膜結構

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北京國家游泳中心(水立方)使用近100噸ETFE膜材料的多層膜結構建築

膜結構是一種空間結構,利用張力膜材料製成,為一種新式建築。早期為一般常見的帳篷,自上古時代開始的獸皮,中世紀時的布織物、衣料,到目前建築用的玻璃纖維聚酯纖維等等,具有悠久的使用歷史。常用的紡織物膜材料有PVC塗層聚酯纖維膜材, PVC塗層玻璃纖維膜材,PTFE塗層玻璃纖維膜材;無塗層的單層薄膜材料包括像ETFE膜,PVC膜等。

膜結構自20世紀中期發展起來,是一種新型建築結構形式,由多種高強薄膜材料(PVC或Teflon)及加強構件(鋼架、鋼柱或鋼索)通過一定方式使其內部產生一定的預張應力以形成某種空間形狀,作為覆蓋結構,並能承受一定的外荷載作用的一種空間結構形式。膜結構可分為充氣膜結構和張拉膜結構兩大類。充氣膜結構是靠室內不斷充氣,使室內外產生一定壓力差(一般在10mm~30mm 水柱之間),室內外的壓力差使屋蓋膜布受到一定的向上的浮力,從而實現較大的跨度.張拉膜結構則通過柱及鋼架支承或鋼索張拉成型,其造型非常優美靈活。

歷史[編輯]

世界上第一座充氣膜結構建成於1946年,設計者為美國的沃爾特·勃德(W.Bird),這是一座直徑為15的充氣穹頂。1967年在德國斯圖加特召開的第一屆國際充氣結構會議,無疑給充氣膜結構的發展注入了興奮劑。隨後各式各樣的充氣膜結構建築出現在1970年大阪世界博覽會上。其中具有代表性的有蓋格爾設計的美國館(137m×7m 8卵形[需要解釋]),以及川口衛設計的香腸形充氣構件膜結構。後來人們認為70年大阪博覽會是把膜結構系統地、商業性地向外界介紹的開始。大阪博覽會展示了人們可以用膜結構建造永久性建築。而70年代初美國蓋格爾-勃格公司(Geiger-Berger Associates)開發出的符合美國永久建築規範的特氟隆(Teflon)膜材料為膜結構廣泛應用於永久、半永久性建築奠定了物質基礎。之後,用特氟隆材料做成的室內充氣式膜結構相繼出現在大中型體育館中,如1975年建成的密西根州龐蒂亞克「銀色穹頂」(橢圓形220×159m),1988年建成的日本東京體育館(室內淨面積4,6767 m2)。位於北京的水立方游泳館[1]是一座外圍護結構由多層氣枕構成的充氣式膜結構建築, 其中使用的ETFE膜材料近100噸,是英格蘭伊甸園項目"Eden Project"的三倍之多。

型式[編輯]

  • 鋼結構:使用鋼管(以圓管居多),其結構穩固,允許大跨度造型設計,是常有颱風、地震等天然災害地區(例如台灣)的膜結構型式主流。
  • 張拉鋼索:使用鋼索張拉,具有自然的張力曲線,線條自然優美,重量輕盈,配合適當的結構設計,亦可對抗自然天災,但強度仍沒有鋼結構來的強穩。
  • 充氣式:在膜和膜中間,灌入空氣,使其膨脹成為膜結構氣枕型式。
  • 開閉式:利用機械與控制系統,達到開關閉合的需求。

材質[編輯]

PTFE[編輯]

台北田徑場,為目前台灣最大的PTFE膜結構,面積共13,300㎡

一般通稱PTFE膜(Poly Tetra Fluoro Ethylene),以玻璃纖維織布所組成,再塗覆以PTFE(Teflon鐵氟龍)。玻璃纖維織布與塗覆材料都是不燃材料,故可用於絕大部份防火要求嚴格之場所,例如密閉式體育館、游泳池、運動設施、中庭、展場空間等等。且因使用年限可達數十年以上,故又被稱為永久膜。

PVC[編輯]

高雄翠華自行車橋PVC膜結構,又稱翠華之雲,為典型PVC膜結構型式的代表

一般通稱PVC膜(Poly Vinyl Chloride),其組成為聚酯纖維,塗覆材料為PVC,不如PTFE可通過不燃材的要求,為PTFE膜製作成本太高時的替代方案。其延展性較PTFE為佳,可用在比較多變的造型。但相對的材料本身強度不及PTFE膜。

ETFE[編輯]

台北花卉博覽會-未來生活館ETFE屋頂,為台灣首座EFTE充氣式膜結構

膜材料為乙烯與四氟化乙烯合成之改性共聚物,一般通稱為透明膜,此種材料最初用於航太領域。具有優良的耐候性、幾乎透明的透光性、抗污性及35年以上的使用壽命,且能引進植物生長所需的紫外線,故一般多用於溫室、植栽或是有特殊設計需求的地方。

由於其材料不具纖維,且材料本身強度及延展性沒有PTFE及PVC來的好,亦無法使用傳統反力張拉施工方式。故常見的施工法為使用二層或三層氣枕之充氣式結構,配合壓力偵測器及充氣機,用氣壓將膜材撐開,以彌補先天的不足。另外亦有使用單層ETFE之情形,但多用在小面積之結構上,大型結構例如球場、球場看台等等,必須使用充氣式結構。

參考[編輯]

注釋[編輯]