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leyu乐鱼全站app|修建结构丨一文读懂中国膜结构的生长史,值得收藏!

本文摘要:本文概览已往20年来膜结构在我国的生长历史膜结构在差别种别修建物中的工程应用(商业和办公修建、文化和展览修建、机场和车站修建、体育场馆等)各种修建中的典型膜结构工程实例膜结构在我国的生长前景你相识膜结构吗?膜结构在外洋的最早设想和专利是1917年英国Willian Lanchester应用于野战医院的充气帐篷,但直到1946年美国Walter Bird才首次制作了直径15m的充气穹顶。

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本文概览已往20年来膜结构在我国的生长历史膜结构在差别种别修建物中的工程应用(商业和办公修建、文化和展览修建、机场和车站修建、体育场馆等)各种修建中的典型膜结构工程实例膜结构在我国的生长前景你相识膜结构吗?膜结构在外洋的最早设想和专利是1917年英国Willian Lanchester应用于野战医院的充气帐篷,但直到1946年美国Walter Bird才首次制作了直径15m的充气穹顶。1967年德国F.Otto设计的蒙特利尔展览会西德馆索膜支承膜片结构开启了现代膜结构技术的应用和生长,在此之后,膜结构开始在西方蓬勃国家开始获得较为广泛的应用。

膜结构在我国的应用始于1996年前后。在此之前,只有少少量接纳织物质料的由熟练工人或裁剪师傅制作和安装的小品膜结构修建。1996年,上海陆家嘴中央绿地公园建成了一个膜结构小品(图1,图名括号中为制作时间),这一小品泛起在许多宣传浦东开放的印刷宣传品上,自此膜结构这一接纳特殊织物质料的修建类型才引起民众和修建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小品 (1996年)1996年起,膜结构在我国逐渐开始应用于大型体育场馆修建,1996~1999年间建成的较有影响的大型膜结构修建有上海八万人体育场(图2)、青岛颐中体育场(图3)、杭州游泳馆(图4)等。图2 上海八万人体育场 (1996年)图3 青岛颐中体育场 (1998年)图4 杭州游泳馆 (1999年)2000年后,膜结构在我国各种体育、展览、文化等修建中开始获得很是迅速的生长和应用,这一生长势头一直连续至今。

现在,险些所有的修建师和工程师对膜质料的类型、性能和膜结构的特点都有了较深入的相识。已往二十年中,生长出了数百家膜结构专业制作和安装企业;近十年来,膜结构质料生产企业也异军突起、发展迅速;地方和团体膜结构技术尺度也已陆续颁布实施;海内自主研发的膜结构设计专业软件也日渐成熟,获得了广泛应用。

膜结构修建在我国的工程应用小品和功效性膜结构修建小品膜结构和功效性膜结构修建险些遍布大江南北,陌头或公园雕塑、遮雨棚、露天车库棚、门廊、收费站、加油站等膜结构随处可见,图5为一些这类修建的图片。图5 小品和功效性膜结构修建北京首都国际机场T3航站楼收费站的膜结构修建(图6)建于2007~2008年,修建面积3500m2,接纳ETFE和PTFE膜材交织部署,展开面积3385m2。支承结构体系类似于悬索桥,两头由两个梭形桅杆作为桥塔,跨度166m。

前后为边环索,每根桅杆顶部交织下拉7根吊索与前后边索相连,膜顶中间设置谷索,谷索与边环索之间由联系索联络,每根桅杆顶部有两根下拉索与外侧的锚座节点相连保持平衡。图6 北京首都国际机场T3航站楼收费站的膜结构商业和办公用膜结构修建膜质料在我国商业和办公修建中的应用始于1999年。

表1列出了展开面积凌驾1000m2的若干典型商业和办公用膜结构。若干典型商业和办公用膜结构修建 表1注:表中T为张拉结构;F为刚性支承结构;H为混淆结构。

图7为2012年建成的天津金地紫乐商业广场屋盖。膜结构支承结构为单层网壳体结构,网壳纵横向均由工字形钢焊接而成,网壳平面呈不规则多边长方形,长向约110m,短向约60m,整个网壳由5根Y形支撑钢柱与7根钢柱支撑于二层或三层屋面上。

网壳上面沿短向用φ60钢管或12mm厚钢板焊成支撑膜或毗连膜用的二次钢结构,膜面直接笼罩在二次钢结构杆件上,以网壳结构体作为膜结构支承体系,膜通过二次钢结构毗连于主体钢结构上,为典型网架骨架式索膜结构体系。整个膜面有7个结构单元,各个单元单独受力、自成体系。图7 天津金地紫乐商业广场屋盖膜结构文化展览用膜结构修建文化和展览修建是膜结构的一个重要应用领域。表2列出了若干较大面积的这类膜结构应用实例。

若干较大面积的文化展览用膜结构修建 表2图8为2001~2002年建设完成的位于郑州市中心城区的郑州杂技馆,是海内第一个膜结构修建形式的杂技馆。其主体修建面积3525m2,膜体投影面积3125m2,主体用钢量120t。平面呈近似圆形,圆半径为33m,在膜顶90m2规模内,造型出五峰突兀。膜结构为全笼罩全关闭形式,设有组织排水、隐蔽排水结构。

膜体支承体系为全格构式相贯线焊接柱、梁组成,共有11根柱,11根纵向梁,在11根纵向梁上部增设膜脊梁顶升结构(当膜体后期松弛时,可满足二次张拉),由2圈环梁、1个顶部平台、膜体张拉系统组成,同时设置相应的事情通道、吊挂系统。工程接纳PVC膜材,膜屋面展开面积3660m2,全部在工厂加工成一个整膜体,到现场整体吊装。图8 郑州杂技馆膜结构图9为2001~2003年建设完成的南宁国际集会会展中心,修建面积11万m2。

膜结构支承体系为净高48m的钢结构穹顶,上部外径约为21m,内径约为13m;下部外径约为72m,内径约为54m。接纳PTFE膜材,外膜展开面积约9650m2,内膜展开面积约3900m2。该项目是中国自行制作的第一个PTFE膜项目。

图9 南宁国际集会会展中心膜结构机场和车站膜结构修建机场和车站中也有一些膜结构修建的应用。表3列出了大部门这类膜结构工程实例。

部门机场和车站膜结构修建应用实例 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。膜结构制作起止时间为2010~2012年,修建面积22000m2,PTFE膜材展开面积为15043 m2。

主体膜结构部门南北长约120m,划分为36个脊谷式膜结构单元;工具偏向宽约54.5m,屋盖顶面、东立面及西立面均由钢索(脊索、谷索或外拉索)和刚性构件(脊梁或下拉杆)围成一系列的手风琴式褶皱,局部接纳双层膜材。图10 北京西二旗城铁站膜结构体育场膜结构在海内应用最为广泛的领域是体育场。

海内第一个建成的体育场结构是1996年的上海八万人体育场(图2),由境外企业制作安装。其后,膜结构在体育场修建中获得了很是广泛的应用。表4给出了海内建成的大部门膜结构体育场工程。

以下先容一些差别时期建成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]制作起止时间为1998~2000年,修建面积62630m2,PVC膜材展开面积42000 m2。结构支承体系由中心环索及60个锥状膜体组成脊谷式张拉整体式膜结构。平面呈椭圆形,长轴266m,短轴180m;钢结构外环极点标高42.5m,内环索标高约36.5m,蓬盖悬挑沿周边均约40m左右。

该项目是我国第一个自行设计施工的大型膜结构体育场。2013年,体育场屋面PVC整体举行了更换。图11青岛颐中体育场膜结构示意图国家体育场鸟巢膜结构图12所示的国家体育场鸟巢膜结构[11-12]制作起止时间为2006~2008年。修建面积25.8万m2。

屋盖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,声学吊顶膜。其中屋面围护膜结构接纳单层ETFE膜材,约42000 m2,声学吊顶膜接纳单层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)制作起止时间为2012~2013年,修建面积60570m2,PTFE膜材展开面积26000m2。体育场接纳椭圆形马鞍面部署,由X形内外柱、三角形环桁架组成的钢结构提供外围支撑,由内环索、148根交织形径向吊索、72根径向脊索、72根径向谷索、膜边索和PTFE膜材组成整体张拉式索膜结构屋面;篷盖出挑距离工具看台最大42m、南北看台最大30m。环索为倾斜的马鞍形。图13 盘锦体育中心体育场体育馆表5列出了海内建成的若干体育馆膜结构工程实例,并详细先容部门差别时期的膜结构体育馆工程实例。

部门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)制作起止时间为2002~2003年,修建面积2000 m2,PVC膜材展开面积2750 m2。闸北网球馆由网球场索膜结构和隶属的框架组成,网球场平面尺寸38m×38m,隶属框架长38m、宽7m(双层),网球馆支承结构为空间钢管桁架,屋面和两侧墙部门接纳膜作为围护质料,其余部门为金属墙面。

图14 上海闸北网球馆膜结构佛山世纪莲体育中心游泳馆佛山世纪莲体育中心游泳馆[13](图15)的膜结构制作起止时间为2005~2006年,修建面积31520m2,PVC膜材展开面积45000m2。游泳馆屋面投影面积约15000m2,呈类筒壳形,长210m,宽88.8m,钢拱矢高13.08m。钢拱交织部署。

应修建效果要求,钢拱外露,拱之间笼罩PVC膜片,膜面由谷索下压形成凹凸有致的折板形状。由于佛山地处华南,夏季气温很高,为减小能耗接纳了双层PVC膜,两层膜之间气囊厚度400~600mm。为满足室内游泳角逐的音响效果,在双层PVC下还设置了一层PTFE吸音膜,故整个膜屋面一共有3层膜。

图15 佛山世纪莲体育中心游泳馆鄂尔多斯伊金霍洛旗体育中心体育馆(图13)膜结构制作起止时间为2010~2012年,修建面积37000 m2,PTFE+PVC膜材展开面积8150 m2。屋面支承结构体系为索穹顶,平面投影为圆形,直径71.2m,接纳Geiger型索穹顶。

外环为钢结构周边钢桁架,放射状的脊索从中心钢环拉向周边桁架的高点,将穹顶划分为20个单元。在每两道脊索中间设置一道谷索,谷索靠近环梁处增设两道分叉索。从而将膜单元分开成两个区域:由脊索、谷索、分叉索、内环组成的梯形区域,接纳PTFE外膜;由分叉索,后谷索、环梁组成外三角区域,接纳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效膜结构修建南通体育场是海内首个接纳移动屋面的多功效膜结构修建。自此之后,多功效移动屋面膜结构修建逐渐获得了较多的应用。

表6列出了已经建成的若干这类膜修建,并详细先容两个典型的移动屋面膜结构修建。多功效移动屋面膜结构修建工程实例 表6上海旗忠森林体育城网球中心膜结构工程上海旗忠森林体育城网球中心(简称旗忠网球中心,图17)的膜结构制作时间为2005年。屋盖投影面积约1.6万m2。

网球场屋顶钢结构由两部门组成:下部是W形大直径钢管焊接而成的桁架结构形式的环梁,环梁总共有3道,每道环梁使用的主管直径为φ914,重约2000t;上部由8片花瓣状的屋盖组成,每片为呈网状形的空间桁架结构,重约200t,8片屋盖可由驱动装置同时开启和关闭,开启一次约莫需要7min 30s。屋盖外屋面为金属屋面,内部部门接纳内膜笼罩。内外膜膜材均为PEFE质料。

凭据钢管所划分成的网状结构,内膜每个花瓣划分为69块,形状面积均差别。整个屋盖共计552块膜。图17 旗忠网球中心绍兴县体育中心体育场移动膜结构屋面绍兴县体育中心体育场(图18)的膜结构制作起止时间为2011~2013年。修建面积为77640 m2。

体育场开合屋盖由两个单元块组成,开启面积12350 m2,为海内现在开合面积最大的运动屋盖。钢结构主要包罗牢固屋盖、运动屋盖和膜结构钢骨架,体育场牢固屋盖投影靠近椭圆形,长轴偏向长度为267m,短轴偏向长度为206m,屋盖外边缘为四心圆。运动屋盖接纳平面桁架结构,沿跨度偏向共设置14道主桁架。

除牢固屋盖、运动屋盖接纳PTFE膜材外,围绕墙面设置的外装饰菱形框架也接纳了PTFE膜材包裹,PTFE膜材展开面积为10万m2。图18 绍兴体育中心体育场移动膜结构屋面充气和气承式膜结构1985年上海建成了最早的一个充气膜结构,1995年北京建成两个充气膜结构。

但这几个膜结构尺度较小,接纳的膜材也不是具有较好耐久性能和力学性能的现代涂层复合膜质料,所以短期运行后,屋面膜材都被拆除或被其他质料替换了。表7列出了2007~2013年海内较早建成的一些充气和气承式膜结构工程实例。海内较早建成的充气和气承式膜结构实例 表7北京航空航天大学充气囊体运动式试验支持系统工程(简称北航实验室)是较具代表性的气承式膜结构(图19),膜结构制作时间为2010年,位于河北省秦皇岛市昌黎渔岛,北临著名旅游景点“世界滑沙中心”,是专为生长中国航空事业而修建的超大型航行试验基地。

修建面积3300 m2,接纳国产PVC膜材,膜材展开面积(包罗气囊)为28000 m2。结构体系由两大部门组成: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,内压高到达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,二者相互作用配合受外部荷载作用。图19 北航充气囊体运动式试验支持系统工程会展中心膜结构海内主办的各种国际会展运动中,许多修建物均接纳了膜结构(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观点设计是德国SBA 事务所,其膜结构设计、检考试收严格遵循国家和地方膜结构尺度。

针对这一工程,同济大学举行了包罗结构体系、质料、节点、毗连件等系列的理论和试验研究,确保了工程的顺利建设和宁静运行。这一项目的乐成建成标志了中国膜结构技术到达了国际先进水平。上海世博会中,日本馆(图20)无疑是最有意义的膜结构,它接纳轻钢框架支承的双层ETFE气枕 ,高约24m,修建面积约6000m²。

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生长前景和趋势膜质料领域在1996~2005年的早期膜结构应用中,PVC膜材因为其相对低廉的价钱和易于安装的特点占了绝对多数,唯一的破例是外方公司Birdair,Inc.设计和施工的上海八万人体育场。可是,早期PVC质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,大部门PVC膜结构均出现较差的体现:膜面脏污、泛黄、破损等。

相比力而言,上海八万人体育场膜面给人的感受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,业主和修建师越来越青睐PTFE膜材。近几年,海内企业已经乐成研发和生产了PVC和PTFE膜材,随着国产质料的应用,入口膜材特别是PTFE膜材的价钱也获得了有效的抑制。相信随着工程应用的增多和技术的积累和生长,我国国产膜材质量会很快遇上蓬勃国家膜材。

自北京2008奥运会游泳馆“水立方”接纳ETFT气枕后,ETFT质料日益获得了修建师的兴趣和关注。ETFE质料虽然非涂层织物类质料,但其具备与涂层织物膜材相类似的基本力学性能,其设计盘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,甚至在情况气温为-30℃的我国北方也有应用实例。

上海世博会日本馆接纳的观点性新型太阳能膜材应该是膜质料未来的生长偏向之一。支承结构体系膜材最重要的特点是材质轻,这一特点决议了其最适宜接纳轻型支承结构体系。但只管如此,早期海内大型膜结构修建中许多仍然接纳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、生长和应用,这一点从表1中也可以显着地视察到。

移动屋盖多功效膜结构移动屋盖能够满足修建物多功效的要求,可以使修建物按需要成为体育场、体育馆或展览馆等。轻质笼罩质料对于移动屋盖修建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,膜材无疑是其首选笼罩质料。

从这一角度出发,也可以认为:正是因为膜质料的应用,促进了移动屋盖修建在我国的应用和生长。显然,随着膜质料技术的进一步生长和推广应用,多功效移动屋盖类修建在我国另有较大的生长和应用前景。气承和充气膜结构膜质料的奇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生长十分迅速,其制作和运维成本均比力低廉,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,应用领域笼罩了教育、体育、环保、发电(堆煤)等众多领域,一些专业负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生长另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年月后期,已往20多年,膜结构的研究从无到有,研究队伍生长十分迅速,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尺度,许多高校、研究单元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软件划分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遇上了国际先进水平。

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:膜质料(PVC、PTFE、ETFE等)的力学性能和模型(强度、弹性模量、时变、老化等);膜结构的风致振念头理和风荷载效应设计盘算方法。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事情。

现在,海内已有多个大型膜结构工程安装了康健监测系统。早期接纳PVC的大型膜结构体育场近几年差别水平地泛起了局部损坏等现象,如青岛颐中体育场、安徽芜湖体育场等;接纳PTFE的上海世博会世博轴也因频繁变换用途、举行革新,膜面也泛起了较多的局部破损;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。在生长了二十多年后,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。结语及思考在已往二十多年里,修建膜结构在我国的应用取得了发作性增长,包罗膜结构的质料、设计、制作、安装、检测监测等在内的全工业链也已生长形成。

现在,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修建。膜结构的国产质料也从无到有,某些PVC和PTFE质料的技术水准已经靠近外洋质料,但这一领域相对而言仍然是我国膜结构行业的短板。与膜结构生长相伴的是我国索支承结构工程应用的迅速生长,索穹顶、轮辐式索桁架、单层索网结构已经获得了很是广泛的应用。

多功效移动屋盖结构也陪同着膜结构的生长取得了较多应用。膜结构在台风下的损毁也时常发生,许多研究者均在举行膜结构的风致振动研究,包罗CFD数值模拟方法、风洞试验、现场监测等的事情均在开展,这一领域的研究任重道远,要取得能够实用简直保膜结构台风下宁静的设计方法尚需许多研究者的努力。

原文刊登于《修建结构》2019年第19期,题为《膜结构在我国的应用回首和未来生长》,作者:张其林,单元:同济大学土木匠程学院教授。敬请查阅!本文为“修建结构杂志社”头条号原创文章,接待分享转发;未经作者及本刊授权,请勿官方转载。============================《修建结构》杂志是海内结构设计专业影响力最大的杂志,创刊于1971年,隶属于中国修建设计研究院,历届焦点期刊评比中均压倒一切。

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