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      膜結構屋面的應用

      發布時間:2015年4月3日 點擊數:8945

      屋蓋是房屋最上部的圍護結構,應滿足相應的使用功能的要求,為建筑提供適宜的內部空間環境。屋蓋也是房屋頂部的承重結構,受到材料、結構、施工條件等因素的影響。屋蓋又是建筑體量的一部分,其形式對建筑物的造型有很大影響,建筑師在完成設計作品中同時十分注意屋蓋的美觀問題。




      隨著科學技術的發展,出現了許多新型的屋頂結構形式,如拱結構、薄殼結構、懸索結構、網架結構屋頂等。
      無論傳統的屋蓋形式或者各類新穎的屋蓋形式,其構成大致分為兩個部分,即支撐體系(粱,檁條),和屋面體系(覆蓋面材)。

      屋面就是建筑物屋頂的表面,他主要是指屋脊與屋檐之間的部分,這一部分占據了屋頂的較大面積,或者說屋面是屋頂中面積較大的部分。張拉膜結構自其在20世紀中期發展以來,在各種屋面的應用中不容忽視。
      通過對各類屋蓋結構的觀察,可以了解屋蓋結構在拉力和壓力的結構構件上的行程和傳遞,我們可以對結構行駛有清晰和系統的認識。比如梁,是能夠被結合形成簡單結構最普通的結構構件。每個此類構件都可能同時在它們的橫截面上承受拉力和壓力。豎向荷載下堅支粱的橫截面下部表現為拉應力,而在上部則表現為壓應力。通過計算及檢測,可以看出粱一些情況下不能有效的承重,他的中央區域有顯著的重力荷載,卻不像外部纖維那樣達到應力最大值。建筑學家通過研究將這種簡單的梁發展為桁架——兼具承壓承拉作用的結構。
      桁架是由一列類分立結構構件形成的一個結構單元,起到梁的作用,各個結構單元獨立承載拉力或壓力,并且可以被優化加強,從而更有效的承載,梁的無效承重區域完全由桁架構件之間的凈空間取代。
      最簡單的是由單一原件承載的體系,譬如膜結構在屋面體系中的應用。
      很明顯一般傳統的屋面面材,覆蓋在粱之上,在粱承擔自身恒載的同時,至少還有承擔面材自重的壓力。這兩個例子都是平面原件,外加荷載也同樣作用于那些平面
      當這些結構以及和他們相關的荷載體系演變為三維體系時,情況就變得更為復雜,參照系統圖示右邊一列的圖示為結構只在受壓力作用時的承受荷載情況,而左邊一列的圖示為結構在受拉力作用時的承受荷載情況。中間一列為圖示結構在受拉力和壓力混合作用的結果。
      二維壓力圓拱結構被發展成雙向殼體結構,然后被發展成為三角形結構殼體結構,最后被發展成為立體殼體結構。相似的只受拉力作用的懸線結構,先被發展成為三角網狀結構,最后是結構涂層織物。在結構演變過程的每個階段,結構元件只受拉力作用。
      引入表面曲率可以提高膜結構的承載能力。在膜結構中,荷載作用下的撓度有彎曲度以及永久應力或預應力的量來控制。
      左圖給出了膜的基本形狀,雙曲拋物面(4點帆面)筒形拱形(鞍型)圓錐面都表現出負高斯曲面;厩试谝粋方向上的作用與其他方向上的作用相反。這些預應力一開始被機械的引入結構邊緣,一個方向上的預應力與反向的預應力相對而且由其來維持。
      雙曲表面的具體形狀和膜材織物的編織方向對其工程性能是至關重要的。他與預應力的大小一起控制著應力的大小,分布在外加荷載下的撓度。
      在滿足建筑上和功能上的需求的同時,建筑形式在物理上一定要是可行的,就是說在安裝過程中以及非承載狀態下要處于平衡狀態。在實際中,這意味著在整個結構中應該沒有褶皺的織物表面,也不能有松弛的膜面和索。

      在建筑外形和工程特征型緊密結合的同時,在結構設計師和工程師緊密配合。這種配合從結構的初始定型中就開始了,如外形選擇階段并一直貫穿整個反復設計的過程,在膜結構的應用開發以及結構的經濟性和可建設性的優化方面,與優秀的建筑師合作一直是我們所期待的。

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