膜结构是一种代表当今建筑技术和材料科学发展水平的新型结构,是现代空间结构体系的一个重要分支。膜结构外观造型新颖,满足现代人的审美观念,成为现代建筑结构的新风格。同时膜结构具有充分利用阳光、空气以及与自然融合的特性,尤其近年随着空气质量日益恶化及人们健康观念的提升,可隔绝雾霾等污染、智能净化空气的充气膜结构符合目前提倡的“可持续发展”重大战略,也为高科技生态建筑的发展提供了广阔的空间,因此受到世界各地绿色建筑倡导者们的青睐。膜结构在世界范围内迅猛发展,主要应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨建筑中。
1 充气膜结构的概述
充气膜结构的分类与特点现代膜结构一般可分为充气膜、张拉膜、骨架式膜及索穹顶膜结构等结构体系,其中充气膜结构是膜结构最初发展过程中的主要形式。充气膜结构利用帆船原理,由膜内的空气压力支撑膜面,具有稳定的形状和一定的刚度,同时可以抵抗外力的作用。根据力学性质,可分为气承式和气囊式膜结构。
气承式膜结构是固定膜面周围边缘,对膜建筑内加压使膜面鼓起至设计空间曲面,保持内外压差使膜面受压以确保刚度,从而维持形态并抵抗荷载。
气囊式膜结构则是充气于特定形状的气囊内,使之成为具有一定刚度的结构或构件,并由此来承受荷载。
充气膜结构建筑不仅可以满足传统建筑的功能要求,还具有跨度大、造型奇特和自洁性强等特点。同时,膜结构建筑造价合理,其造价仅为传统建筑造价的一半左右。同时,与传统建筑结构相比,其施工周期可缩短一半,且施工期内其他工程的施工不受影响。
膜材料概述国内外目前应用的建筑膜材料主要包括涂层织物类膜材和热塑化合物类膜材两大类。
织物类膜材是膜结构工程中应用最广泛的膜材,在纺织学里也称为涂层织物,其由基布纤维、涂层、面层等构成(图1)。早期基布的原料通常采用棉、麻等天然纤维,而新型的涂层织物材料则采用涤纶和玻璃纤维,通过机织、针织等编织方式加工成基材,基质则采用聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)、天然橡胶等材料[8],最后通过涂层、压延等加工方式制得。内部织物决定了膜材的主要力学性能[9],涂层和面层具有粘结增强和传递应力的作用,同时决定膜材的物理特性。
2  充气膜结构的发展
国外充气膜结构的发展20世纪初现代充气膜结构逐渐开始发展。1917年,英国人W.Lanchester申请了通过鼓风机吹气支撑膜材而建立野外医院的专利,但由于当时技术和设备的限制并没有实现。1970年日本万国博览会上,膜结构被系统地推向世界。博览会上椭圆形的美国馆(见图2a)采用PVC涂层的玻璃纤维织物,无柱大厅的屋面由32根沿对角线交叉布置的钢索和膜材所覆盖,它是世界上第一个大跨度低轮廓的气承式膜结构。另一个具有代表性的建筑是富士馆(见图2b),该馆是香肠充气型气肋式膜结构,它也是迄今为止建成的最大的气肋式充气膜结构。