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    空间膜结构

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    空间膜结构

      空间膜结构是一种全新的建筑结构形式,它集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学、计算机技术等为一体,具有很高技术含量。其曲面可以随着建筑师的设计需要任意变化,结合整体环境,建造出标志性的形象工程。
     
      空间膜结构选型
     
      1、除小跨度结构外,膜结构中的膜材总是与其他构件共同承重。目前,国内外对膜结构的形式有很多种不同分类方法,尚未统一。本规程按膜材及其相关构件的受力方式分成四种形式,是一种比较科学的分类方法。
     
      2、整体张拉式膜结构主要由索和膜构成,两者共同起承重作用,通过支承点和锚固点形成整体。骨架支承式膜结构由钢构件(如拱、钢架)或其他钢性结构起承重作用,膜材主要起围护作用。
     
      3、索系支承式膜结构主要由索、杆和膜构成,三者共同起承重作用。在通常所称的张拉整体(tensegrity)结构中,如采用膜材,即属于索系支承膜结构。另外比较流行的索穹顶结构(cabledome)也属于此类。
     
      4、以空气作为一种支承方式,是膜结构的一个特点,一般也成为充气结构,其设计与构造与传统结构有许多不同之处。
     
      建筑设计
     
      1、膜结构建筑的表现方式与一般建筑有所不同,在建筑单位方案设计阶段,就应充分考虑到不同表现方式的相容与协调,并注意利用膜结构建筑技术所具有的形象特点,因势利导。膜结构建筑的方案设计应由建筑师与膜结构工程师共同完成。设计时首先应考虑膜结构体系的特殊性,从建筑功能和结构受力性能入手,创造出形式完美、构造合理的膜结构建筑。
     
      2、各国对于膜材的耐火等级和防火要求各不相同。一般来说,耐火等级与材料价格直接有关。当有条件时应尽量采用不然类膜材。当永久性建筑采用阻燃类膜材时,尚应根据当地消防部门的要求采取必要的防火措施。
     
      3、结构建筑采用的膜材一般均具有透光特性。由于漫射光的作用,膜材覆盖的空间内将呈现特殊的光学效果(有明显光感但无阴影),建筑设计中应予以合理利用。采用双层膜构造时,应考虑到透光率的折减。
     
      4、膜结构建筑的保温隔热性能较差,目前已广泛使用的膜材,自身并不能较好的隔绝外部温度的影响。单层膜结构仅适用于敞开式建筑或气候较温和的地区。对于封闭式建筑,应注意采用其他构造方式解决保温隔热问题。双层膜构造可以较好的满足保温、隔热要求,两层之间的空气隔离层一般为30cm左右,但应注意处理双层膜内部结露问题。
     
      5、膜结构建筑应有足够的坡度以解决排水问题并预防积雪。屋面排水设计从方案阶段就应予重视,一面造成重大工程隐患。采取有组织排水式时,应注意采取对建筑物墙面或地面的防污染措施。
     
      从空气支承膜结构过去发生的事故来看,大部分是在强风或大雪时,膜结构产生大变形而使膜材于内部或外部物体相碰,在接触点处膜材受到损坏,导致膜结构破坏。因此,膜材与内部、外部物体应保持一定距离,即使在最不利工况下也不应接触。
     
      此外,物体如有尖角、锐角,也应加以防护。
     
      空间膜结构的裁剪制作方法
     
      裁剪方法简介
     
      膜结构的裁剪拼接过程无论如何都是会有误差的,这是因为首先用平面膜片拼成空间曲面就一定会有误差,其次膜布是各向异性非线性材料,在把它张拉成曲率变化多端的空间形状时,不可避免的会与初始设计形状有出入。迄今为止,已建立了很多种方法来处理这一问题。很难评价哪个方法的精确度一定就高,但还是有几个标准可以用来判断这些裁剪方法是否实用。那就是可靠性、灵活性和完成时间。2.膜结构交互式裁剪过程
     
      裁剪缝的布置
     
      布置膜结构表面裁剪缝时要考虑以下几个因素:
     
      1)表面曲率以前的裁剪方法都无法给出曲面任一点处的曲率。而本软件因为采用的是曲面膜单元,所以可以得到每个单元的曲率。如果相邻单元曲率相差很大,说明在这个位置,曲面扭曲的很严重,如果裁剪缝在此处不切断重新开始,那么裁剪膜块的边界在此处就会有很大的弧形。从相邻单元曲率的变化趋势,可以判断出测地线的大致走向。
     
      2)膜材料的幅宽找形分析过程中的平面网格划分时,就要考虑到膜材料的幅宽。尽量使一块膜布中包含的膜单元是完整的,否则还要通过插值计算确定膜块边界点的位置。
     
      3)边界的走向如果边界比较平直,可以考虑用一个膜块的长边作为这条边界。否则只能用多个膜块的短边拼接成这条边界。
     
      4)美观因为膜材料具有透光性,实际结构中可以清楚地看见焊缝,所以裁剪缝的布置一定要规则、合理,最好能形成一些漂亮的图案以增加结构的美感。如果膜表面设置有压索或脊索,那么最好使裁剪缝与压索或脊索重合,使索不至于打乱焊缝的图案布置。
     
      空间膜结构的维护
     
      空间膜结构需要维护的频度由设计、功能、美观、材料和场地环境等许多因素决定,维护的频度从“几乎不用维护”到“定期维护”不等。为了满足客户需求,维护的概念设计应该纳入到统一的设计过程中。一年一次的目测检查和恶劣天气之后的随时检查应该满足的最低要求。
     
      需要考虑的六种典型维护要求如下面各小节所述。
     
      清洁
     
      膜面上污垢的堆积与当地的环境条件、膜材特性和膜面的形状有关。从技术的角度看,膜结构不一定需要清洗。对于大多数膜材而言,清洗不能延长其工作寿命,相反,不恰当的清洗还会缩短其寿命。在设计和膜材选择中影响污垢堆积的因素有:
     
      (1)当地的降水量和频率。
     
      (2)空气污染情况。
     
      (3)与落叶树木和粘性花粉树木间的距离。
     
      (4)鸽子和海鸥等鸟类的排泄物。
     
      (5)屋面的倾斜程度(尽量避免较小的坡度,因为降雨不能完全排走,剩余水分的蒸发后会有污渍残留)。
     
      (6)涂层不沾灰尘的惰性。
     
      (7)在编织和涂覆前膜材纤维受化学品污染的程度。
     
      为了便于清洁,在设计阶段应考虑设置清洗人员上屋顶的通道和便于安全索和保险绳固定的连接件。清洗工作应该按照加工商提供的操作手册进行。
     
      清洁时应该保证不破坏PVDF或FEP等涂层膜材的表面处理层。因此,不可使用擦洗剂、强溶剂、硬刷和高压水枪。此外,清洗人员在屋面行走时必须穿软底谢。
     
      膜面在潮湿状态下会很滑,因此应使用安全绳及防坠网等安全措施。考虑到在清洗老旧建筑时可能发生断裂等破坏,故应在其下面布置安全网。
     
      与家用肥皂或餐具清洁剂相比,一般的膜材清洗剂通常是相对安全的,但也必须避免其与皮肤、眼睛和粘膜的长期接触。
     
      必须严格遵守清洗剂供应商提供的安全使用说明。
     
      清洁手册一般包括下列内容:
     
      (1)大颗粒积灰应该用清水冲洗。
     
      (2)使用加工商指定的清洗剂并配套使用相应的软刷、海绵以及清洗设备清洗膜面,并用清水冲洗以便在膜面干燥(考虑到风和太阳的作用)前将灰尘和清洗剂冲走。
     
      (3)让清洗剂作用几分钟,但是要避免清洗区域被风干。
     
      (4)对于顽固污渍可能需要高浓度清洗剂(可以参考生产商的说明和膜材样本的测试)刷洗,但要避免刮掉膜材的面层。
     
      (5)用清水冲洗清洗过的膜面直至没有清洗剂残留在膜面上为止。
     
      使用清洗机很有可能会损坏涂层甚至冲漏膜材。为避免其发生,清洁机应配上安全防护装置以使喷水嘴不致距膜面太近。一个简单且便于判别的准则是能使皮肤感觉疼痛的物体都可能对膜材造成损害。
     
      腐蚀
     
      应该根据现场环境来选择防腐措施和防腐材料。定期检查支承结构、索(特别是那些深入固定端的)、夹板和螺栓连接等处的腐蚀情况。若有腐蚀发生,首先应该除去腐蚀层,然后重新做好表面的防腐处理。若螺栓连接发生腐蚀,则应予以替换。
     
      排水和积水
     
      由于荷载作用下膜材会产生变形,膜面坡度较小处可能会有积水。降雨或者降雪较大及雪融后,应对张拉膜结构进行监测以避免产生积水。
     
      如果产生积水,必须立即清除积水或积雪。如果雨雪天气持续不断,积水会使膜材破坏,故要对公众关闭膜面覆盖的空间,并立即采取措施避免新的积水。
     
      如果屋顶设有排水道,就必须定期予以检查和清扫,使其不致因树叶或其他杂物堆积而堵塞。
     
      预应力和二次张拉
     
      膜结构的稳定依赖于膜内预应力的保持。预应力的水平影响膜在荷载作用下的变形。如果预应力太低,膜就会产生较大位移,在风作用下发生颤振。
     
      因为膜材在荷载的持续作用下会产生松弛和徐变,所以在使用期间膜内预应力会发生变化。用于特定结构的膜材性能可以通过双轴试验来确定,并应用于预应力设计中。处理膜材料在使用期内产生的松弛和徐变的处理方法有两种,其一是安装时施加一个较高的初始应力,其二是使用一段时间之后实施二次张拉。
     
      负责结构设计的工程师必须预先给出施工完成后的预应力水平,以便在结构建成后进行核实。而且工程师也必须确定每隔多长时间用何种方式量测一次预应力水平。
     
      预应力水平监测既可以通过推动膜材或者感觉扣带(非常小的结构)对侧向位移的抵抗力等简单方法得到,也可以通过张力计、测压元件或者几何测量的方式进行现场测试得到。
     
      何时需要对结构实施二次张拉由维护设计确定的预应力水平决定。只有设计了可调节的部件(比如:索头的花篮螺栓、支承柱的伸缩杆等)才可能实现二次张拉。很多结构都被设计成使用寿命内能够保持最小预应力。二次张拉常常不能实现。对于这种情况,双轴测试和膜材裁剪的长度补偿及加工制作中的容差控制都应该予以特别重视或采用特殊方法。
     
      修补
     
      在安装过程中会有意或无意地造成膜面出现较小损伤,此时可以进行现场修补。应该对基层纤维布和涂层进行定期检查。对于小的裂口或长度小于5cm的小洞可以直接在膜面外侧加焊补丁予以修复,补丁必须作圆角处理。应将焊接面的尘土、油脂和油渍手印清理干净。修补工作应该由经验丰富的员工完成。
     
      修补PVC膜材一般采用热气焊。焊接区内的PVDF面层必须仔细地予以去除。随着紫外线的长期作用PVC涂层会变脆,在老旧膜屋面上进行焊接比较困难且焊缝不稳定。因此一些加工商推荐采用胶粘修补。
     
      PTFE膜材应该按规定的加热和冷却循环程序进行焊接。焊接时应在屋顶膜面和补丁间增加FEP或PEA助焊层。
     
      膜材加工商应为业主提供少量原始材料以确保现场随时备有用于修补的膜材。备用材料应存放于阴凉干燥的环境中。
     
      替换
     
      在结构的整个使用期内保留所有的加工图可使膜的替换非常简单。单需对采用的新膜材重新进行试验以确定其补偿值。如果原幅宽的膜材缺货,则需要重新进行裁剪设计。也可能需要根据现有支承结构的具体尺寸重新进行结构找形。
     
      在替换之前,需对钢框架、钢索、夹板、螺栓、螺母和垫圈等其他结构元件进行检查以便决定是继续使用还是予以更换。对继续使用的夹板和钢件都应进行清洗,并检查是否发生了腐蚀。应将所有的腐蚀层予以除去,并采取充分的保护措施。腐蚀严重的构件和已损坏钢索等应予以全部替换。
     
      为了对其他构件进行充分地维修或替换,建议在新膜材到货之前就拆除旧结构。
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