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膜结构

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北京国家游泳中心(水立方)使用近100吨ETFE膜材料的多层膜结构建筑

膜结构是一种空间结构,利用张力膜材料制成,为一种新式建筑。早期为一般常见的帐篷,自上古时代开始的兽皮,中世纪时的布织物、衣料,到目前建筑用的玻璃纤维聚酯纤维等等,具有悠久的使用历史。常用的纺织物膜材料有PVC涂层聚酯纤维膜材, PVC涂层玻璃纤维膜材,PTFE涂层玻璃纤维膜材;无涂层的单层薄膜材料包括像ETFE膜,PVC膜等。

膜结构自20世纪中期发展起来,是一种新型建筑结构形式,由多种高强薄膜材料(PVC或Teflon)及加强构件(钢架、钢柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状,作为覆盖结构,并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。充气膜结构是靠室内不断充气,使室内外产生一定压力差(一般在10mm~30mm 水柱之间),室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力,从而实现较大的跨度.张拉膜结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型,其造型非常优美灵活。

历史

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世界上第一座充气膜结构建成于1946年,设计者为美国的沃尔特·勃德(W.Bird),这是一座直径为15的充气穹顶。1967年在德国斯图加特召开的第一届国际充气结构会议,无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂。随后各式各样的充气膜结构建筑出现在1970年大阪世界博览会上。其中具有代表性的有盖格尔设计的美国馆(137m×7m 8卵形[需要解释]),以及川口卫设计的香肠形充气构件膜结构。后来人们认为70年大阪博览会是把膜结构系统地、商业性地向外界介绍的开始。大阪博览会展示了人们可以用膜结构建造永久性建筑。而70年代初美国盖格尔-勃格公司(Geiger-Berger Associates)开发出的符合美国永久建筑规范的特氟隆(Teflon)膜材料为膜结构广泛应用于永久、半永久性建筑奠定了物质基础。之后,用特氟隆材料做成的室内充气式膜结构相继出现在大中型体育馆中,如1975年建成的密歇根州庞蒂亚克“银色穹顶”(椭圆形220×159m),1988年建成的日本东京体育馆(室内净面积4,6767 m2)。位于北京的水立方游泳馆[1]是一座外围护结构由多层气枕构成的充气式膜结构建筑, 其中使用的ETFE膜材料近100吨,是英格兰伊甸园项目"Eden Project"的三倍之多。

型式

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  • 钢结构:使用钢管(以圆管居多),其结构稳固,允许大跨度造型设计,是常有台风、地震等天然灾害地区(例如台湾)的膜结构型式主流。
  • 张拉钢索:使用钢索张拉,具有自然的张力曲线,线条自然优美,重量轻盈,配合适当的结构设计,亦可对抗自然天灾,但强度仍没有钢结构来的强稳。
  • 充气式:在膜和膜中间,灌入空气,使其膨胀成为膜结构气枕型式。
  • 开闭式:利用机械与控制系统,达到开关闭合的需求。

材质

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PTFE

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一般通称PTFE膜(Poly Tetra Fluoro Ethylene),以玻璃纤维织布所组成,再涂覆以PTFE(Teflon铁氟龙)。玻璃纤维织布与涂覆材料都是不燃材料,故可用于绝大部份防火要求严格之场所,例如密闭式体育馆、游泳池、运动设施、中庭、展场空间等等。且因使用年限可达数十年以上,故又被称为永久膜。

PVC

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高雄翠华自行车桥PVC膜结构,又称翠华之云,为典型PVC膜结构型式的代表

一般通称PVC膜(Poly Vinyl Chloride),其组成为聚酯纤维,涂覆材料为PVC,不如PTFE可通过不燃材的要求,为PTFE膜制作成本太高时的替代方案。其延展性较PTFE为佳,可用在比较多变的造型。但相对的材料本身强度不及PTFE膜。

ETFE

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台北花卉博览会-未来生活馆ETFE屋顶,为台湾首座EFTE充气式膜结构

膜材料为乙烯与四氟化乙烯合成之改性共聚物,一般通称为透明膜,此种材料最初用于航太领域。具有优良的耐候性、几乎透明的透光性、抗污性及35年以上的使用寿命,且能引进植物生长所需的紫外线,故一般多用于温室、植栽或是有特殊设计需求的地方。

由于其材料不具纤维,且材料本身强度及延展性没有PTFE及PVC来的好,亦无法使用传统反力张拉施工方式。故常见的施工法为使用二层或三层气枕之充气式结构,配合压力侦测器及充气机,用气压将膜材撑开,以弥补先天的不足。另外亦有使用单层ETFE之情形,但多用在小面积之结构上,大型结构例如球场、球场看台等等,必须使用充气式结构。

参考

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注释

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