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建筑结构丨一文读懂中国膜结构的发展史,值得收藏!
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时间 : 2022-06-14 19:20 浏览量 : 4
本文概述了膜结构在过去20年中在不同类别建筑中的工程应用(商业办公建筑、学问展览建筑、机场车站建筑、体育场馆等)和办公建筑、学问和展览建筑、机场和车站建筑、体育场馆等)。你知道膜结构吗?

1917年英国最早的膜结构概念和专利Willian Lanchester直到1946年,美国才使用野战医院的充气帐篷Walter Bird直径15首次建造m充气穹顶。1967年德国F.Otto蒙特利尔展西德馆索膜支撑膜结构的设计开启了现代膜结构技术的应用和发展。此后,膜结构开始广泛应用于西方发达国家。

膜结构在中国的应用始于1996年左右。在此之前,只有少数由熟练工人或切割大师制作和安装的素描膜结构建筑使用织物材料。1996年,上海陆家嘴中央绿地公园建成了膜结构素描(图1、图名括号为施工时间),该素描出现在浦东开放的许多印刷宣传材料中。从那时起,膜结构的建筑类型了公众和建筑结构专业人士的关注。

图1 上海陆家嘴中央绿地公园膜结构素描 (1996年)

自1996年以来,膜结构逐渐应用于我国大型体育场馆建筑,1996年~1999年,上海8万人体育场(图2)、青岛颐中体育场(图3)、杭州游泳池(图4)等。

图2 上海8万人体育场 (1996年)

图3 青岛颐中体育场 (1998年)

图4 杭州游泳池 (1999年)

2000年以后,膜结构开始在中国各种体育、展览、学问等建筑中得到非常快速的发展和应用,这种发展势头一直持续到今天。目前,几乎所有的建筑师和工程师都对膜材料的类型、性能和特点有了深入的了解。在过去的20年里,发展了数百家膜结构专业生产安装企业;近十年来,膜结构材料生产企业也迅速崛起;地方和集团膜结构技术标准已颁布实施;国内独立开发的膜结构设计App越来越成熟,应用广泛。

我国膜结构建筑的工程应用

小品和功能性膜结构建筑

素描膜结构和功能膜结构建筑几乎遍布全国,街道或公园雕塑、雨棚、露天 ** 棚、门廊、收费站、加油站等膜结构随处可见,图5为这类建筑的一些图片。

图5 素描及功能膜结构建筑

北京首都国际机场T膜结构建筑(图6)建于2007年~建筑面积35008年m2,采用ETFE和PTFE膜材交错布置,展开面积3385m2.支撑结构体系与悬索桥相似,两端以两个梭形桅杆为桥塔,跨度166m。前后为边环索。每根桅杆顶部交叉下拉7根吊索,与前后吊索相连。谷索设置在膜顶中间。谷索与边环索之间由连接索连接。每根桅杆顶部有两根下拉索,与外锚座节点连接,保持平衡。

图6 北京首都国际机场T3航站楼收费站膜结构

商业和办公膜结构建筑

膜材料在中国商业和办公建筑中的应用始于1999年。表1列出了1万多个扩展面积m几种典型的商业和办公膜结构。

几个典型的商业和办公膜结构建筑表1

注:表中T张拉结构;F刚性支撑结构;H为混合结构。

图7为2012年建成的天津金地紫乐商业广场屋顶。膜结构支撑结构为单层网壳结构,网壳纵横焊接工字钢,网壳平面为不规则多边矩形,长度约110m,短向约60m,五个网壳Y形状支撑钢柱和7根钢柱支撑在二层或三层屋顶上。网壳沿短向短向使用。φ60钢管或12mm厚钢板焊接成支撑膜或连接膜的二次钢结构,膜表面直接覆盖在二次钢结构杆上,以网壳结构体为膜结构支撑体系,膜通过二次钢结构连接到主钢结构,是典型的网架骨架膜结构体系。整个膜表面有7个结构单元,每个单元分别受力和形成自己的系统。

图7 天津金地紫乐商业广场屋盖膜结构

学问展览用膜结构建筑

学问和展览建筑是膜结构的重要应用领域。表2列出了一些大面积的膜结构应用实例。

几座大型学问展览用膜结构建筑 表2

图8为2001~郑州杂技馆建于2002年,位于郑州市中心城区,是中国第一个膜结构建筑形式的杂技馆。其主要建筑面积为3525m2.膜体投影面积3125m2.主钢量120t。平面呈近似圆形,圆半径为33m,在膜顶90m在2个范围内,形状突然出现了五个峰值。膜结构为全覆盖、全封闭形式,具有组织排水和隐蔽排水结构。膜支撑系统由11根柱和11根纵向梁组成,在11根纵向梁上部增加膜脊梁顶升结构(后期放松时可满足二次张力),由2圈环梁、1个顶部平台和膜张力系统组成,并配备相应的工作通道和吊装系统。本工程采用PVC膜材料,膜屋面展开面积3660m2.全部在工厂加工成整个膜体,现场吊装。

图8

图9为2001~南宁国际会议会展中心建于2003年,建筑面积11万m2.膜结构支撑系统净高48m钢结构穹顶上部外径约21m,内径约为13m;下部外径约72m,内径约为54m。采用PTFE膜材,外膜展开面积约9650m2.内膜扩展面积约3900m2.该项目是中国第一个自建项目PTFE膜项目。

图9

机场和车站膜结构建筑

在机场和车站也有一些膜结构建筑的应用。表3列出了这类膜结构工程的大部分实例。

部分机场和车站膜结构建筑应用实例 表3

注:A为充气结构。

图10所示为北京西二旗城铁站膜结构工程。膜结构建造起止时间为2010~2012年建筑面积2.2万m2,PTFE膜材展开面积15043 m2.主体膜结构南北长约120m,分为36个谷物膜结构单元;东西方向宽约54个.5m,屋顶表面、东立面、西立面由钢索(脊索、谷索或外拉索)和刚性构件(脊梁或下拉杆)组成,局部采用双层膜材。

图10 北京西二旗城铁站膜结构

体育场

膜结构在中国应用最广泛的领域是体育场。中国第一个建成的体育场结构是1996年上海8万人体育场(图2),由海外企业生产安装。随后,膜结构在体育场建筑中得到了广泛的应用。表4显示了中国建造的大部分膜结构体育场项目。以下是不同时期建造的典型体育场膜结构。

膜结构体育场工程应用实例表4

青岛颐中体育场

图11所示的青岛颐中体育场[4]起止时间为1998~建筑面积6263000年m2,PVC膜材展开面积42000 m2.结构支撑系统由中心环索和60个锥形膜组成。平面呈椭圆形,长轴266m,短轴180m;钢结构外环顶点标高42.5m,大约36个内环索标.5m,周围的蓬盖悬臂约为400m大约。该项目是中国第一个自行设计和建造的大型膜结构体育场。2013年,体育场屋顶PVC整体更换。

图11青岛颐中体育场膜结构图

国家体育场鸟巢膜结构

图12所示国家体育场鸟巢膜结构[11-12]建设起止时间为2006~2008年。建筑面积25.8万m2.屋顶结构的平面投影为椭圆形,长轴333m,短轴290m。体育场屋面膜结构可分为屋面围护膜和声学吊顶膜。屋面围护膜结构采用单层ETFE膜材,约42000 m2.声学吊顶膜采用单层PTFE膜材,约53000 m2。

(a)全景

(b)内景

图12 国家体育(鸟巢)场膜结构屋面

盘锦体育场

盘锦体育场(图13)2012年起止~2013年,建筑面积60570m2,PTFE膜材展开面积260000m2.体育场由椭圆形马鞍面布置,X由内环索、148根交叉径向吊索、72根径向脊索、72根径向谷索、膜边索和三角形环桁架组成的钢结构提供外围支撑PTFE膜材料构成整体张拉索膜结构屋顶;帐篷盖最大距离东西看台42m、南北30个南北看台m。环索是倾斜的马鞍形。

图13 盘锦体育中心体育场

体育馆

表5列出了中国建成的几个体育馆膜结构工程实例,并详细先容了一些不同时期的膜结构体育馆工程实例。

部分膜结构体育馆工程实例表5

上海闸北网球馆

上海闸北网球馆膜结构(图14)2002年起止时间~2003年,建筑面积2000 m2,PVC膜材展开面积2750 m2.闸北网球场由网球场索膜结构及附属框架组成,网球场平面尺寸38m×38m,附属框架长38m、宽7m(双层)网球馆的支撑结构为空间钢管桁架,屋顶和两侧墙面采用膜作为围护材料,其余为金属墙。

图14 上海闸北网球馆膜结构

佛山世纪莲体育中心游泳池

佛山世纪莲体育中心游泳池[13](图15)膜结构建设起止时间为2005~2006年,建筑面积31520m2,PVC膜材展开面积45000m2.游泳池屋顶投影面积约1.5万m2,呈类筒壳形,长210m,宽88.8m,钢拱矢高13.08m。钢拱交叉布置。应建筑效果要求,钢拱暴露,拱盖PVC膜片由谷索压成凹凸折叠形状。由于佛山位于华南,夏季气温很高,为了降低能耗,采用了双层PVC两层膜之间的气囊厚度为400~600mm。为了满足室内游泳比赛的音响效果,双层PVC还设置了一层PTFE因此,整个膜屋面有三层膜。

图15

鄂尔多斯伊金霍洛旗体育中心体育馆(图13)

2010年膜结构建设起止时间~2012年,建筑面积3.7万 m2,PTFE PVC膜材展开面积8150 m2.屋顶支撑结构系统为索穹顶,平面投影为圆形,直径71.2m,采用Geiger型索穹顶。外环是钢结构周围的钢桁架。放射性脊索从中心钢环拉到周围桁架的高点,将穹顶分为20个单元。每两个脊索中间设置一个谷索,环梁附近增加两个分叉索。因此,膜单元分为两个区域:由脊索、谷索、分叉索和内环组成的梯形区域PTFE外膜由分叉索、后谷索和环梁组成ETFE膜材。

图16鄂尔多斯伊金霍洛旗体育中心体育馆索穹顶膜结构

多功能膜结构建筑

南通体育场是中国第一座采用移动屋顶的多功能膜结构建筑。从那时起,多功能移动屋面膜结构建筑逐渐得到了广泛的应用。表6列出了几种已建成的膜建筑,并详细先容了两种典型的移动屋面膜结构建筑。

表6

上海旗忠森林体育城网球中心膜结构工程

2005年,上海旗忠森林体育城网球中心(以下简称旗忠网球中心,图17)的膜结构建设时间为。屋顶投影面积约1.6万m2.网球场屋顶钢结构由两部分组成:下部W桁架结构形式的环梁由大直径钢管焊接而成,共有3根环梁,每根环梁使用的主管直径为φ914,重约2000t;上部由8个花瓣形屋顶组成,每个为网状空间桁架结构,重约200t,8片屋盖可由驱动装置同时开启和关闭,开启一次大约需要7min 30s。屋顶外屋顶为金属屋顶,内部覆盖内膜。内外膜材料均为PEFE材料。根据钢管划分的网状结构,每个花瓣分为69块,形状面积不同。整个屋顶共有552层膜。

图17 旗中网球中心

绍兴县体育中心体育场移动膜结构屋顶

绍兴县体育中心体育场(图18)膜结构建设起止时间为2011年~2013年,建筑面积77 ** 0 m2.体育场开合屋盖由两个单元块组成,开启面积12350 m2.是中国最大的活动屋顶。钢结构主要包括固定屋顶、活动屋顶和膜结构钢骨架。体育场固定屋顶投影接近椭圆形,长轴长度为267m,短轴方向长度为206m,屋顶外边缘为四心圆。活动屋顶采用平桁架结构,沿跨度方向设置14个主桁架。除固定屋顶外,活动屋顶采用PTFE膜材外,墙周围设置的外装饰菱形框架也采用PTFE膜材包裹,PTFE膜材展开面积10万m2。

图18 绍兴体育中心体育场移动膜结构屋顶

充气和气承膜结构

1985年,上海建成了最早的充气膜结构,1995年北京建成了两种充气膜结构。但这些膜结构规模较小,膜材料不是具有良好耐久性和机械性能的现代涂层复合膜材料,因此在短期运行后,屋面膜材料被其他材料拆除或更换。表7列出了2007~一些充气和气承膜结构工程实例于2013年在中国建成。

表7

北京航空航天大学充气囊体活动式试验支撑系统工程(简称北航实验室)是较具代表性的气承式膜结构(图19),膜结构建造时间为2010年,位于河北省秦皇岛市昌黎渔岛,北临着名旅游景点“世界滑沙中心”,是专为发展中国航空事业而修建的超大型飞行试验基地。建筑面积3300 m2,采用国产PVC膜材,膜材展开面积(包括气囊)为28000 m2。结构体系由两大部分组成:试验用主球体和通道。二者结构体系相同,均为高压气囊和低压气承式组合充气膜结构,其中高压气囊为直径达1.5~3m的弧形圆柱曲面,内压高达到10kPa,为整个膜面提供骨架支撑作用;低压气承式充气膜为一单层膜面,内压仅为300Pa,起形成和维持膜面形态,二者相互作用共同受外部荷载作用。

图19 北航充气囊体活动式试验支撑系统工程

会展中心膜结构

国内主办的各类国际会展活动中,很多建筑物均采用了膜结构(表8)。其中,上海2010年世博会世博轴膜结构是难度和规模最大的膜结构工程。

会展中心膜结构工程实例 表8

上海世博会世博轴膜结构的方案概念设计是德国SBA 事务所,其膜结构设计、检测验收严格遵循国家和地方膜结构标准。针对这一工程,同济大学进行了包括结构体系、材料、节点、连接件等系列的理论和试验研究,确保了工程的顺利建设和安全运行。这一项目的成功建成标志了中国膜结构技术达到了国际先进水平。

上海世博会中,日本馆(图20)无疑是最有意义的膜结构,它采用轻钢框架支承的双层ETFE气枕 ,高约24m,建筑面积约6000m?。在国际上首次在ETFE气枕中集成了非晶太阳能电池,其发电能力为20~30 kW。ETFE薄膜上涂有Ti02光催化涂层并附着柔性光伏太阳能薄膜。

图20 上海世博会日本馆

膜结构在我国的发展前景和趋势

膜材料领域

在1996~2005年的早期膜结构应用中,PVC膜材因为其相对低廉的价格和易于安装的特点占了绝对多数,唯一的例外是外方企业Birdair,Inc.设计和施工的上海八万人体育场。但是,早期PVC材料无论其自洁性能还是耐久性能均不尽人意,在应用10年左右后,大部分PVC膜结构均呈现较差的表现:膜面脏污、泛黄、破损等。相比较而言,上海八万人体育场膜面给人的感觉都是随使用期的延长约来越白、越来越整洁。所以,近十多年以来,业主和建筑师越来越青睐PTFE膜材。

近几年,国内企业已经成功研发和生产了PVC和PTFE膜材,随着国产材料的应用,进口膜材特别是PTFE膜材的价格也得到了有效的抑制。相信随着工程应用的增多和技术的积累和发展,我国国产膜材质量会很快赶上发达国家膜材。

自北京2008奥林匹克运动会游泳馆“水立方”采用ETFT气枕后,ETFT材料日益获得了建筑师的兴趣和关注。ETFE材料虽然非涂层织物类材料,但其具备与涂层织物膜材相类似的基本力学性能,其设计计算理论与方法与涂层织物类膜结构相同。近十多年来,ETFE气枕膜结构在我国有较多的应用,甚至在环境气温为-30℃的我国北方也有应用实例。

上海世博会日本馆采用的概念性新型太阳能膜材应该是膜材料未来的发展方向之一。

支承结构体系

膜材最重要的特点是材质轻,这一特点决定了其最适宜采用轻型支承结构体系。但尽管如此,早期国内大型膜结构建筑中很多仍然采用了重型钢结构桁架体系。随着膜结构的普及应用,也客观上推动了我国索张拉结构体系的研究、发展和应用,这一点从表1中也可以明显地观察到。

移动屋盖多功能膜结构

移动屋盖能够满足建筑物多功能的要求,可以使建筑物按需要成为体育场、体育馆或展览馆等。轻质覆盖材料对于移动屋盖建筑物的节能和提高驱动效率十分关键和重要,所以对移动屋盖而言,膜材无疑是其首选覆盖材料。从这一角度出发,也可以认为:正是因为膜材料的应用,促进了移动屋盖建筑在我国的应用和发展。显然,随着膜材料技术的进一步发展和推广应用,多功能移动屋盖类建筑在我国还有较大的发展和应用前景。

气承和充气膜结构

膜材料的独特特点是其可以由空气来支承。近年来,集成了充气和气压控制系统的充气和气承膜结构在我国的应用和发展十分迅速,其建造和运维成本均比较低廉,我国每年都要建成十余座跨度或长度在200m左右的气承式膜结构,应用领域覆盖了教育、体育、环保、发电(堆煤)等众多领域,一些专业承担气承式膜结构设计制作安装的企业也迅速崛起。可以预期,气承式膜结构在我国的发展还有很大的空间和极好的前景。

膜结构的研究、检测和监测、修复和更换

我国膜结构的研究始于20世纪90年代后期,过去20多年,膜结构的研究从无到有,研究队伍发展十分迅速,每年均有大量膜结构方面的论文面世。至今,我国已经颁布实施了一系列的国家团体和地方膜结构标准,很多高校、研究单位研发了成套的膜结构试验、检测和监测装置和设备,在我国广为使用的两套膜结构专业设计App分别由上海交通大学和同济大学研发并维护。整体上,我国膜结构的研究已经赶上了国际先进水平。近年来,膜结构领域尚需深入研究的问题和热点主要有两个:膜材料(PVC、PTFE、ETFE等)的力学性能和模型(强度、弹性模量、时变、老化等);膜结构的风致振动机理和风荷载效应设计计算方法。前者主要依靠实验室的模型研究,后者主要依靠膜结构现场监测工作。目前,国内已有多个大型膜结构工程安装了健康监测系统。

早期采用PVC的大型膜结构体育场近几年不同程度地出现了局部损坏等现象,如青岛颐中体育场、安徽芜湖体育场等;采用PTFE的上海世博会世博轴也因频繁变更用途、进行改造,膜面也出现了较多的局部破损;也有像虹口足球场遭遇局部火灾、上海八万人体育场因冰灾导致的膜面局部破坏事故等。在发展了二十多年后,膜结构的检测、修复和更换问题已经日益重要,需要引起膜结构领域的研究者和从业者更多的关注和重视。

结语及思考

在过去二十多年里,建筑膜结构在我国的应用取得了爆发性增长,包含膜结构的材料、设计、制作、安装、检测监测等在内的全产业链也已发展形成。目前,我国已有数百家膜结构专业生产企业,每年会建成大量的膜结构建筑。膜结构的国产材料也从无到有,某些PVC和PTFE材料的技术水准已经接近国外材料,但这一领域相对而言仍然是我国膜结构行业的短板。与膜结构发展相伴的是我国索支承结构工程应用的迅速发展,索穹顶、轮辐式索桁架、单层索网结构已经得到了非常广泛的应用。多功能移动屋盖结构也伴随着膜结构的发展取得了较多应用。

膜结构在台风下的损毁也时常发生,许多研究者均在进行膜结构的风致振动研究,包括CFD数值模拟方法、风洞试验、现场监测等的工作均在开展,这一领域的研究任重道远,要取得能够实用的确保膜结构台风下安全的设计方法尚需许多研究者的努力。

原文刊登于《建筑结构》2019年第19期,题为《膜结构在我国的应用回顾和未来发展》,编辑:张其林,单位:同济大学土木工程学院教授。敬请查阅!

本文为“建筑结构杂志社”头条号原创文章,欢迎分享转发;未经编辑及本刊授权,请勿官方转载。

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