射率至少有70%,在夏季能大大减少热量的传递,加上没有照明用电,可充分节约能源。膜结构还有一个优点就是它的自洁性。目前所生产的膜材,其涂层或面层能使聚集在其上的灰尘轻易地被雨水冲刷掉,从而保持皎洁的外貌。

1·2设计特点

膜结构的设计与传统结构不同。膜材既轻又薄,本身没有什么刚度,只有依靠曲率和施加预张力来起承重作用。大部分膜结构的形状都是在施工过程中逐步形成的,因此在开始设计时就要确定它的初始形态,也就是在满足建筑造型和使用功能的要求下,决定膜面的初始曲率和预张力。这就需要结构工程师及早参与进来,使建筑设计和结构设计做到密切配合。在初始形态的基础上,要进行荷载效应分析,考虑各种不同的荷载组合情况下对膜结构产生的内力和变形。这时要注意:①膜材在经向和纬向的力学性能不同,要考虑材料的各向异性;②膜结构在荷载作用下变形很大,结构分析要考虑几何非线性。膜结构设计的最后一道是裁剪分析,这也是一般传统结构所没有的。膜结构完成后其膜面在空间中是三维的,然而膜材却是二维的平面,因此必须将空间的曲面划分为条状的裁剪片,以便在拼接并张拉后形成初始的膜曲面。问题的难度还在于裁剪分析中必须考虑初始预张力和膜材徐变的影响。由于以上特点,膜结构的分析与设计都要通过计算机来完成,目前国内外都已开发了专用的软件。

2膜材

2·1膜材的分类

目前最常用的膜材则是以玻璃纤维和聚酯纤维为基材分为两大类。

(1)以玻璃纤维为基材大多采用聚四氟乙烯(PTFE)为涂层,其商品名称为特氟隆(Teflon)。这种膜材的玻璃纤维一般都用很细的β纱织成,因此具有较高的强度,并能改进玻璃的脆性。此外,它在材料尺寸稳定性、耐火性和自洁性方面都有良好的表现。玻璃纤维膜材的生产厂家提出的质量保证期虽然只有10~15年,但根据工程实践的经验,使用年限可到25年。

(2)以聚酯纤维为基材采用聚氯乙烯(PVC)为涂层。与玻璃纤维膜材相比,它的强度等性能稍差,但价格便宜、加工制作容易。这种膜材最大的缺点是在大气尘埃和紫外线的作用下涂层逐渐破坏变质,严重地影响了耐久性。为改进其性能可在涂层外再加面层,从而能保护织物抵抗紫外线并改进其自洁性。常用的面层有聚偏氟乙烯(PVF)与聚偏二氟乙烯(PVDF),前者的商品名称为泰德拉尔(Tedlar)。增加面层之后,聚酯纤维膜材的各种性能都有提高,但耐火性能还只能做到难燃,使用年限可达到15年。

2·2常用膜材的性能对比

目前国内一些厂家虽然也能生产膜材,但其性能尚难达到建筑织物的要求,因此绝大部分工程所采用的膜材都是国外生产的。为了填补这个空白,国内生产厂家正在努力试制性能较高的膜材,同时还有企业正在引进国外的设备和技术来生产膜材,以期满足日益增长的膜结构工程的需求。

3制作与安装

好的膜结构制作与安装应该保证在所建的工程中实现设计中所规定的几何曲面和预张力水平。因此,一个合格的制作者应对三维膜面形状生成的要领有充分的理解,同时熟悉所加工膜材的性能。而一个合格的安装者则应在施工过程中善于控制不断变化的几何形状。膜结构的制作,大部分工作量是在工厂内完成的,因此加工制作场地必须有足够大的空间,并保持平整清洁,满足一定温湿度的要求。

成卷的膜材在工厂被裁剪成膜片,这种先进的工艺应由专门的计算机来完成,但目前国内的制作还是依靠人工放样和裁剪。由于膜材在安装时施加初始预张力而伸长,同时随着时间会产生徐变,因此在裁剪时要根据所用膜材的特性,考虑上述因素的影响,确定膜片的收缩量。膜片通过高频焊机热合加工成膜单元。对于采用聚酯纤维或玻璃纤维为基材的膜材应采用不同的焊机。各种膜材的连接方式和热合工艺也不同。膜单元运到施工现场,打开包装后展开在它的支承构件上(如桅杆、刚性骨架或索)。接着就应进行连续安装就位,将膜单元尽快固定在边缘构件或钢索上,因为这时膜结构尚不能承重,最容易受外界气候影响而导致膜面破坏。在膜单元固定的过程中,膜面实际上已经开始施加预张力而绷紧。为了使膜结构达到预定的形状,还需要采用专门的施力机具分步、均匀地对其施加预张力。膜结构中的预张力具有十分重要的作用。正因为膜材受拉使膜面减少或避免了褶皱和可能引起积水的凹坑,更重要的是预张力可以有效地控制由风产生的膜面颤振。至于膜面是否能达到设计的预张力值还是个难题,因为目前尚没有能准确测量膜面张力的仪器。实际工程中还只能以检查施力点位移是否达到设计值作为控制标准,对有代表性的施力点则应进行力值抽检,这是检查施工结果与设计假定吻合程度的一个重要手段。

膜结构竣工验收之后要十分重视维护和保养,以保证正常使用。与一般结构相比,恐怕要更强调这一点。在竣工后的一段时间内,制作安装单位应负责检查和维护,并向使用单位提供保养维护手册。膜结构的长期维护和保养还应有专人负责。

4适用工程

多年的工程实践表明,膜结构具有强大的生命力,已成为现代建筑中一种重要的结构形式。从一开始,膜结构就被应用在体育建筑中,其后迅猛发展。现在从大型的奥运会体育馆、世界杯的足球场,一直到小型的学校健身房,无不见到膜结构的踪影。近年来,世界各地的大城市都在兴建会议展览中心,对于要求一个大空间并可自然采光的展览建筑来说,膜结构就是一个理想的选择。除此之外,膜结构还经常被用在商业、文娱、交通等建筑上,甚至面积不大的加油站、收费站、候车亭、大门入口、遮阳设施乃至街头的建筑小品。然而,膜结构也不是全能的,还要受到造价、气候、能源、防火等条件的约束,因此选择膜结构的适用范围是十分重要的。

4·1遮盖敞开或半敞开建筑物

对于遮盖敞开或半敞开建筑物,膜结构是最合适的了。这首先要提到体育场,其覆盖范围已由过去仅仅是主席台发展到了全部看台,悬挑的跨度也越来越大。轻巧的膜结构为此提供了有利的条件,悬挑出四五十米跨度已不成问题。2000年世界杯,在日本和韩国建造的20座足球场中,有一半以上采用了膜结构。我国从上海八万人体育场开始,已有10多座已建或在建的体育场采用了膜结构。新近建成的芜湖体育场,是由外围桁架拱支承的整体张拉式膜结构。其他像露天剧场的舞台、公路上的收费站、加油站,国外用得很多,我国也开始采用。在我国南方地区,许多不需要墙围护的商场,以膜结构作为屋盖也很适宜。

4·2需要自然采光的公共建筑

对于需要自然采光的公共建筑,膜材的透光性能很好地解决采光问题,并且没有眩光,给人以一种处于大自然环境中的感觉。因此体育馆、展览馆一类的建筑采用膜结构自不待言。自从1970年以后,在美国的大型公共体育馆和大学体育馆建设中采用了一系列的空气支承膜结构,其中有代表性的是庞帝亚克市的八万座体育馆“银色穹顶”。1956年韩国汉城奥运会的体操馆和击剑馆采用了索穹顶形式的膜结构,这种索穹顶一直延续发展到1992年美国亚特兰大奥运会的主体育馆。膜结构已是国外体育馆、溜冰馆、游泳馆、健身房所常用的结构形式,在我国,目前还只限于中小型的体育建筑。

4·3展览建筑

展览建筑也是膜结构的一项热门。从1970年的日本大阪博览会开始,差不多每一次世界博览会都成了膜结构的展览。1985年在日本茨城、1992年在西班牙塞维利亚、2000年在德国汉诺威都出现了许多造型新颖、形状奇特的膜结构。2000年英国伦敦的“千年穹顶”则堪称为展览建筑的代表作。我国也开始在展览建筑中采用膜结构,如上海新国际博览中心,7万多m2的展览馆采用了钢管立体桁架支承的膜结构。南宁国际会展中心多功能大厅也采用了高达80m的旋转双曲抛物面双层膜结构。

4·4大量旅客集散的场所

对火车站、长途汽车站、轮船码头、机场候机大厅等大量旅客集散的场所来说,一个封闭但又能采光的空间无异是很理想的。1995年美国丹佛国际机场候机大厅以17个宽67m帐篷形的膜结构组成,宽敞明亮的建筑显示了膜结构的优越性。最近广州新白云机场候机大厅屋盖的采光带以及门厅等采用了膜材,单这部分的面积就有5万多m2。

4·5系列化产品

此外,膜结构可以利用工厂生产的特点,将其做成标准化的产品。目前在美国就有专门的厂家生产轻钢骨架支承的膜结构,作为系列化的商品供应。它适用于生产车间、仓库和临时性建筑。由于膜结构具有运输、拆装方便的优点,对于紧急救灾或灾后重建都十分有用。

5技术规程

应该承认目前广大技术人员对膜结构还不熟悉,急需这方面的标准规范作为技术上的指导。同时,当前膜结构工程的施工也需要对制作、安装提出要求,并对其允许误差作出规定,才有利于保证工程质量。此外,管理部门、建设单位、监理单位等对此也都有迫切的要求。因此,对膜结构提供一本包括设计、制作、安装和维护的指导性文件就显得非常必要。中国钢结构协会空间结构分会委托中国建筑科学研究院为《膜结构技术规程》的主编单位,组织国内9个主要从事膜结构科研、设计、教学与施工的单位成立编制组,展开规程的编制工作,并于2003年11月完成了送审稿。目前规程已通过了专家审查,正在形成报批稿,估计在2004年上半年将由中国工程建设标准化协会批准。规程的主要技术内容如下:

(1)设计基本规定其中膜结构选型按膜材及其相关构件的受力方式分成4种形式,是国内外首次提出的一种比较科学的分类方法,另外提出了在建筑与结构设计中应考虑的问题。

(2)材料膜材根据当前国内外厂商所能提供的品种,按其材料组成分别给予代号,按其抗拉强度、厚度与重量加以分级。对膜结构中所用的拉索和锚具也作出规定。

(3)结构计算指出膜结构计算中所特有的初始形态分析、荷载效应分析和裁剪分析,规定了膜材的抗力分项系数以及变形允许值。

(4)连接构造根据国内外工程实践,提供了膜材、钢索及其与相应构件连接的构造图,可供在设计中采用。

(5)制作、安装和工程验收根据国内企业的实践经验,提出了膜结构施工的工序、注意事项以及制作与安装的允许偏差。

(6)维护和保养对膜结构建筑在竣工后进行维修和保养作出规定,这是与一般建筑物的不同之处。