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科普一下神秘的建筑膜結構材料!

2018-03-07

1970年日本大阪萬國博覽會上的美國館和富士館均采用了膜結構建筑,在建筑行業引起了不小的轟動。在隨后的幾十年,建筑膜結構得到了迅猛的發展。


膜結構大部分由鋼材和索構成,另外與結構相結合的膜材也逐漸走向功能化、智能化。


膜材具有造型輕巧自由、美觀;透光、節能、環保,優良的阻燃性能;防污自潔性能;安全、壽命長等優點。


基于這些優點,建筑膜材脫穎而出,膜結構被稱為“21世紀的建筑”,應用于大型體育場館、入口廊道、購物場、娛樂場、停車場、展覽會場、植物觀光園等建筑。



| 膜結構建筑中*常用的膜材料


PTFE膜材料


PTFE膜材料是指在用極細的玻璃纖維編織成的基布上涂抹PTFE(聚四氟乙烯)樹脂而形成的復合材料。


其特點是:強度高、耐久性好、防火阻燃、自潔性好,而且不受紫外光的影響,使用壽命在20年以上;具有高透光性,透光率為13%,而且透過膜材料的光線是自然散漫光,不會產生陰影,也不會發生眩光;對太陽能的反射率為73%,因而吸收熱量少,即使在夏季太陽暴曬的情況下,建筑內部也不會受太大影響。


目前國外對這種膜材的開發和應用比較成熟,生產廠家也很多,如德國Mehler公司、Verseidag公司,日本Taiyoko-gyo公司、中興化成工業株式會社、美國Chemfab公司、沙特阿拉伯ObeiKan公司等。


國內有寧波天塔聚氟玻纖有限公司泰州維維高分子有限公司等。


上海萬人體育場


上海體育場看臺罩篷的膜材料為進口玻璃纖維織物涂敷聚四氟乙烯涂層(PTFE)材料,為組合式膜結構體系。


這是膜結構**在我國應用于大型永久性建筑,標志著膜結構建筑作為一種新的建筑結構被我國各界人士的認可,拉開了膜結構建筑在我國廣泛應用的帷幕。


PVC膜材料


PVC 膜材料是在聚酯纖維編織的基布上涂抹PVC(聚氯乙烯)樹脂而形成的復合材料,PVC膜材料的強度及防火性與PTFE 相比具有一定差距,使用年限一般在7到15年。


為了解決PVC膜材料的自潔性問題,通常在PVC 涂層上再涂抹PVDF(聚偏氟乙烯)形成PVDF膜材料。


倫敦碗


倫敦奧林匹克體育場在奧運和殘奧期間是8萬座位的體育場,賽后轉換成一個2.5萬座位的體育場。


人字形柱支承外壓縮環桁架,內張力環采用索,其間輻射布置雙層徑向索形成索網,上覆112片PVC膜材張緊形成罩蓬,是典型的索系支承式膜結構。


該場館對于資源的**利用是屬于重量級的,比其它體育場減用了75%的鋼材。


ETFE建筑膜材


ETFE建筑膜材由ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)生料直接制成。ETFE不僅具有優良的抗沖擊性能、電性能、熱穩定性和耐化學腐蝕性,而且機械強度高,加工性能好。


近年來,ETFE膜材的應用在很多方面可以取代其他產品而表現出強大的優勢和市場前景。


這種膜材透光性特別好,號稱“軟玻璃”,質量輕,只有同等大小玻璃的1%;韌性好、抗拉強度高、不易被撕裂,延展性大于400%;耐候性和耐化學腐蝕性強,熔融溫度高達200℃;可有效的利用自然光,節約能源;良好的聲學性能。


自清潔功能使表面不易沾污,且雨水沖刷即可帶走沾污的少量污物,清潔周期大約為5年。


另外,ETFE膜可在現成預制成薄膜氣泡,方便施工和維修。


ETFE也有不足,如外界環境容易損壞材料而造成漏氣,維護費用高等,但是隨著大型體育館、游客場所、候機大廳等的建設,ETFE更突顯自己的優勢。


目前生產這種膜材的公司很少,只有ASAHIGLASS(AGC)、日本旭硝子、德國科威爾等少數幾家公司可以提供ETFE膜材,這種膜材的研發和應用在國外發達國家也不過十幾年的歷史。


鳥巢


北京奧運會場館“鳥巢”和“水立方”膜結構采用ETFE膜材,是目前國內**的ETFE膜材結構建筑,膜材采用進口產品?!澳癯病輩捎盟隳そ峁?,外層用ETFE防雨雪防紫外線,內層用PTFE達到保溫、防結露、隔音和光效的目的。


“水立方”采用雙層ETFE充氣膜結構,共1437塊氣枕,每一塊都好像一個“水泡泡”,氣枕可以通過控制充氣量的多少,對遮光度和透光性進行調節,有效地利用自然光,節省能源,并且具有良好的保溫隔熱、消除回聲功能。



| 建筑膜結構分類


骨架式膜結構


骨架式膜結構是在鋼架或其他材料的骨架上鋪裝膜材料,由此構成屋頂或外墻壁的構造形式。造型包括平面形,單曲面形,和以鞍形為代表的雙曲線形。


弗雷·奧托可能是世界上*早采用支撐膜結構來構建大空間的建筑師,他設計的德國館是用高強度的金屬索與用高分子聚合材料做成的薄膜一起組合起來的具有足夠大的空間的建筑。


慕尼黑奧運會體育場


正是德國館的成功啟發了對1972年慕尼黑奧運會體育場的結構和建筑造型的設計。


這種結構的特點是結構非常簡潔,便于組裝和拆卸,與傳統結構比起來有相對低廉的造價。它的屋面用特種柔性化學材料敷貼,呈半透明狀。


充氣式膜結構


充氣式膜結構是向由膜結構構成的室內充入空氣,并保持室內空氣的壓力始終大于室外空氣壓力,由此使膜材料處于張力狀態來抵抗負載及外力的構造形式,分單層結構和雙層結構兩種形式。


這種膜結構可以從根本上克服傳統結構在大跨度(無支撐)建筑上實現時所遇到的困難,可創造巨大的無遮擋的可視空間。


其造型自由輕巧、阻燃、制作簡易、安裝快捷、節能、易于、使用安全等優點,因而使它在世界各地受到廣泛應用。


另外值得一提的是,在陽光的照射下,由膜覆蓋的建筑物內部充滿自然漫射光,無強反差的著光面與陰影的區分,室內的空間視覺環境開闊和諧。夜晚,建筑物內的燈光透過屋蓋的膜照亮夜空,建筑物的體型顯現出夢幻般的效果。


這種結構形式特別適用于大型體育場館、入口廊道、小品、公眾休閑娛樂廣場、展覽會場、購物中心等領域。


國家大劇院


張拉式膜結構


張拉式膜結構是通過拉索將膜材料張拉于結構上而形成的構造形式,膜表面通過自身曲率變化達到內外力平衡。


在陽光的照射下,由膜覆蓋的建筑物內部充滿自然漫射光,無強反差的著光面與陰影的區分,室內的空間視覺環境開闊和諧。夜晚,建筑物內的燈光透過屋蓋的膜照亮夜空,建筑物的體型顯現出夢幻般的效果。


張拉膜結構特別適合用來建造城市標志性建筑的屋頂,如體育與娛樂性場館,需有廣告效應的商場、餐廳等。


柏林奧林匹克體育場


柏林奧林匹克體育場屋面的懸挑采用鋼結構,鋼構件上下覆膜。主支承結構的鋼桁架在半透明的膜下的隱約可見,桁架結構長68米。輕質的屋頂內部以20個傾斜的鋼柱支撐, 直徑僅有25 cm的鋼柱有效的保證了看臺的觀賞視野不受干擾。



| 膜結構建筑的優勢


1、經濟


膜結構建筑的造價僅為傳統建筑造價的1/3至1/2 ,張拉結構的造價根據不同的跨度和設計方案差異較大,但與傳統建筑方式相比,其價格效益比都非常明顯。


同時,由于膜材具有一定的透光率,白天可減少照明強度和時間,能很好地節約能源,夜間彩燈透射形成的絢爛景觀也能達到很好的廣告宣傳效果。


2、工期短


膜結構建筑工程中所有加工和制作均在工廠內完成,可減少現場施工時間,避免出現施工交叉。


與傳統建筑方式相比,膜結構建筑的施工周期至少可縮短一半,一般項目可在兩個月內竣工,施工期間不影響其他工程的施工進度。


3、跨度大


膜結構建筑中使用的膜材料很輕,每平方米的重量只有1公斤左右,因此膜結構可以從根本上克服傳統結構在大跨度(無支撐)建筑上實施所遇到的困難,并能創造開闊的無遮擋可視空間,有效增加空間使用面積。


目前膜結構建筑的跨度已超過200米。


4、造型獨特


呈現富于變幻、新奇誘人的視覺效果,其運用范圍不僅限于體育或展覽建筑,還向房屋及景觀建筑等各個方面擴展。


膜結構工程規??紗罌尚?,有街頭小品,也有候機大廳、體育??;壽命可長可短,可以是臨時性展篷,也可以是30年以上的長期建筑;色彩可素可花,膜材料像布一樣可以染成各種花色,尤其是膜材料的半透明性能,使夜空中的膜建筑在燈光照射下,呈現出夢幻般的色彩。


5、自潔性


膜結構建筑中采用具有防護涂層的膜材料,因此具有良好的自潔效果,可利用雨水的自然沖刷進行建筑物的外觀清潔,同時也確保了建筑的使用壽命。


另外,膜結構還具有便于運輸、易更新及不易積雪等優點。



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