膜結(jié)構(gòu)支承體系的分類及特性
膜曲面單元的邊界通過(guò)點(diǎn)或線連接于膜結(jié)構(gòu)的支承體上,形成一套完整的膜結(jié)構(gòu)體系。膜結(jié)構(gòu)的支承體可以獨(dú)立構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系,膜曲面單元僅為圍護(hù)體,這類膜結(jié)構(gòu)稱為骨架式膜結(jié)構(gòu)體系;膜結(jié)構(gòu)支承體也可與膜曲面單元共同形成穩(wěn)定的受力結(jié)構(gòu)體系,膜曲面形成不可缺少的受力單元,這類膜結(jié)構(gòu)稱為張拉式膜結(jié)構(gòu)體系;兩個(gè)具有正高斯曲面性質(zhì)的碗形膜曲面可成對(duì)封閉并由充斥其內(nèi)的空氣壓力所支承,這類膜結(jié)構(gòu)稱為氣枕式膜結(jié)構(gòu)體系。
(1) 張拉式膜結(jié)構(gòu)
張拉式膜結(jié)構(gòu)中,膜結(jié)構(gòu)的曲面單元與其支承體共同構(gòu)成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)受力體系。張拉式膜結(jié)構(gòu)的支承體一般為脊、谷、邊、斜拉索、撐桿、飛柱等,并不能獨(dú)自構(gòu)成穩(wěn)定的受力體系,膜曲面單元的破損或缺失將導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的饋塌。在張拉結(jié)構(gòu)中,膜面必須充分張緊才能承擔(dān)其結(jié)構(gòu)單元的功能。因?yàn)槌浞謴埦o,膜面高度光滑和光潔,令室內(nèi)具有良好的透光效果;因?yàn)槟っ娉洚?dāng)了結(jié)構(gòu)受力單元,支承體并非完整的結(jié)構(gòu)體系,因此支承體構(gòu)件較少,結(jié)構(gòu)體系極其簡(jiǎn)潔。不過(guò)張拉式膜結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮諸多外力影響因素,否則將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系的安全度不高,一旦膜面因強(qiáng)臺(tái)風(fēng)或其他原因破損,將導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的失效。2010年上海世博會(huì)中世博軸采用了張拉式膜結(jié)構(gòu)體系。
(2)骨架式膜結(jié)構(gòu)
骨架式膜結(jié)構(gòu)中,膜曲面單元通常只起到圍護(hù)作用,膜面的支承體系是獨(dú)立且穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)承重體系。膜曲面單元可以是馬鞍形或傘形的。這類膜結(jié)構(gòu)體系的****優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)體系的安全度高,因?yàn)槟で鎲卧膿p壞或缺失不會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的安全性。但這類膜結(jié)構(gòu)體系中支撐構(gòu)件較多,很大程度上影響了其室內(nèi)建筑觀感和透光性,無(wú)法體現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)輕盈飄逸的特點(diǎn)。第七屆全國(guó)花舟博覽會(huì)北京主場(chǎng)館就采用了骨架式膜結(jié)構(gòu)體系。
(3)氣承式膜結(jié)構(gòu)
氣承式膜結(jié)構(gòu)中,建筑物的整個(gè)屋面形似一個(gè)倒扣的碗面,由充斥于建筑物內(nèi)的空氣壓力支承。由于膜材料極輕的自重,這類膜結(jié)構(gòu)所需空氣壓力也很小,因此氣承式膜結(jié)構(gòu)是一種極為輕型高效的結(jié)構(gòu)體系。但是,采用氣承式膜結(jié)構(gòu)體系的建筑物,必須設(shè)置鼓風(fēng)裝置,不間斷的充氣以補(bǔ)充氣壓,一旦斷電后,整個(gè)屋頂膜曲面將逐漸塌落。建筑層高較低的氣承式膜結(jié)構(gòu)建筑內(nèi),必須充分考慮到這種情況,通過(guò)設(shè)置支架防止膜屋面塌落導(dǎo)致室內(nèi)人員窒息的情況發(fā)生。著名的東京穹頂就釆用了氣承式膜結(jié)構(gòu)體系。
(4)氣枕式膜結(jié)構(gòu)
氣枕式膜結(jié)構(gòu)的膜面單元類似充氣枕頭,依靠填充于封閉膜單元內(nèi)的氣壓支承膜單元的曲面形狀。氣枕式膜結(jié)構(gòu)一般釆用ETFE透明膜材料,夜晚氣枕內(nèi)側(cè)配以燈光可達(dá)成弦彩的建筑效果。與氣承式膜結(jié)構(gòu)類似,氣枕內(nèi)的空氣氣壓必須恒定以維持氣枕形狀。所以,一般需設(shè)置氣枕氣壓的監(jiān)控和自動(dòng)充氣裝置。ETFE膜材具有較明顯的蠕變特征,相比于氣承式膜結(jié)構(gòu),自動(dòng)充氣對(duì)于氣枕式膜結(jié)構(gòu)更為重要。德國(guó)安聯(lián)體育場(chǎng)的外圍護(hù)體就采用了氣枕式膜結(jié)構(gòu)體系。
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