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张拉膜结构工程建筑形式

  2022-12-23 阅读:590

膜结构建筑作为新的建筑形式于本世纪五十年代在国际上开始出现,至今已有四十多年的历史,特别是到了七十年代以后,膜结构的应用得到了迅速发展。膜结构的出现为建筑师们提供了超出传统建筑模式以外的新选择。

膜结构一改传统建筑材料而使用膜材,其重量只是传统建筑的三十分之一。而且膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度(无支撑)建筑上实现时所遇到的困难,可创造巨大的无遮挡的可视空间。其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于施工、使用安全等优点,因而使它在世界各地受到广泛应用。另外值得一提的是这种结构形式特别适用于大型体育场馆、入口廊道、小品、公众休闲娱乐广场、展览会场、购物中心等领域。

景观膜结构建筑

景观膜结构建筑

张拉膜结构(Tesioned Membrane Structure) ,是依靠膜自身的张 拉应力与支撑杆和拉索共同构成机构体系。在阳光的照射下,由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光,无强反差的着光面与阴影的区分,室内的空间视觉环境开阔和谐。夜晚,建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空,建筑物的体型显现出梦幻般的效果。张拉膜结构特别适合用来建造城市标志性建筑的屋顶,如体育与娱乐性场馆,需有广告效应的商场、餐厅等。城市的交通枢纽是城市命脉的关键性建筑,使用功能要求建筑物各组成单元的标志明确。因而近来年,这类建筑越来越多采用膜结构。建筑膜材料的使用寿命为 25 年以上。在使用期间,在雪或风荷载作用下均能保持材料的力学形态稳定不变。建成于 1973 年的美国加州 La Verne 大学的学生活动中心是已有 23 年历史的张拉膜结构建筑.跟踪测试与材料的加载与加速气候变化的试验,证明它的膜材料的力学性能与化学稳定性指标下降了 20 %至 30 %,但仍可正常使用。膜的表层光滑,具有弹性,大气中的灰尘、化学物质的微粒极难附着与渗透,经雨水的冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层与透光性。

结构编辑

张拉整体结构( Tensegrity )是由一组连续的拉杆和连续的或不连续的压杆组合而成的自应力、自支撑的网状杆系结构,其中“不连续的压杆”的含义是压杆的端部互不接触,即一个节点上只连接一个压杆。 Tensegrity 是美国建筑师 R.B.Fuller 首先提出的一种结构思想,他认为宇宙的运行就是按照张拉整体的原理进行的,即万有引力是一个平衡的张力网,各个星球是这个网中的一个个 孤立点。这种结构体系中的索网就相当于宇宙中的万有引力,独立的受压杆件 相当于宇宙中的星球

20 世纪 60 年代随着现代柔性建筑材料的发展,建筑师们从帐篷着一最古老的简单建筑结构出发,构造出了魔幻般的形式——膜结构。它可以构成单曲面,多曲面等不同建筑结构形式,满足了建筑师们对建筑与美学高度统一的要求。

柔性材料具有透光和防紫外线功能,在一些室外建筑和环境小品中得到广泛的应用。正是由于这一特征,夜间的灯光设计使膜结构具有鲜明的环境标志特征。

优美造型的膜材,不锈钢配件和紧固件加上设计轻巧合理,表面处理严格的钢结构支撑,塑造出形式美观,设计合理的膜结构,在当今世界范围内的建筑环境设计中占有举足轻重的地位。

场馆看台及娱乐空间

近年来,随着建筑空间观念的日益深化以及科学手段的不断提高,“回归自然”、“沐浴自然之温馨”已是现代建筑环境学发展的主流。室内外的视线越来越模糊,出现了许多亦内亦外、相互渗透的不定空间,如:大厅装饰、天井、四季厅、动植物园、公园广场、观景台、舞台、体育场馆、体育看台、文化娱乐场所等。由于膜材的光透性,白天阳光可以透过膜材形成慢射光,使膜覆盖空间内达到和室外几乎一样的自然效果,因此膜结构能创造出与自然环境相媲美的空间形式。

标志性小品

一个城市的中心区反映一个城市的地理风貌和民族风情,同时,也是一个城市文化发展程度的标志。而景观设计要求其具有广泛的可读性、雅俗共赏,既有超凡脱俗的艺术价值,又能使大众喜闻乐见与大众息息相通。膜结构以其轻盈飘逸的造型、柔美并带有力量的曲线和大跨度和大空间的鲜明个性和标识性,应用于城市小品设计中。

绿色漫步道

近年来,在人口密集的大城市,在居住区周边配置绿色空间并有人行步道。居民可以在不受车辆的影响下,在居住区附近的街心地带轻松愉快地散步、休憩,而感到十分惬意。在绿色空间中构造一座膜小品或者走廊、亭台水榭、休憩遮阳伞等,不仅生动地美化了环境(如同广阔绿洲中的点点白帆),又有很强的功能性(人们可以在行走之暇小憩一会儿),而且增加了空间的参差感。

商业街

商业街在城市中占有相当大的比重。商业街的建筑与环境是城市文明的窗口,代表着物质文明和精神文明的水平,同时,也是景观环境的重要组成部分。膜结构轻巧别致极具现代化风格,且表现形式多样易于安装移动,在商业街设计中得以广泛应用。

建筑入口及膜建筑屋顶

建筑入口使城市公共空间与建筑空间相邻的界面,成为城市空间的组成部分。它是人们视觉最先接触的部分,因此,除了功能以外,还应有很强的标识性,并能体现建筑的个性,是建筑环境和城市景观的重要组成部分。由于膜结构自然的曲线美是其他结构类型无法比拟的,故成为近来建筑入口及屋顶经常采用的形式。

步行街

利用膜结构轻巧,别致的造型建造各种半封闭,全封闭的不行空间,使其形成全天候的建筑空间,提供防风雨,防日晒等人工环境,并有较好的广告标识效果,因此是步行街改造和新建的绝佳选择。

停车场

随着都市现代化步伐的加快 , 汽车成为任何一个都市不可缺少的交通工具。我国由于汽车工业高速发展,城市的汽车拥有量成倍上升,但城市建设规划没能尽快适应这一发展的要求,常常是车无停放之地。所以在建设群规划时就应充分考虑停车场的问题,把停车场的建设和规划当成现代城市建设规划的重要组成部分,变得越来越重要。同样,膜结构在停车场建设中也以其优美的造型和实在的功能担当重要角色。

高速公路收费站

在城市的入口处,设计拥有自己城市鲜明特色和文化韵味的建筑形式乃是每个城市发展的首选之作,而张拉膜以自己多变的特性,柔美的造型以及夜晚配合彩灯的照射所显示出特有的柔和的氛围更让过往着记忆深刻,同时极具现代感张拉膜又展现了一个城市的发展理念和思路。

特性

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膜结构建筑作为一种建筑体系所具有的特性主要取决于其独特的形态及膜材本身的性能。恰由于此,用膜结构可以创造出传统建筑体系无法实现的设计方案。

轻质

张力结构自重小的原因在于它依靠预应力形态而非材料来保持结构的稳定性。从而使其自重比传统建筑结构的小得多,但却具有良好的稳定性。建筑师可以利用其轻质大跨的特点设计和组织结构细部构件,将其轻盈和稳定的结构特性有机地统一起来。

透光性

透光性是现代膜结构最被广泛认可的特性之一。膜材的透光性可以为建筑提供所需的照度,这对于建筑节能十分重要。对于一些要求光照多且亮度高的商业建筑等尤为重要。通过自然采光与人工采光的综合利用,膜材透光性可为建筑设计提供更大的美学创作空间。夜晚,透光性将膜结构变成了光的雕塑。

膜材透光性是由它的基层纤维、涂层及其颜色所决定的。标准膜材的光谱透射比在10%~20%之间,有的膜材的光谱透射比可以达到40%,而有的膜材则是不透光的。膜材的透光性及对光色的选择可以通过涂层的颜色或是面层颜色来调节。

通过膜材和透光保温材料的适当组合,可以使含保温层的多层膜具有透光性。即使光谱透射只有几个百分点,膜屋面对于人眼来说依然是发亮和透光的,具有轻型屋面的观感。

柔性

张拉膜结构不是刚性的,其在风荷载或雪荷载的作用下会产生变形。膜结构通过变形来适应外荷载,在此过程中荷载作用方向上的膜面曲率半径会减小,直至能更有效抵抗该荷载。

张拉结构的灵活性使其可以产生很大的位移而不发生永久性变形。膜材的弹性性能和预应力水平决定了膜结构的变形和反应。适应自然的柔性特点可以激发人们的建筑设计灵感。

不同的膜材的柔性程序也不相同,有的膜材柔韧性极佳,不会因折叠而产生脆裂或是破损,这样的材料是有效实现可移动、可展开结构的基础和前提。

雕塑感

夜晚的灯光使膜结构建筑表现出强烈的雕塑感

夜晚的灯光使膜结构建筑表现出强烈的雕塑感

张拉膜结构的独特曲面外形使其具有强烈的雕塑感。膜面通过张力 达到自平衡。负高斯膜面高低起伏具有的平衡感使体型较大的结构看上去像摆脱了重力的束缚般轻盈地飘浮于天地之间。无论室内还是室外这种雕塑般的质感都令人激动。

张拉膜结构可使建筑师设计出各种张力自平衡、复杂且生动的空间形式。在一天内随着光线的变化,雕塑般的膜结构通过光与影而呈现出不同的形态。日出和日落时,低入射角度的光线将突现屋顶的曲率和浮雕效果,太阳位于远地点时,膜结构的流线型边界在地面上投入弯弯曲曲的影子。利用膜材的透光性和反射性,经过设计的人工灯光也可使膜结构成为光的雕塑。

安全性

按照现有的各国规范和指南设计的的轻型张拉膜结构具有足够的安全性。轻型结构在地震等水平荷载作用下能保持很好的稳定性。

由于轻型结构自重较轻,即使发生意外坍塌,其危险性也较传统建筑结构小。膜结构发生撕裂时,若结构布置能保证桅杆、梁等刚性支承构件不发生坍塌,其危险性会更小。

膜结构的柔性使其在任一荷载作用下均以最有利的形态承载。当然,结构的布置和形状要根据荷载情况来进行设计和调整。设计要确何膜面与其辅助结构协调工作,以避免力在膜面或辅助结构上集中而达结构破坏的临界值。

功能

由于张拉膜结构的自身特性,其可以满足从简单遮阳结构到功能复杂的大型建筑等许多不同的建筑功能要求,并且对于有些功能要求只有它才是最为适合的。

极具表现力的建筑形态

具有特定功能的建筑都可通过立意得以表达,张拉膜结构的独特外形体现了建筑自身的自然美感。

这些建筑形态本身和与其相协调的传统建筑一起构成了令人兴致盎然的地面标志性建筑。优秀的膜结构设计是结构与外形的有机融合,使其显得了类拔萃,同时与自然环境、历史及现代的城市景观有机结合。

轻型结构可以看成是大型的雕塑作品,可为其周边空间增添活力,成为周围环境的补充和焦点。

抵御天气的影响

膜屋面的一个重要作用就是抵御各种天气变化(如日晒、雨淋、风雪等)对其内部空间的影响,保持建筑物内部的舒适性。选择膜面的形态和材料时要考虑到所有可能的天气状况,并尽可能利用建筑本身等被动方法来减少能量的消耗。

多孔膜材可用作遮蔽结构。它可以控制光的透射和反射,使室内拥有散射光,并且促进自然通风,使屋面温度与周围环境的温度相同,并避免向下的热辐射。

为了抵挡风雪,膜面的外形应使排水通畅使捷,避免在其上形成水兜或雪的堆积。在施加预应力前的安装成形阶段,张拉膜结构对这些荷载十分敏感。为了能将雨水排除,膜材和接缝须密封防水,膜边缘也必须进行特殊的细部设计,以防止雨水进入室内。

可移动性和临时性

与其它结构相比的另一个突出优势是轻型结构对环境的影响具有可调和性。另外它还有两个重要的特性,即可移动性和灵活性。

结构可以在不同的地点反复拆建,这就是张拉膜结构的可移动。它将游牧式与定居式的建筑融为一体。膜材轻柔的特点使其方便运输,且易于迅速搭建,而闲置时占用空间很小。这种特性使膜结构十分适于用作临时性可移动建,特别是在发生突然灾难或遇到紧急情况而需要在短时间内为大量人员提供庇护所的时候。

另一方面,可移动薄膜结构除具有与永久建筑相媲美的舒适性外,它还引入了建筑行业的一个新概念,即将房屋的所有权与土地的所有权相分离。建筑不再是不可移动的,而是可移动的。这种可移动性和可重复使用的特点对加速现代城市的发展和建筑功能在某些特殊领域中的转变具有重要的意义。

可展性和自适应性

可展结构可以看作是一种人造的自适应体系,同许多自然有机体一样,可根据需要改变自身的形式。它们的空间布置和对天气变化的反应具有灵活性和自适应性。通过控制自然光和内部温充可达到主动节能的目的。可展结构即可开敞也可闭合,它的灵活性使其可以改变空间的属性。精心设计的可展屋盖的优雅滑动体现了人与自然的和谐。它被称作是一种创造,轻型与可展性的充分结合形成了“免施工房屋”的概念,这种结构任何需要的时间或地点均可实现。

膜结构建筑类型

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结构类

结构类膜结构的主要构成部件就是膜材料、钢结构和钢索,不同的膜材和钢索,其性能及价格各不相同。结构类造型可分为以下二类:

1. 骨架式膜结构:此类膜结构是固定在精致钢材、空间桁架或其他坚固的构架上,称之为骨架式膜结构。

2. 张力式膜结构:仅利用简单的支撑系统及膜素材自身的张力特性,构成此类膜结构。与传统结构不同,膜结构以柔性的薄膜和索为主要受力材料。要进行膜结构的工程设计,必须了解其材料。用于建筑工程的薄膜材料可以分为织物类膜材和非织物类膜材两大类。其中织物类膜材常用的有 PVDF 涂层覆盖聚酯纤维织物(以下简称PVC 膜材)以及PTFE 涂层覆盖玻璃纤维织物(以下简称PTFE膜材);非织物类膜材则以ETFE 薄膜最具代表性和竞争性。膜材的选择往往在很高程度上取决于建筑物的功能、防火要求、设计寿命和投资额。

充气类

充气类膜结构建筑学名为气承式膜结构建筑,它是用特殊的建筑膜材(PVDF膜材)做建筑外壳,配备一套智能化的机电设备在完全密闭的气膜建筑内部提供空气压力,使整体建筑内部始终保持对外部环境的正压,靠内外部压力差把建筑主体支撑起来的一种建筑结构系统,应用于工业厂房、物流仓库、体育娱乐和军事设施等领域,具有超大空间、建筑灵活性强、安装周期短、建筑成本及维护费用低、能耗低、环保、超强的耐用性和耐候性、自重轻等特点,使用年限能达到35年以上。

防火对策

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存在的火灾危险性

1.建筑材料的耐火等级问题

用于膜结构中的高强度柔韧性薄膜称为膜材,它是膜结构工程中最重要的组成部分,作用与钢筋、混凝土、轻质板材上是等同的,在膜结构建筑中既是起围护作用的建筑材料,又是张拉结构体系中的受力材料。《建筑设计防火规范》及《高层民用建筑防火设计规范》中对建筑物各构件的燃烧性能和耐火极限都有明确的规定。目前膜结构建筑中使用的膜材通常有两类,一类是以玻璃纤维织物为基材,涂覆聚四氟乙烯(PTFE)等树脂材料,燃烧性能可达到A 级;另一类是以尼龙织物为基材,涂覆PVC 及其他树脂材料,燃烧等级可以达到B1 级。

2.建筑空间跨度大,较难划分防火分区,火灾情况下易形成火灾蔓延

膜结构大多用于体育馆、剧院、展览建筑的观众厅、展览厅,其面积、长度可以根据需要确定,但如果用于商业、学校、食堂、菜市场等建筑,就要受规范的限制了,必须作防火分区,但这种建筑大多高度及跨度都很大,划分防火分区比较困难,因此,一旦发生火灾,各种垂直通道起拔火桶作用。当烟气到达膜面以下时,顶部气流水平运动,致使火灾横向扩大,容易形成大面积的火灾蔓延。

3.人员疏散困难

膜结构建筑因空间巨大,人员在膜空间内到达室外出口的距离长,因此疏散时间就长。烟雾向上和向水平方向快速蔓延,挡住了疏散人员的视线,增大了疏散难度。另外,大空间内人员多,疏散时容易发生滞留。

4.火灾探测不及时,普通自动灭火设施无法有效发挥作用,火灾扑救困难

膜结构建筑空间一般都比较高,跨度比较大,发生火灾后烟气蔓延时,探测器动作与在普通建筑内动作相比会慢一些,且我们通常使用的自动喷水灭火系统在这种建筑中布置比较困难,更不能有效发挥灭火作用。扑救膜建筑这种大空间建筑物火灾往往会遇到很多的困难。例如:热辐射强,烟雾浓,火势蔓延速度快、途径多。另外,面对新型的膜建筑,我们缺乏扑救这类大空间建筑物火灾的实战经验,这给消防灭火的登高作业、内攻侦察、火场供水等都带来不少困难。

防火对策

1.建筑构件的耐火等级

膜结构建筑的支撑一般为钢结构,国内对于钢结构的保护多采用涂防火涂料。国外类似建筑大多是不涂防火涂料的。还有一种更为稳妥的办法:就是在构造上作处理,使膜面紧贴在钢索下面,火灾中烟气首先面对的是膜面,这样钢索下面又多了一个保护层,使钢架不受任何高温作用。

瑞典国家测试院曾对PTFE 和PVC 两种膜材料进行同样条件的燃烧试验,对试验过程的温度、有毒气体成分、膜材烧穿情况进行了测试分析,结果表明虽然PTFE 膜材的耐火极限和燃烧性能比PVC 膜材高,但是PVC 膜材受热后很快形成开放洞口,有利于烟气和热量的排出,从而延缓钢结构的坍塌,而PTFE 膜材受热后只是接缝处裂开,最后沿接缝大块脱落,热量容易在顶部聚集,而且PTFE 膜材产生的CO2 和CO 至少是PVC 膜材的两倍,因此对于膜结构特别是封闭式膜结构建筑使用PVC 膜材好一些。

2.采取特殊的防火、防烟分隔措施

膜结构大多用于体育馆、剧院、展览建筑的观众厅、展览厅,其面积、长度可以根据需要确定,但如果用于商业、学校、食堂、菜市场等建筑,就要受规范的限制了,膜结构建筑相对于普通建筑,在主体大空间内无构造柱与梁,是一个连续完整的空间。膜空间和与之相连的部分之间必须设置有效的防火分隔设施,防止火势向膜空间以外的其它空间蔓延。用普通建筑中的防火墙和防火卷帘划分防火分区难以实现。我们可以采取一些特殊措施,例如可以采用“防火带”的方法划分防火分区,即在有可燃物品的建筑物中划分出一段区域,这个区域内的建筑构件及装修全部为非燃材料(且该区域内不存放可燃物)并采取有效的防烟措施,阻挡防火带一侧的烟火向另一侧蔓延,从而在空间上形成一个无形的防火分隔区域。对于防烟分区的划分,可以利用空间上方结构体系,挂上以耐火纤维为基材的轻质幕布,平时卷起,在火灾报警后自动放下,悬停于一定高度进行防烟分区,划分的面积在1000 平方米左右,代替了传统的挡烟垂壁,效果明显。

3.机械防排烟设施

对于封闭的膜结构建筑物,设置机械防排烟设施是至关重要的,烟气往往比火更可怕,在火灾中,烟气弥漫,能见度被降低,延误了疏散时间;大量高温有毒气体的存在,使人降低和逐渐丧失了逃生能力;高温烟气有着与火一样的对建筑结构破坏的作用。就膜建筑来说,其防火分区面积和疏散距离都已超标,所以对这类建筑的大空间进行有效的防排烟设计显得由为重要。第一步是控烟,通过一定的正压送风量将火灾烟气吹向一个固定的空间内,使烟气不会无规则扩散;第二步是蓄烟,利用建筑物自身的大空间条件设计“储烟仓”将烟气蓄积,形成距地面有一定高度的无烟层;第三是排烟。国外研究机构通过计算机模拟证明:如果一个烟控系统设计适当,可以防止烟在30~45min 内聚集在距地面3~4m处。这段时间对于人员疏散是极其宝贵的,同时也给灭火创造了有利条件。

4.运用新型的火灾探测系统

通常建筑中所广泛使用的火灾探测器大多数以烟气浓度和温度为信号进行探测的,且大多数为顶棚式安装。普通建筑的楼层高度多数在6m 以下,火灾烟气能很快到达顶棚,因此这类探测器是适用的。然而膜结构建筑空间很高,烟气在上升过程中不断受到冷却和稀释,在到达顶棚时浓度和温度都大大降低,不足以启动火灾探测器。另外,由于建筑物内部热风压影响,大空间上部常常会形成一定厚度的热空气层,它足以阻止火灾烟气上升到大空间顶棚,从而影响火灾探测器工作,所以普通型探测器是不适用于膜建筑的。运用新型的火灾报警技术如红外光束感烟探测器、空气采样及线型差温探测器运用于膜建筑,解决了膜空间早期报警的难题。

5.采用有效的自动灭火装置

设置空气加压移动式消防水炮。它可根据空气加压的大小确定射程,确保膜空间及其中部区域的安全。另外在大厅四壁适当位置上可考虑设置带架水枪,以便当展厅上半部的横幅、彩带、气球之类的可燃物着火后,可有效的组织扑救。


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