■ 王 凱 Wang Kai
ETFE膜建筑是一類新型的膜建筑結(jié)構(gòu)體系,其設(shè)計方法與普通膜結(jié)構(gòu)有著較大區(qū)別。以ETFE薄膜為代表的氟樹脂薄膜以其出色的透明性、耐候性和環(huán)境適應(yīng)能力等特性,于近幾年在國內(nèi)開始進行了工程應(yīng)用。但目前ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)工程的一些設(shè)計、制作、安裝方法僅掌握在少數(shù)幾家膜結(jié)構(gòu)工程公司手中,國內(nèi)外很少有公開發(fā)表的文獻。作為一種新型的建筑結(jié)構(gòu)形式,各個公司的ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)工程設(shè)計方法還并不成熟,需要通過實際工程以及各種試驗來加以完善。本文主要利用近幾年參與的ETFE實際工程設(shè)計,結(jié)合國內(nèi)外的一些資料,對常規(guī)ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)的一般設(shè)計方法進行研究,希望能給設(shè)計人員提供參考。
ETFE薄膜是由乙烯-四氟乙烯共聚物占95%以上的樹脂形成的薄膜,是透明建筑結(jié)構(gòu)中品質(zhì)優(yōu)越的替代材料。表1是ETFE樹脂的代表特性。
對于減少紫外線的透射率、防止結(jié)露、圖案設(shè)計(著色、黏貼圖案)、賦予遮光性能等不同要求,可以通過加入添加劑、涂刷表面改良劑和印刷等方法予以解決。表2列出了ETFE膜材的技術(shù)參數(shù)。
ETFE膜厚度通常在12~250μm之間。以旭硝子公司的產(chǎn)品為例,用于溫室的N型透明膜,厚度在12~200μm之間。而用于民用建筑的NJ型透明膜,厚度分為100μm、150μm、200μm和250 μm幾種。從目前技術(shù)工藝,最厚尺寸是300μm。
民用建筑常用的NJ的常規(guī)供貨寬度為1 600mm。膜材一般按70kg/卷或140kg/卷進行制作。200μm厚ETFE膜材,每卷供貨長度為125m或250m,但如果是250μm厚ETFE膜材,每卷供貨長度為100m或200m。
在氣枕式板塊中,通過加壓設(shè)備提供穩(wěn)定內(nèi)壓,用于控制外力產(chǎn)生的變形和防止兜水現(xiàn)象的發(fā)生。加壓設(shè)備主要由動力源、送風(fēng)機、通風(fēng)管道和壓力調(diào)整裝置構(gòu)成。根據(jù)運行、用途和規(guī)模,還需配備控制干癟現(xiàn)象發(fā)生的內(nèi)壓自動控制裝置或逆流防止閥、備用送風(fēng)機和備用動力源等設(shè)備。除了平常內(nèi)壓,在積雪時和暴風(fēng)時,在運行過程中應(yīng)調(diào)整其內(nèi)壓。因此除了壓力調(diào)整裝置以外,還需配備內(nèi)壓計、風(fēng)速計等檢測設(shè)備,以及配套空氣除濕設(shè)備和自動控制設(shè)備。圖1為ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本構(gòu)成。
表1 ETFE樹脂的代表特性
表2 ETFE膜材的技術(shù)性能
ETFE充氣膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與一般的玻璃纖維膜材及聚酯纖維膜材類似,ETFE充氣膜的設(shè)計過程也包括找形設(shè)計,荷載響應(yīng)分析,裁剪設(shè)計等幾個主要部分,不同的是多了一個充氣系統(tǒng)設(shè)計的部分。
ETFE氣枕形態(tài)為正高斯曲率雙曲面,是靠膜面內(nèi)外的氣體形成的壓力差成形、施加預(yù)張力和保持穩(wěn)定。膜面內(nèi)力與其曲率成比例,曲率半徑越大,內(nèi)力越大。膜結(jié)構(gòu)的找形設(shè)計方法目前主要是計算機模擬技術(shù),有力密度法、動力松弛法、小模量幾何非線性方法等??梢詮南嚓P(guān)文獻[1~4]中找到詳細的方法和過程,在此不再贅述。
ETFE氣枕的初始預(yù)張力一般取0.4~1kN/m,且不應(yīng)超過1kN/m,以避免初始預(yù)張力過大。內(nèi)壓一般取200~300Pa,跨距3m以內(nèi)的氣枕取低值,3m以上取高值。
在方案設(shè)計時,可以采用以下方法[5]進行快速確定預(yù)張力水平及其內(nèi)壓水平的關(guān)系和取值范圍。采用等張力設(shè)計時,假設(shè)氣枕式ETFE膜結(jié)構(gòu)在氣壓Pc作用下,薄膜單位長度所受的拉力為T,氣枕式膜結(jié)構(gòu)的邊界條件,周邊的Z=0。由彈性力學(xué)導(dǎo)得的薄膜微分方程可以推導(dǎo)出以下方程。
2.1.1 矩形平面(圖2)
2.1.2 等邊六邊形平面(圖3)
當x=y=0時,矢高Z=f0,則
2.1.5 等邊三角形平面(圖6)
ETFE膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載取值除了需要遵循《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求外,還應(yīng)根據(jù)建筑環(huán)境、造型、使用功能等仔細分析確定。
與一般的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計一樣,ETFE膜結(jié)構(gòu)設(shè)計實際為非統(tǒng)一可靠度設(shè)計方法。例如,對于常用的普通房屋和構(gòu)筑物的50年設(shè)計使用年限,主體鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)支撐體系、連接結(jié)構(gòu)體系均應(yīng)具有統(tǒng)一的可靠度,即按95%保證率確定50年設(shè)計使用年限內(nèi)的荷載設(shè)計值;而膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限是小于50年的,一般來說應(yīng)考慮25年的設(shè)計使用年限,到期需要更換膜材。但膜材荷載設(shè)計值應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)取值一致。
2.2.1 荷載類型與荷載組合
荷載包括風(fēng)荷載、雪荷載、預(yù)張力、自重、活荷載、施工荷載等,其中風(fēng)、雪荷載、預(yù)張力一般為膜結(jié)構(gòu)工程設(shè)計控制荷載。按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時,應(yīng)按表3所列的組合類別進行荷載效應(yīng)分析[6]。
2.2.2 ETFE材料參數(shù)及強度的確定
表3 荷載效應(yīng)的組合
通過具有ETFE薄膜的單軸拉伸試驗[8],得出的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可知,從張拉初期到材料斷裂,曲線都有兩個明顯的屈服點。圖7為ETFE膜材應(yīng)力應(yīng)變曲線圖,可取兩段切線的交點處的應(yīng)力作為容許應(yīng)力法設(shè)計時的拉伸屈服應(yīng)力。
對第一階直線,取應(yīng)變 (0.25%)和(1.25%)對應(yīng)曲線上的應(yīng)力 和 為代表值。第一階直線通過原點,可得直線方程:
對第二階直線,取應(yīng)變ε21(3.5%)和ε22(12%)對應(yīng)曲線上的應(yīng)力σ21和σ22為代表值。第一階直線通過原點,可得直線方程:
將以上2個直線方程,結(jié)合大量的試件單軸拉伸試驗結(jié)果[7~8],可以得到各試件拉伸屈服應(yīng)力σ,取其均值 作為一般結(jié)構(gòu)設(shè)計時的拉伸屈服應(yīng)力fy。
根據(jù)大量單軸拉伸試驗數(shù)據(jù),結(jié)合國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻[7~11],對容許應(yīng)力設(shè)計法和極限狀態(tài)設(shè)計法下的ETFE膜材彈性模量、剪切模量和泊松比的取值如表4。同樣的,對于ETFE薄膜的最大設(shè)計應(yīng)力,亦可通過試驗數(shù)據(jù)得到在不同的設(shè)計方法下的參數(shù)(圖8、表5)。
表4 ETFE薄膜的彈性模量、剪切模量和泊松比
表5 ETFE薄膜的設(shè)計應(yīng)力
2.3.1 充氣控制系統(tǒng)
由于一臺送風(fēng)機要控制多個氣枕,所以氣枕內(nèi)壓的控制只能是通過開啟或關(guān)閉充氣管道靠近送風(fēng)機排氣端的閥門來控制,而不是通過改變送風(fēng)量。氣枕的內(nèi)壓由3個參數(shù)決定,它們分別是常時的內(nèi)壓、強風(fēng)時內(nèi)壓和積雪時內(nèi)壓。由于氣枕式有很高的氣密性,氣枕內(nèi)部的空氣在收到陽光照射時會膨脹,導(dǎo)致內(nèi)壓升高。氣枕還需要一個排氣閥來避免壓力的異常上升。圖9是控制系統(tǒng)的基本工作流程圖。
2.3.1.1 常時狀態(tài)下的內(nèi)壓控制
內(nèi)壓控制與設(shè)計內(nèi)壓有關(guān)。根據(jù)實際的工程經(jīng)驗,一般取設(shè)計內(nèi)壓A(Pa)的+10%作為上下限。當氣壓低于設(shè)計內(nèi)壓的10%(下限)時,送風(fēng)機開始啟動并送風(fēng)。當氣枕內(nèi)壓回復(fù)到設(shè)計荷載時,送風(fēng)機停機。
2.3.1.2 內(nèi)壓異常時的控制
當陽光暴曬導(dǎo)致氣枕內(nèi)壓超過設(shè)計內(nèi)壓的20%時,排氣閥門就會打開,用來減小內(nèi)壓直至降到設(shè)計內(nèi)壓。需要注意的是,陣風(fēng)吹襲也會造成內(nèi)壓的突然上升,為了避免這一點。必須想辦法讓充氣系統(tǒng)能識別這種異常情況,可以利用延時裝置,當異常情況持續(xù)一段時間(大約10s左右),充氣系統(tǒng)才會開始工作。
2.3.1.3 強風(fēng)時的內(nèi)壓控制
當風(fēng)速計測得的風(fēng)速信號超出設(shè)定值,系統(tǒng)將會發(fā)出強風(fēng)信號并啟動強風(fēng)控制系統(tǒng)。這里測得的風(fēng)速是瞬時風(fēng)壓。強風(fēng)時的內(nèi)壓控制與常溫下的內(nèi)壓控制相同。只是這時的設(shè)計內(nèi)壓取的是強風(fēng)條件下的設(shè)計值。
⑴當氣枕受到正風(fēng)壓作用時,氣枕的體積會減少,內(nèi)壓會開始上升。上漲的內(nèi)壓強度會維持一段時間,與此同時,氣枕的空氣體積會因為氣體滲漏有所減少。當風(fēng)荷載作用結(jié)束后,再補充氣體回到常規(guī)狀態(tài)。
⑵當氣枕受到風(fēng)吸作用時,體積會增加而內(nèi)壓減小。當內(nèi)壓的減小達到下限時(設(shè)計內(nèi)壓的-10%),送風(fēng)機就會給氣枕充氣,直到內(nèi)壓回復(fù)到設(shè)計值。
當控制系統(tǒng)在持續(xù)一定時間(超過30min)內(nèi)沒有收到新的強風(fēng)信號時,即可關(guān)閉強風(fēng)時的工作狀態(tài)。但若是接收到新的信號,系統(tǒng)會再次重啟工作保證結(jié)構(gòu)的安全。
2.3.1.4 積雪時的內(nèi)壓控制
當測雪計監(jiān)測到積雪達到一定程度時,就會發(fā)出信號,啟動積雪時的工作狀態(tài)。
當氣枕受到雪荷載作用時,體積會減小同時內(nèi)壓上升。上漲的內(nèi)壓強度會維持一段時間,與此同時,氣枕的空氣體積會因為滲漏有所減少。當雪荷載清除后,需要再補充氣體回到常規(guī)狀態(tài)。
同樣的,當控制系統(tǒng)在持續(xù)一定時間(超過30min)內(nèi)沒有收到新的積雪警告信號時,即可關(guān)閉積雪時的工作狀態(tài)。但若是接收到新的信號,系統(tǒng)會再次重啟工作。
當積雪荷載超出設(shè)計荷載,氣枕的內(nèi)壓會異常上升。但此時若打開排氣閥,很可能因為排氣降壓導(dǎo)致氣枕塌陷。為避免這種情況,程序在積雪控制工作狀態(tài)時不會對內(nèi)壓上升進行響應(yīng)。
2.3.2 充氣管道的配管設(shè)計
充氣管道配管設(shè)計包括線路布置和材料選擇兩個部分。線路布置應(yīng)盡可能使用直線。材料上應(yīng)優(yōu)選壓力損失最小的材料。配管設(shè)計應(yīng)綜合考慮安全性、易維護性、經(jīng)濟性這幾個指標。配管設(shè)計分為并聯(lián)配管和串聯(lián)配管兩種基本形式,兩者可以復(fù)合使用。
串聯(lián)配管與并聯(lián)配管相比,管件的用量少。但是氣枕的內(nèi)壓與其在體系中的位置有關(guān)系,如氣枕離主管的遠近。并聯(lián)配管可以保證氣枕之間的相互獨立性,以及內(nèi)壓的平衡。但是并聯(lián)配管必須給每個氣枕配置內(nèi)壓監(jiān)測儀和閥門,這對成本有著極大的影響。
在選擇配管是串聯(lián)還是并聯(lián)的時候,需要考慮到有氣枕損壞或者凹陷的可能。如果采用串聯(lián)配管,當其中一個氣枕損壞,那所有與其相連的氣枕均會凹陷,因為其余氣枕的空氣會從這個損壞的氣枕泄漏出去。若采用并聯(lián)配管損失就會小得多了,只需要將配置在這個氣枕上的閥門關(guān)閉就可以了。但根據(jù)工程規(guī)模,隨著氣枕數(shù)目的增加,并聯(lián)配管的成本會不斷上升。無論采用哪種配管方式,都需要考慮和制定一個周密的計劃,將氣枕損壞造成的損失降低到最小。
一般采用一個閥門來對多個氣枕進行壓力控制的時候,氣枕數(shù)目不宜超過5個,且氣枕總的面積不超過150m2。
一定體積的空氣在充氣管中流動時就會產(chǎn)生壓力損失。壓力損失的大小取決于充氣管的屬性,例如長度、表面粗糙度、彎頭形式和數(shù)量、充氣管橫截面的變化程度,以及空氣在管中的流速。所以配管設(shè)計對于保證整個結(jié)構(gòu)的安全使用是十分重要的。
關(guān)于壓力損失的計算,可以采用下面的公式來評判:
式中,P—壓力損失(mmAq);
V—流速(m/s)(V=Q/60A);
γ—氣密度(kg/m3),20℃時空氣密度1.2kg/m3;
ξ—管固有損失系數(shù);
g—重力加速度(9.8m/s2)。
2.3.3 送風(fēng)機的選擇
送風(fēng)機在控制系統(tǒng)成本組成中占有較大比重,對整個結(jié)構(gòu)的建設(shè)成本和維護成本都有較大的影響。送風(fēng)機的選擇,需要根據(jù)壓力損失和必要送風(fēng)量兩個指標來確定。
目前市面可以選擇的送風(fēng)機,主要有離心式風(fēng)機、渦輪風(fēng)機、多級風(fēng)機等等。在選擇送風(fēng)機時,要關(guān)注風(fēng)機的機外靜壓這一指標,這是決定風(fēng)機送風(fēng)能力的一個關(guān)鍵指標,數(shù)值越大,送風(fēng)能力越佳。
每一個ETFE氣枕外周都是通過熱合焊接,將兩張或多張ETFE膜片復(fù)合在一起的,所以氣密性很好,氣體的滲漏很少。在設(shè)計時,可以取泄漏量為0.15m3/h/m2(展開面積)進行計算(根據(jù)進行的六邊形氣枕泄漏量試驗,泄漏量測定一般在0.05m3/h/m2左右)。
2.3.4 導(dǎo)管和配件的選擇
送風(fēng)導(dǎo)管應(yīng)該選擇在工作壓力時變形小、氣體泄漏量少的導(dǎo)管,還要根據(jù)運行荷載、外荷載、環(huán)境來選擇合適的形狀和材質(zhì)。
ETFE氣枕在受到風(fēng)荷載作用或充氣時都會發(fā)生一定的位移,所以在靠近氣枕一端應(yīng)選擇能夠跟隨膜面位移的導(dǎo)管。
除導(dǎo)管之外的配件,還有電動閥門、排風(fēng)口、送風(fēng)口等等。閥門可以選擇能自動運作的電動閥或電磁閥。為防止電力中斷,電動閥門最好有彈簧復(fù)位功能,當電力中斷時自動關(guān)閉閥門。
2.3.5 壓力調(diào)整裝置
壓力調(diào)整裝置包括風(fēng)速計、積雪計、微差壓傳感器(用于監(jiān)測氣枕內(nèi)壓變化)以及控制臺(用于操控電動閥門的開關(guān))。
風(fēng)速計應(yīng)該安放在能夠確保正確探測到風(fēng)速的位置。對于規(guī)模較大、建筑立面復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或者其他特殊場合,需要設(shè)置多個風(fēng)速計。積雪計的設(shè)置要求同風(fēng)速計(如果假定積雪會長期殘留在氣枕上時,需要給程序設(shè)定一個區(qū)間值,讓控制程序能自行判斷是否需要降低氣枕內(nèi)壓)。
連接氣枕與微差壓傳感器的壓力導(dǎo)管要盡可能的短。如果用一個微差壓傳感器來監(jiān)測多個氣枕的內(nèi)壓,傳導(dǎo)到傳感器的壓力值實際為這些氣枕的平均內(nèi)壓,此時連接這些氣枕的導(dǎo)管總長不應(yīng)超過50m。
為了保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性,要配置兩組相同規(guī)格的送風(fēng)機,其中一組備用。兩組設(shè)備間隔使用能延長設(shè)備的使用壽命。
2.3.6 備用設(shè)備及保障對策
從運行角度考慮,如果發(fā)生停電時,最好能有一套緊急發(fā)電裝置保持系統(tǒng)工作。當然初期投入的成本會比較高。這需要根據(jù)建筑功能和必要性來綜合考慮。除此之外,還可以通過以下的措施來保障整個結(jié)構(gòu)的安全和使用功能。
⑴內(nèi)壓的降低會導(dǎo)致氣枕凹陷和積水,在設(shè)計階段的時候,對氣枕上層膜坡度應(yīng)控制在至少5°以上,最好是10°以上。
⑵在送風(fēng)機出氣口處設(shè)置一個止回閥,這樣至少能保證在充氣過程中發(fā)生突然停電,導(dǎo)致電動閥門無法關(guān)閉,這時止回閥能夠防止氣體回流,防止氣枕內(nèi)壓的快速下降。
⑶設(shè)置兩組或多組送風(fēng)機,當一組送風(fēng)機無法工作時,其他的機組可以替代。
另外,對具體工程還可結(jié)合建筑物的形狀、坡度來具體制定更多的保障性措施。
2.3.7 其他注意事項
在ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)的使用過程中,還需要考慮防結(jié)露,防塵,防浸等措施。
⑴內(nèi)部結(jié)露:在多霧或者平均相對濕度>75%以上的地區(qū),會在ETFE氣枕內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。應(yīng)該在送風(fēng)機進氣口處連接一臺除濕機,來保證充入氣枕的氣體是干燥的。推薦采用處理風(fēng)量大的干式除濕機。外部空氣的濕度由濕度計進行監(jiān)測,大于設(shè)定值就啟動除濕機。
⑵防塵措施:在送風(fēng)機進氣口設(shè)置過濾器可以有效防止灰塵或者外部異物進入。
⑶防浸措施:對于需要考慮某些情況導(dǎo)致水流滲入的氣枕,可以在下層膜底部根據(jù)需要設(shè)置一個易于操作的排水旋塞。
對于ETFE膜結(jié)構(gòu)常用的雙層及多層氣枕而言,裁剪分析就是將在一定預(yù)張力及內(nèi)壓作用下的空間曲面,在平面上展開,在進行拼接的過程。由于空間膜曲面由平面膜裁切片熱合而成,當膜面為不可展曲面,需要采用特定算法和準則展開為近似平面。
裁剪設(shè)計主要分為確定裁剪模型,選擇裁剪方法,膜裁切線布置,確認膜面的應(yīng)變補償值,裁剪作業(yè),裁剪片排版等幾個步驟。
2.4.1 裁剪模型
由于計算機模型是用三角網(wǎng)格來模擬光滑的膜面,因此對于裁剪模型的網(wǎng)格劃分精度是有要求的。一般而言網(wǎng)格的密度至少應(yīng)為8×8,同時網(wǎng)格邊長應(yīng)小于250mm。
2.4.2 裁剪方法
一般常用的裁剪方法為測地線法、切面法。測地線法為曲面兩點間距離最短的一條線。將測地線作為膜裁切線,對于可展曲面而言,展開后的測地線是直線。用測地線作為裁剪線可以使裁剪片幅寬大致相等,從而達到拼接簡單和減少損耗的目的。目前測地線是裁剪設(shè)計中最常用的方法。
2.4.3 膜裁切線布置
膜的裁切線一般而言宜與荷載下的最大主應(yīng)力方向平行,還要考慮膜拼接裁剪片之間的搭接強度,制作的工藝性、經(jīng)濟性。
除此之外,膜拼接焊縫的布置應(yīng)結(jié)合建筑效果整體考慮。裁切線應(yīng)結(jié)合建筑效果,保證布置的均勻性、對稱性、韻律性,使其與建筑造型、韻律性協(xié)調(diào)統(tǒng)一。相鄰對接膜片之間裁切線宜對縫,保證視覺連續(xù)和整齊。
2.4.4 裁剪作業(yè)
需要說明的是,ETFE焊縫的連續(xù)性主要是針對同一層膜面來說的,不同膜面之間的焊縫是有一定的間距的。由于ETFE氣枕由兩個以上的膜片復(fù)合而成,且ETFE膜片很薄,從氣密性考慮,上下層膜片的焊縫應(yīng)該錯縫布置。而且從焊接性能角度考慮,若上下層甚至中間層都在同一位置拼接的話,焊縫處由于焊接硬化,在受外荷載作用時,極易在焊縫接合處撕裂。所以不同層之間的焊縫按構(gòu)造應(yīng)錯開20mm。
2.4.5 裁剪片排版
目前主要的幾家ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)工程廠商均使用膜材裁剪的全自動化系統(tǒng),設(shè)定排版控制程序,主電腦控制裁剪機,實現(xiàn)從設(shè)計到裁剪的無縫連接,避免了人工排版可能出現(xiàn)的誤操作。
ETFE薄膜有較好的自潔性、耐候性,上世紀80年代在歐洲開始應(yīng)用于溫室結(jié)構(gòu)。隨著對研究的進展,及其高透光度與燈光配合產(chǎn)生的夢幻效果,越來越多的被應(yīng)用于住宅和公共建筑的屋蓋、墻面遮陽等領(lǐng)域。在工程上ETFE膜材大多被做成雙層或多層氣枕,近年最具代表性的建筑物就是2006年世界杯主賽場德國慕尼黑安聯(lián)體育場,以及2008北京奧運會的“水立方”國家游泳中心。目前國內(nèi)的一些地產(chǎn)公司在研發(fā)低碳綠色智能住宅產(chǎn)品時,也注重與ETFE膜結(jié)構(gòu)的結(jié)合使用,比如2010年世博會“萬科館”就采用了屋面鑲嵌藍色透明的ETFE膜氣枕天窗,能夠通過自然采光照明降低照明和空調(diào)的能耗。
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