張拉膜結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)

李英男 許元撫

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑行業(yè)得到了很大的進(jìn)步。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，張拉膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是十分重要的，我們應(yīng)該加以重視。文章主要闡述了建筑設(shè)計(jì)中的張拉膜結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容，供大家參考。

關(guān)鍵詞：張拉膜結(jié)構(gòu)；概念；設(shè)計(jì)

1 膜結(jié)構(gòu)以其構(gòu)造來看，大致可分為骨架式、張拉式、充氣式膜結(jié)構(gòu)3種形式：

1.1 骨架式膜結(jié)構(gòu)

以鋼構(gòu)或是集成材構(gòu)成的屋頂骨架后，在其上方張拉膜材的構(gòu)造形式，下部支撐結(jié)構(gòu)安定性高，由于屋頂?shù)脑煨头浅５膯我?，在開口的地方不會受到影響，而且它的經(jīng)濟(jì)性合理，能夠適合用到各種面積之中。

1.2 張拉式膜結(jié)構(gòu)

以膜材、鋼索及支柱構(gòu)成，利用鋼索與支柱在膜材中導(dǎo)入張力以達(dá)安定的形式。其不但具有創(chuàng)新性，而且它的外形非常美觀，而且還是最具有膜結(jié)構(gòu)的一種類型。近年來，大型跨距空間也多采用以鋼索與壓縮材構(gòu)成鋼索網(wǎng)來支撐上部膜材的形式。由于建設(shè)活動的精確性比較好，而且構(gòu)造的性能很優(yōu)秀，同時(shí)它的表現(xiàn)力也是很好的，因此它在成本上要稍微的比上一種要低一些。

1.3 充氣式膜結(jié)構(gòu)

它是說把膜材設(shè)置在屋頂?shù)臉?gòu)造附近，使用送風(fēng)體系確保物種的氣壓增加到適當(dāng)?shù)膲毫?，此時(shí)屋內(nèi)外就會存在壓力差值，這樣就能應(yīng)對外力現(xiàn)象，由于它是使用氣壓來維持，并且用鋼索當(dāng)成是配合材料的，所以不需要任何的梁或者是柱等，所以它的空間更寬，而且建設(shè)活動很方便，利潤比較好，不過要確保送風(fēng)設(shè)備持續(xù)的運(yùn)作一天，其運(yùn)行以及維護(hù)資金非常多。

2 關(guān)于材料

用到結(jié)構(gòu)中的材料有著非常優(yōu)秀的強(qiáng)度，而且它的柔韌性非常高，是由纖維編織成織物基材，在其基材兩面以樹脂為涂層材所加工固定而成的材料，中心的織物基材分為聚酯纖維及玻璃纖維，而作為涂層材使用的樹脂有聚氯乙烯樹脂、硅酮及聚四氟乙烯樹脂，在力學(xué)上織物基材及涂層材分別具有影響下列的功能性質(zhì)。

織物基材——抗拉強(qiáng)度，抗撕裂強(qiáng)度，耐熱性，耐久性，防火性。

涂層材——耐候性，防污性，加工性，耐水性，耐品，透光性。

3 合理的選取材料

用到建設(shè)中的材料，由于它們的層材是不一樣的，所以分成PVC膜與PTEF膜，在選材的時(shí)候，要充分的分析建筑的面積以及使用方向以及使用的時(shí)間等等的多項(xiàng)內(nèi)容。

PVC膜：其在材料和制作上都較之于另外的一種要節(jié)省，而且它的優(yōu)勢比較多，比如質(zhì)地較軟，而且便于開展建設(shè)工作。不過它也存在一些問題，比如強(qiáng)度以及使用時(shí)間和耐火性等方面都較之于另外的一種要差一些。PVC膜材是由聚脂纖維織物加上PVC涂層而成，普通建筑使用的材料，是在PVC涂層材的表面處理上，涂以數(shù)micron厚的壓克力樹脂，進(jìn)而提升它的防污特征。不過，當(dāng)長久的使用之后，它就容易掉色，而且會變臟，質(zhì)量也不如之前好。常見的這類材料的使用時(shí)間比較久，由于運(yùn)行的環(huán)境不一樣，一般在五到八年之間。為提升其耐候性特征，近年來已研發(fā)出以氟素系樹脂于PVC涂層材的表面處理上做涂層，這樣可提升它的耐候性特點(diǎn)。

PVDF PVDF是二氟化樹脂的略稱，在PVC膜表面處理上加以PVDF樹脂涂層的材料稱為PVDF膜。它和普通的PVC比對來看，其持續(xù)時(shí)間更久，一般可以達(dá)到七年到十年之間。

PVF PVF是一氟化樹脂的略稱。PVF膜材是在PVC膜的表面處理上以PVF樹脂做薄膜狀薄片加工，它比前一種更加的持久，而且更能應(yīng)對污染。不過由于它的制作性和實(shí)用性以及耐火性等都不是非常的優(yōu)秀，所有它的使用方向受到一定的局限。

PTFE膜：PTFE膜是在超細(xì)玻璃纖維織物上，涂以聚四氟乙烯樹脂而成的材料。它的優(yōu)勢在于它的持續(xù)性高，而且能夠防火，最主要的是它的抗污染的水平很好。不過PVC比對來看，它的原料費(fèi)用以及制作費(fèi)用等都非常高，而且不是很柔軟，在建設(shè)的時(shí)候，為了防止纖維受損，得用專門的設(shè)備和工藝處理。

耐久性：涂層材的PTFE對酸、鹼等化學(xué)物質(zhì)及紫外線非常安定，不會出現(xiàn)變色等現(xiàn)象。而且纖維持續(xù)用后，不易導(dǎo)致它的強(qiáng)度變低。它的色澤通常是白色的，而且透光性非常好，可以使用長達(dá)二十五年時(shí)間。

防污性：因涂層材為聚四氟乙烯樹脂，其不具有較高的摩擦性，因此不容易被臟物影響，使用雨水等就可以清洗。

防火性：它合乎全部的防火材料的特征，能夠代替別的物質(zhì)來運(yùn)行。

4 工程應(yīng)用

體育設(shè)施-體育場館、健身中心等交通設(shè)施-機(jī)場、火車站、公交車站、高速公路收費(fèi)站、加油站等文化設(shè)施-展覽中心、劇場、博物館、動物園等景觀設(shè)施-建筑入口、泳池小品、小區(qū)長廊、戶外廣場、標(biāo)識性建筑等商業(yè)設(shè)施-購物中心、餐廳、步行街等工業(yè)設(shè)施-工廠、倉庫、污水處理中心、物流中心、溫室等。

張拉膜結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)只有正確表達(dá)結(jié)構(gòu)邏輯的建筑才有強(qiáng)大的說服力與表現(xiàn)力這句話揭示了張拉膜結(jié)構(gòu)的精髓。針對這種結(jié)構(gòu)來說，所有的支撐以及裝飾等都米有實(shí)際的意義，它的構(gòu)造本來就已經(jīng)完美的體現(xiàn)了一切的內(nèi)涵?；蛘哒f，所有的不合乎構(gòu)造的造型都沒有意義，主要是由于那種膜要不就是亂飄，要不就是不穩(wěn)定。文章講述的這種材料本身就是融合了力和形。

張拉膜結(jié)構(gòu)的基本組成單元通常有：膜材、索與支承結(jié)構(gòu)。在磚、石等五種材料之后，膜材開始融入到建設(shè)活動中，成為第六類材料。其本來不可以受壓，而且也不可以被彎折。因此要想確保其運(yùn)作合理，就應(yīng)該合理的引入預(yù)張力。除此之外，要想確保其活動合理的另一個(gè)特征即是要形成互反曲面。在以往的結(jié)構(gòu)中，為降低變形現(xiàn)象，就要提升結(jié)構(gòu)自身的抗力特點(diǎn)。因?yàn)槟そY(jié)構(gòu)是經(jīng)由形狀的變化而將力擴(kuò)散開來，從而獲得最小內(nèi)力增長的。如果它在水平方位周圍發(fā)生了變化的話，就會出現(xiàn)兩類回復(fù)力，第一種是通過變形而導(dǎo)致的。第二種是通過材料而導(dǎo)致的。一般來說，它的幾何剛度要大大的超過它的彈性的剛度，因此要確保所有的膜片有著優(yōu)秀的剛度，就應(yīng)盡量形成負(fù)高斯曲面，即沿對角方向分別形成“高點(diǎn)”和“低點(diǎn)”。“高點(diǎn)”通常是由桅桿來提供的，或許是因?yàn)檫@種問題，一些材料中也將其成為懸掛膜結(jié)構(gòu)。

索作為膜材的彈性邊界，將膜材劃分為一系列膜片，從而減小了膜材的自由支承長度，使薄膜表面更易形成較大的曲率。有文獻(xiàn)指出，膜材的自由支承長度不宜超過15米，且單片膜的覆蓋面積不宜大于500平米。此外，索的另一個(gè)重要作用就是對桅桿等支承結(jié)構(gòu)提供附加支撐，進(jìn)而確保不會由于其破損而導(dǎo)致構(gòu)造出現(xiàn)塌陷等問題。

對于其設(shè)計(jì)來說，要注重如下的要素：

（1）初始態(tài)分析：確保生成形狀穩(wěn)定、應(yīng)力分布均勻的三維平衡曲面，而且可以應(yīng)對多種情況中的受力性，其實(shí)多次修正的活動。

（2）荷載態(tài)分析：張拉膜結(jié)構(gòu)自身重量很輕，僅為鋼結(jié)構(gòu)的1/5，混凝土結(jié)構(gòu)的1/40；所以它能夠很好地應(yīng)對地震，同時(shí)對風(fēng)的影響也很敏感。除此之外，還要分析到雪等的作用。因?yàn)楝F(xiàn)在來講可以觀測的內(nèi)容不是很全面，故對膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常采用安全系數(shù)法。

（3）主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的確定，及對支承結(jié)構(gòu)的有限元分析。如果設(shè)計(jì)措施和它的構(gòu)造不一樣的話，要落實(shí)好多種設(shè)計(jì)措施間的參數(shù)變化。

（4）連接設(shè)計(jì)：包括螺栓、焊縫和次要構(gòu)件尺寸。

其在方案時(shí)期的時(shí)候要落實(shí)好如下的內(nèi)容：

（1）預(yù)張力的大小及張拉方式；（2）持久性和耐火性；（3）分析到膜面的形狀，防止出現(xiàn)存水現(xiàn)象；（4）關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，以避免應(yīng)力集中；（5）考慮膜材的運(yùn)輸和吊裝。

在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要分析如下內(nèi)容：

（1）確保其曲率是合理的，這樣可以得到非常高的剛度；（2）將支撐合理的細(xì)化，這樣就能夠體現(xiàn)清晰的空間以及靈便的體形；（3）降低膜和結(jié)構(gòu)之間的連接，減少活動量。

其探索的關(guān)鍵事項(xiàng)：

（1）找形；（2）考慮膜材松弛和各向異性下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)；（3）當(dāng)受到風(fēng)的影響時(shí)，其穩(wěn)定性如何；（4）裁剪優(yōu)化。