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      膜結構幕墻的應用

      發布時間:2015年4月3日 點擊數:9804

      膜結構幕墻是膜結構在建筑外圍護結構的應用,具有膜結構的共同特性和優點:膜結構是一種非傳統的全新結構方式。充溢張力且富于變化的曲面,自在靈敏的大空間,透明、半透明膜材所構成的亮堂而又溫和的室內環境,桅桿、拉索、精致的金屬節點等所表現的富有現代氣息的結構技術,這些特征使膜結構為人們提供了有別于傳統結構的全新視覺感受,為建筑設計(包括建筑環境設計)提供了史無前例的寬廣空間和許多新的可能性。


      現代膜結構技術在德國、美國、日本等國經歷了三十多年的發展,如今已趨于成熟。建筑師們充沛開發和應用了這種新結構技術所提供的可能性,建造了許多具有典型意義的大型膜結構建筑,它們高度表現了建筑與結構的調和統一、技術和藝術的圓滿分離。有許多膜結構建筑成為當地有代表性的人文景觀。

      膜結構的設計也懸殊于傳統結構。柔性的膜材僅當賦予恰當預張力時才具有肯定的外形和抵御外荷載的剛度,才真正成為結構,因而初始形態剖析在膜結構設計中具有根本意義。裁剪剖析是膜結構設計中又一個特殊問題:膜結構的曲面外形普通來說是不可展的,裁剪剖析就是請求在平面膜材上合理放樣,以盡可能準確地擬合空間曲面上的相應條塊。而且,膜結構的初始形態剖析和裁剪剖析不只是單純的力學問題或技術問題;其初始形態剖析與建筑外型密不可分,而膜材拼縫構成的圖案經常是重要的室內裝飾手腕和表現內部空間的有力工具。所以膜結構的設計從一開端就請求建筑師與結構工程師嚴密配合、互相協作。事實上,這種新穎體系的建筑設計和結構設計是統一的整體,應當是分離在一起同時停止并完成的。


      膜結構的計算剖析也有其特殊性,例如:這種柔性結構體系位移很大,在計算中必需思索其幾何非線性;風是膜結構設計中起決議作用的外荷載,膜結構對風的動力作用非常敏感,在設計計算中必需予以思索,有時以至還應當進一步思索氣流與結構的互相耦協作用,即所謂的氣彈動力響應問題。這些特性在一定水平上增加了膜結構的設計難度。


      膜結構和膜結構幕墻的開展依賴于膜材的技術創新和技術開展,從歷史上來看,材料技術的累計為建筑學帶來越來越多的創意,也帶來無窮無盡的高請求。從現代主義到后現代主義,再到解構主義建筑理論,以至所謂混沌理論,無不例外地請求材料反動,而每次材料反動又給建筑學添上更多的新創作語匯。

      從建筑顏色學來看,透過建筑立面的顏色或本性看室內的顏色,從亮到暗或從暗到亮,建筑師可依據層次深淺規劃,顏色的冷暖布置,晝夜光源方向的異同,取得本人想得到的建筑光學顏色效果。





      從建筑美學來看,隨著人們對建筑美的認識和把握,從不同角度推進了建筑的發明和開展。良好的環境能激起人的美感,良好的環境亦能給人們認同感、親切感、指認感、文化性和順應性等不同的心理感受。材料技術的進步能夠刺激建筑創作藝術中的異端肉體,常常能夠把這種異端不合理的設計,經過運用新材料后變為合理化。采用更新的施工辦法,能夠完成這種異端設想。


      從建筑學角度,解構主義的松懈、無序、錯位、奇險、偶爾等均可在材料科學進步中,得到良好的營養,浸透到建筑文化中去,呈現百花齊放、鬼斧神工的巨大奇觀。膜結構、膜結構幕墻、膜結構屋頂正是如此。





      幕墻膜結構的膜材料



      幕墻膜結構的膜材料


      膜結構和膜結構幕墻的發展依賴于膜村的技術革命和技術發展,從歷史上來看,材料技術的革命為建筑學帶來越來越多的創意,也帶來無窮無盡的高要求。從現代主義到后現代主義,再到解構主義建筑理論,甚至所謂混沌理論,無不例外地要求材料革命,而每次材料革命又給建筑學添上更多的新創作語匯。





      用于幕墻的膜材有織物膜材和箔片膜材兩大類?椢锬げ模焊鶕幙棽煌煞譃槠娇、曲織;根據纖維材質可分為聚酯織物、玻璃織物;根據涂層可分為單邊涂層、雙邊涂層。目前織物涂層膜材是主流材料。

      常用織物膜材包括:
      (1)PVC 膜材:聚氯乙烯(PVC)涂層和聚酯纖維基層復合物
      (2) PTFE 膜材:聚四氟乙烯(PTFE)涂層和玻璃纖維基層復合物。
      (3)加面層的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:高強度箔片膜材都是由氟塑料制造的,它也可和織物膜材一樣施加預拉力,它有很高的透光率、自潔性和防老化性,ETFE 箔片膜材近年在建筑幕墻和屋頂較多采用。



      ETFE材料的是優秀的環保材料:
      ETFE的化學名為乙烯-四氟乙烯共聚物。 它是從海水中提煉 出來的。由25%的乙烯和75%的四氟乙烯組成。它是屬于PTFE氟聚合體的家族的產品。   ETFE是一種含氟高分子,熱塑型材料,有極抗化學性,機械強度高;耐候性、耐熱性、耐燃性好;幾乎對所有的化學品不發生反應;直接曝露于陽光、雨水或廢氣中沒有損耗或變形,長時間曝露于戶外特性并無改變。ETFE膜材是通過擠壓ETFE顆粒而成的。膜材常見厚度 (從 50 μm到 300 μm),重量很輕。


      這些性能決定了ETFE膜結構的良好的使用壽命和應用范圍


      PVDF/PTFE/ETFE膜材的比較

      香米

      單位

      PVDF

      PTFE

      ETFE

      設計使用年限

      15~20

      >25

      >25

      耐火等級

      -

      B1難燃)

      A不燃)

      B1難燃)

      常用膜材厚度

      mm

      0.50~1.25

      0.35~1.10

      0.10~0.30

      抗拉強度(徑向/緯向)

      kN/m

      114 / 108 [1]

      183 / 167 [2]

      45 [3]

      破斷延伸率(徑向/緯向)

      %

      24 / 30 [1]

      3~10 / 6~15 [2]

      400 [3]

      計算彈性模量(徑向/緯向)

      kN/m

      475 / 360 [1]

      3000 / 1200 [2]

      225 [3]

      安全系數

      -

      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


      中興化成(Chukoh

      圣戈班(Saint Gobain

      杜肯(Verseidag

      旭硝子(Asahi

      德國 Nowofol。


      ETFE 膜為現代建筑幕墻和屋頂提供了一個嶄新的面材。由這種膜材制成的屋面和墻體,質量輕,只有同等大小的玻璃質量的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℃,并且不會自燃,可以加工成任何尺寸和形狀,可滿足大跨度要求,節省了中間支撐結構,可以設計出簡潔高雅的結構;

      作為一種充氣后使用的材料,它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;在提供了良好的透光度的同時,也兼有保溫隔熱性能;質量輕,可以根據需要滿足通風透氣、自然采光的需求;

      不僅如此,這種膜還具有良好的聲學性能,可有效消除回聲避免了玻璃層頂產生的噪音;具有的自清潔功能,使灰塵不易附在其表面。這種材料另外的一大優點就是可在現場預制成薄膜氣泡,方便施工和維修;近年來,由ETFE 制成的膜材料替代傳統的玻璃和其它高分子采光板用于大型建筑物的屋面或墻體,顯示出無可比擬的優勢。





      廣州南站EYFE膜材氣枕采光屋面

      膜結構幕墻系統分類

      幕墻的膜結構根據結構系統形式可分為3 類:
      骨架式膜結構幕墻、
      張拉索膜結構幕墻、
      充氣膜結構幕墻。


      骨架式膜結構幕墻

      骨架式膜結構是由鋼或其他材料構成剛性骨架,骨架具有自然穩定性、完整性,膜張拉并置于骨架上構成骨架式膜結構形態有平面形、單曲面形和以鞍形為代表的雙曲線形。骨架式膜結構的顯著特點在于:膜不是維持結構體系存在的必要結構單元,但膜又不僅僅是單純的屋面覆蓋系統,而是充分發揮了采光建筑功能及高強度受力特性。

      雖然預張力對骨架式膜結構的形態的影響不及張拉膜,但也必須引入足夠大的張力,保證結構受力特性,避免在風荷載作用下膜面發生較大震動,導致松弛膜面凹陷。骨架一般暴露于膜內側,而且膜的透光性更加突顯骨架的室內視覺效果,因此,骨架的布置、形式、材料、節點等是設計考慮的重點,要力求簡潔、美觀。

      骨架式膜結構幕墻是采用單層膜結構,靠膜材經過張拉面產生的內部應力來抵御外部荷載,膜材可以是ETFE 膜,也可是PVC 或PTFE 膜。


      ETFE 張拉膜一般不采用在其周邊設置鋼索并通過鋼索使膜張緊的形式,而是把單層ETFE 膜切割制成所需的形狀,并在其周邊設置邊繩,用專用的鋁合金夾具夾持住,通過在周邊的夾具上施加拉力,使膜材充分張緊,靠膜材內部的預應力來抵御外部荷載。由于ETFE 抗拉強度較低,不能施加過大的預緊力,抵御外部荷載的能力也就較差,因而一般不采用過大規格的膜單元, 特殊情況下必須采用較大的規格時,膜結構單元一般采取中部加強的方式,用鋼梁或鋼索將其分割成若干個較小的單元。在相同荷載條件下,不采用其它的加強措施,ETFE 膜材利用充氣形式可做成較大面積的氣枕,有的甚至達上百平米,而采用張拉形式,由于膜材的抗拉強度比PTFE 膜材要低,因而施加的預應力不能過大,承受外部荷載的能力有限,其單塊面積也會受到一定的限制。


      在國外ETFE 張拉膜的工程應用很多,但規模都不大,而在我國的應用就是國家體育場———鳥巢,當時有的膜單元面積達到一百余平米,而建筑師又不希望在主鋼結構中間劃分出若干個小格子,影響外視效果,因而需要對膜結構加強,經過研究和反復的試驗, 創造性的在膜背面加設了鋼梁和鋼索,并采用特殊的技術將不銹鋼索與ETFE 膜材復合在一起,共同承受外部正負方向的風荷載和雪荷載,不銹鋼索固定在與其垂直交叉的鋼梁上, 鋼梁和鋼索都隱藏在膜的后面,外觀不可見,實現了預期的外視效果。一般來說,ETFE 膜材如果采用張拉形式,其應用范圍受到一定的限制,但是是開敞式的沒有保溫要求的建筑除外



      張拉式膜結構幕墻

      建筑中使用的膜結構主要為張拉式索膜結構系統,顧名思義,張拉索膜結構是通過張拉使膜的內部產生一定的預應力,以抵御外界的風荷載和其它荷載,同時使膜變形成為所需要的形狀。張拉膜是依靠膜材自身的張拉力和特殊的幾何形狀構成的穩定的承力體系。膜只能承受拉力而不能受壓和彎曲,其曲面穩定性是依靠相互反向的曲率來保障,因此需制作成凹凸的空間曲面,故習慣上又稱空間膜結構。張拉膜結構通常是沿著膜的邊緣布設鋼索,在鋼索上施加拉力,鋼索帶動膜張緊、成型,并產生足夠的預應力,因而稱其是張拉式索膜結構。如果膜的面積過大,膜自身無法承受預期的荷載,則可在膜的中間增設加強鋼索,以提高其抗風載能力。張拉式索膜結構可以根據需要制成任意復雜曲面形狀,體現自然流暢之美,并有多種顏色的膜材可選,以適應周邊的環境,滿足建筑效果要求,而且膜結構重量輕,一般不需要太龐大的支撐結構,這是其它建筑材料無法比擬的優勢。




      充氣膜結構幕墻


      充氣膜結構是在ETFE 膜材料技術基礎上產生的,是將兩層或多層膜通過熱熔焊接復合到一起, 形成封閉的袋子——氣枕,其周邊夾持在鋁合金或其它材料制成的邊框內,邊框固定于建筑的主體結構上,在氣枕內,通過預留的閥口,充入經過過濾及除濕處理的清潔干燥的空氣, 就制成充氣式膜結構系統,這種充氣形式應用于建筑的外圍護結構較為普遍。ETFE 充氣膜結構是靠膜材自身的強度和氣枕的內壓來共同承擔外部荷載的,雖然ETFE 膜材的抗拉強度有限,但氣枕的內壓是可以根據需要適當調整和平衡的,同時靠內壓的調整平衡解決了安裝時溫度高低引起的松弛問題,氣枕具有較強的承載能力,并在保溫、隔聲、防火、自潔、光性能、綠色環保等方面都凸顯優勢, 因而被大量的用于現代建筑上,尤其是作為大跨度空間建筑的圍護結構。


      為了提高ETFE 充氣膜的保溫效果, 膜的層數可由2 層提高到3 層、4 層,考慮建筑的使用功能,合理控制膜材的透光率,采用帶顏色或印刷鍍點和圖案的措施,充氣控制系統可以智能化控制。



      隨著現代科技的進一步發展,人類面臨著保護自然環境的歷史使命。因此,天然材料和傳統的古老建筑材料必將被輕而薄且保溫隔熱性能良好的高強輕質材料所取代。索膜建筑技術在這項變革中將扮演重要角色,其在建筑領域內更廣泛的應用是可以預見的,可謂前程似錦。建筑形體藝術塑造自由, 多變的支撐結構和柔性膜材使建筑物造型更加多樣化,新穎美觀,同時體現結構之美,且色彩豐富,可創造更自由的建筑形體和更豐富的建筑語言。由于自重輕,索膜建筑可以不需要內部支撐而實現大跨度的覆蓋空間,克服傳統結構在大跨度(無支撐)建筑上所遇到的困難,這使得人們可以更靈活、更有創意的設計及運用更大跨度的建筑空間。膜結構是隨著現代科學技術發展起來的全新建筑技術表現形式,是材料科學、建筑學、結構力學以及現代環境學高速發展的綜合產物。












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