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膜結構建筑的結構
2018-04-21

張拉整體結構( Tensegrity )是由一組連續的拉桿和連續的或不連續的壓桿組合而成的自應力、自支撐的網狀桿系結構,其中“不連續的壓桿”的含義是壓桿的端部互不接觸,即一個節點上只連接一個壓桿。 Tensegrity 是美國建筑師 R.B.Fuller 首先提出的一種結構思想,他認為宇宙的運行就是按照張拉整體的原理進行的,即萬有引力是一個平衡的張力網,各個星球是這個網中的一個個 孤立點。這種結構體系中的索網就相當于宇宙中的萬有引力,獨立的受壓桿件 相當于宇宙中的星球

20 世紀 60 年代隨著現代柔性建筑材料的發展,建筑師們從帳篷著一*古老的簡單建筑結構出發,構造出了魔幻般的形式——膜結構。它可以構成單曲面,多曲面等不同建筑結構形式,滿足了建筑師們對建筑與美學高度統一的要求。

柔性材料具有透光和防紫外線功能,在一些室外建筑和環境小品中得到廣泛的應用。正是由于這一特征,夜間的燈光設計使膜結構具有鮮明的環境標志特征。

優美造型的膜材,不銹鋼配件和緊固件加上設計輕巧合理,表面處理嚴格的鋼結構支撐,塑造出形式美觀,設計合理的膜結構,在當今世界范圍內的建筑環境設計中占有舉足輕重的地位。 透光性是現代膜結構*被廣泛認可的特性之一。膜材的透光性可以為建筑提供所需的照度,這對于建筑節能十分重要。對于一些要求光照多且亮度高的商業建筑等尤為重要。通過自然采光與人工采光的綜合利用,膜材透光性可為建筑設計提供更大的美學創作空間。夜晚,透光性將膜結構變成了光的雕塑。

膜材透光性是由它的基層纖維、涂層及其顏色所決定的。標準膜材的光譜透射比在10%~20%之間,有的膜材的光譜透射比可以達到40%,而有的膜材則是不透光的。膜材的透光性及對光色的選擇可以通過涂層的顏色或是面層顏色來調節。

通過膜材和透光保溫材料的適當組合,可以使含保溫層的多層膜具有透光性。即使光譜透射只有幾個百分點,膜屋面對于人眼來說依然是發亮和透光的,具有輕型屋面的觀感。 張拉膜結構不是剛性的,其在風荷載或雪荷載的作用下會產生變形。膜結構通過變形來適應外荷載,在此過程中荷載作用方向上的膜面曲率半徑會減小,直至能更有效抵抗該荷載。

張拉結構的靈活性使其可以產生很大的位移而不發生永久性變形。膜材的彈性性能和預應力水平決定了膜結構的變形和反應。適應自然的柔性特點可以激發人們的建筑設計靈感。

不同的膜材的柔性程序也不相同,有的膜材柔韌性**,不會因折疊而產生脆裂或是破損,這樣的材料是有效實現可移動、可展開結構的基礎和前提。 張拉膜結構的獨特曲面外形使其具有強烈的雕塑感。膜面通過張力達到自平衡。負高斯膜面高低起伏具有的平衡感使體型較大的結構看上去像擺脫了重力的束縛般輕盈地飄浮于天地之間。無論室內還是室外這種雕塑般的質感都令人激動。

張拉膜結構可使建筑師設計出各種張力自平衡、復雜且生動的空間形式。在一天內隨著光線的變化,雕塑般的膜結構通過光與影而呈現出不同的形態。日出和日落時,低入射角度的光線將突現屋頂的曲率和浮雕效果,太陽位于遠地點時,膜結構的流線型邊界在地面上投入彎彎曲曲的影子。利用膜材的透光性和反射性,經過設計的人工燈光也可使膜結構成為光的雕塑。 按照現有的各國規范和指南設計的的輕型張拉膜結構具有足夠的安全性。輕型結構在地震等水平荷載作用下能保持很好的穩定性。

由于輕型結構自重較輕,即使發生意外坍塌,其危險性也較傳統建筑結構小。膜結構發生撕裂時,若結構布置能保證桅桿、梁等剛性支承構件不發生坍塌,其危險性會更小。

膜結構的柔性使其在任一荷載作用下均以*有利的形態承載。當然,結構的布置和形狀要根據荷載情況來進行設計和調整。設計要確何膜面與其輔助結構協調工作,以避免力在膜面或輔助結構上集中而達結構破壞的臨界值。 具有特定功能的建筑都可通過立意得以表達,張拉膜結構的獨特外形體現了建筑自身的自然美感。

這些建筑形態本身和與其相協調的傳統建筑一起構成了令人興致盎然的地面標志性建筑。優秀的膜結構設計是結構與外形的有機融合,使其顯得了類拔萃,同時與自然環境、歷史及現代的城市景觀有機結合。

輕型結構可以看成是大型的雕塑作品,可為其周邊空間增添活力,成為周圍環境的補充和焦點。 膜屋面的一個重要作用就是抵御各種天氣變化(如日曬、雨淋、風雪等)對其內部空間的影響,保持建筑物內部的舒適性。選擇膜面的形態和材料時要考慮到所有可能的天氣狀況,并盡可能利用建筑本身等被動方法來減少能量的消耗。

多孔膜材可用作遮蔽結構。它可以控制光的透射和反射,使室內擁有散射光,并且促進自然通風,使屋面溫度與周圍環境的溫度相同,并避免向下的熱輻射。

為了抵擋風雪,膜面的外形應使排水通暢使捷,避免在其上形成水兜或雪的堆積。在施加預應力前的安裝成形階段,張拉膜結構對這些荷載十分敏感。為了能將雨水排除,膜材和接縫須密封防水,膜邊緣也必須進行特殊的細部設計,以防止雨水進入室內。 與其它結構相比的另一個突出優勢是輕型結構對環境的影響具有可調和性。另外它還有兩個重要的特性,即可移動性和靈活性。

結構可以在不同的地點反復拆建,這就是張拉膜結構的可移動。它將游牧式與定居式的建筑融為一體。膜材輕柔的特點使其方便運輸,且易于迅速搭建,而閑置時占用空間很小。這種特性使膜結構十分適于用作臨時性可移動建,特別是在發生突然災難或遇到緊急情況而需要在短時間內為大量人員提供庇護所的時候。

另一方面,可移動薄膜結構除具有與永久建筑相媲美的舒適性外,它還引入了建筑行業的一個新概念,即將房屋的所有權與土地的所有權相分離。建筑不再是不可移動的,而是可移動的。這種可移動性和可重復使用的特點對加速現代城市的發展和建筑功能在某些特殊領域中的轉變具有重要的意義。 結構類膜結構的主要構成部件就是膜材料、鋼結構和鋼索,不同的膜材和鋼索,其性能及價格各不相同。結構類造型可分為以下二類:

1. 骨架式膜結構:此類膜結構是固定在精致鋼材、空間桁架或其他堅固的構架上,稱之為骨架式膜結構。

2. 張力式膜結構:僅利用簡單的支撐系統及膜素材自身的張力特性,構成此類膜結構。與傳統結構不同,膜結構以柔性的薄膜和索為主要受力材料。要進行膜結構的工程設計,必須了解其材料。用于建筑工程的薄膜材料可以分為織物類膜材和非織物類膜材兩大類。其中織物類膜材常用的有 PVDF 涂層覆蓋聚酯纖維織物(以下簡稱PVC 膜材)以及PTFE 涂層覆蓋玻璃纖維織物(以下簡稱PTFE膜材);非織物類膜材則以ETFE 薄膜**代表性和競爭性。膜材的選擇往往在很高程度上取決于建筑物的功能、防火要求、設計壽命和投資額。 1.建筑材料的耐火等級問題

用于膜結構中的高強度柔韌性薄膜稱為膜材,它是膜結構工程中*重要的組成部分,作用與鋼筋、混凝土、輕質板材上是等同的,在膜結構建筑中既是起圍護作用的建筑材料,又是張拉結構體系中的受力材料?!督ㄖO計防火規范》及《高層民用建筑防火設計規范》中對建筑物各構件的燃燒性能和耐火極限都有明確的規定。目前膜結構建筑中使用的膜材通常有兩類,一類是以玻璃纖維織物為基材,涂覆聚四氟乙烯(PTFE)等樹脂材料,燃燒性能可達到A 級;另一類是以尼龍織物為基材,涂覆PVC 及其他樹脂材料,燃燒等級可以達到B1 級。

2.建筑空間跨度大,較難劃分防火分區,火災情況下易形成火災蔓延

膜結構大多用于體育館、劇院、展覽建筑的觀眾廳、展覽廳,其面積、長度可以根據需要確定,但如果用于商業、學校、食堂、菜市場等建筑,就要受規范的限制了,必須作防火分區,但這種建筑大多高度及跨度都很大,劃分防火分區比較困難,因此,一旦發生火災,各種垂直通道起拔火桶作用。當煙氣到達膜面以下時,頂部氣流水平運動,致使火災橫向擴大,容易形成大面積的火災蔓延。

3.人員疏散困難

膜結構建筑因空間巨大,人員在膜空間內到達室外出口的距離長,因此疏散時間就長。煙霧向上和向水平方向快速蔓延,擋住了疏散人員的視線,增大了疏散難度。另外,大空間內人員多,疏散時容易發生滯留。

4.火災探測不及時,普通自動滅火設施無法有效發揮作用,火災撲救困難

膜結構建筑空間一般都比較高,跨度比較大,發生火災后煙氣蔓延時,探測器動作與在普通建筑內動作相比會慢一些,且我們通常使用的自動噴水滅火系統在這種建筑中布置比較困難,更不能有效發揮滅火作用。撲救膜建筑這種大空間建筑物火災往往會遇到很多的困難。例如:熱輻射強,煙霧濃,火勢蔓延速度快、途徑多。另外,面對新型的膜建筑,我們缺乏撲救這類大空間建筑物火災的實戰經驗,這給消防滅火的登高作業、內攻偵察、火場供水等都帶來不少困難。 1.建筑構件的耐火等級

膜結構建筑的支撐一般為鋼結構,國內對于鋼結構的保護多采用涂防火涂料。國外類似建筑大多是不涂防火涂料的。還有一種更為穩妥的辦法:就是在構造上作處理,使膜面緊貼在鋼索下面,火災中煙氣首先面對的是膜面,這樣鋼索下面又多了一個保護層,使鋼架不受任何高溫作用。

瑞典國家測試院曾對PTFE 和PVC 兩種膜材料進行同樣條件的燃燒試驗,對試驗過程的溫度、有毒氣體成分、膜材燒穿情況進行了測試分析,結果表明雖然PTFE 膜材的耐火極限和燃燒性能比PVC 膜材高,但是PVC 膜材受熱后很快形成開放洞口,有利于煙氣和熱量的排出,從而延緩鋼結構的坍塌,而PTFE 膜材受熱后只是接縫處裂開,**沿接縫大塊脫落,熱量容易在頂部聚集,而且PTFE 膜材產生的CO2 和CO 至少是PVC 膜材的兩倍,因此對于膜結構特別是封閉式膜結構建筑使用PVC 膜材好一些。

2.采取特殊的防火、防煙分隔措施

膜結構大多用于體育館、劇院、展覽建筑的觀眾廳、展覽廳,其面積、長度可以根據需要確定,但如果用于商業、學校、食堂、菜市場等建筑,就要受規范的限制了,膜結構建筑相對于普通建筑,在主體大空間內無構造柱與梁,是一個連續完整的空間。膜空間和與之相連的部分之間必須設置有效的防火分隔設施,防止火勢向膜空間以外的其它空間蔓延。用普通建筑中的防火墻和防火卷簾劃分防火分區難以實現。我們可以采取一些特殊措施,例如可以采用“防火帶”的方法劃分防火分區,即在有可燃物品的建筑物中劃分出一段區域,這個區域內的建筑構件及裝修全部為非燃材料(且該區域內不存放可燃物)并采取有效的防煙措施,阻擋防火帶一側的煙火向另一側蔓延,從而在空間上形成一個無形的防火分隔區域。對于防煙分區的劃分,可以利用空間上方結構體系,掛上以耐火纖維為基材的輕質幕布,平時卷起,在火災報警后自動放下,懸停于一定高度進行防煙分區,劃分的面積在1000 平方米左右,代替了傳統的擋煙垂壁,效果明顯。

3.機械防排煙設施

對于封閉的膜結構建筑物,設置機械防排煙設施是至關重要的,煙氣往往比火更可怕,在火災中,煙氣彌漫,能見度被降低,延誤了疏散時間;大量高溫有毒氣體的存在,使人降低和逐漸喪失了逃生能力;高溫煙氣有著與火一樣的對建筑結構破壞的作用。就膜建筑來說,其防火分區面積和疏散距離都已超標,所以對這類建筑的大空間進行有效的防排煙設計顯得由為重要。第一步是控煙,通過一定的正壓送風量將火災煙氣吹向一個固定的空間內,使煙氣不會無規則擴散;第二步是蓄煙,利用建筑物自身的大空間條件設計“儲煙倉”將煙氣蓄積,形成距地面有一定高度的無煙層;第三是排煙。國外研究機構通過計算機模擬證明:如果一個煙控系統設計適當,可以防止煙在30~45min 內聚集在距地面3~4m處。這段時間對于人員疏散是極其寶貴的,同時也給滅火創造了有利條件。

4.運用新型的火災探測系統

通常建筑中所廣泛使用的火災探測器大多數以煙氣濃度和溫度為信號進行探測的,且大多數為頂棚式安裝。普通建筑的樓層高度多數在6m 以下,火災煙氣能很快到達頂棚,因此這類探測器是適用的。然而膜結構建筑空間很高,煙氣在上升過程中不斷受到冷卻和稀釋,在到達頂棚時濃度和溫度都大大降低,不足以啟動火災探測器。另外,由于建筑物內部熱風壓影響,大空間上部常常會形成一定厚度的熱空氣層,它足以阻止火災煙氣上升到大空間頂棚,從而影響火災探測器工作,所以普通型探測器是不適用于膜建筑的。運用新型的火災報警技術如紅外光束感煙探測器、空氣采樣及線型差溫探測器運用于膜建筑,解決了膜空間早期報警的難題。

5.采用有效的自動滅火裝置

設置空氣加壓移動式消防水炮。它可根據空氣加壓的大小確定射程,確保膜空間及其中部區域的安全。另外在大廳四壁適當位置上可考慮設置帶架水槍,以便當展廳上半部的橫幅、彩帶、氣球之類的可燃物著火后,可有效的組織撲救。


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