
膜材料 膜材料是指用于膜結構中的高強度柔韌性薄膜,包括織物膜材和熱塑性化合物膜材(非織物膜材)。膜材料是膜結構建筑中的主要結構材料。 織物膜材是一種耐用、高強度的涂層織物,是在用纖維支撐的基布上涂敷樹(shù)脂或橡膠等高分子聚合物而制成,具有質(zhì)地柔韌、厚度小、重量輕、透光性好、強度高等特點(diǎn)。
織物膜材的構成
用途和分類(lèi)
纖維基布
纖維基布由各種織物纖維編織而成,決定膜材的結構力學(xué)性能,通常有聚酯纖維基布和玻璃纖維基布兩種。
涂層
涂層保護基布,具有防水防潮、抗污染、耐久等功能,可以為單層或多層、單面或多面,常見(jiàn)的有聚氯乙烯(PVC)樹(shù)脂涂層和聚四氟乙烯(PTFE)樹(shù)脂涂層,膜材因此層的差別分為PVC膜材和PTFE膜材。
表面處理層
表面處理層常常具有自潔性能、抗紫外線(xiàn)和耐久性能,此層的差別對膜材的自潔性能和耐久性能影響非常大,其中PVC膜材因此層的不同常常分為丙烯酸(Acrylic)膜材、偏聚氟乙烯(PVDF)膜材、聚氟乙烯(PVF)膜材等。
粘膠層
纖維基布、各涂層以及面層之間常用粘膠層連接,粘膠劑主要有聚亞安酯和聚碳酸酯,聚亞安酯比較便宜,常用于室內膜;而聚碳酸酯抗紫外線(xiàn)能力強,常用于室外膜。
膜結構建筑為什么會(huì )臟?
很多膜材表面涂層采用液體增塑劑以使膜材達到一定的柔韌性,隨著(zhù)時(shí)間的變化,這些液體增塑劑的一小部分會(huì )慢慢遷移到膜材的表面,而使膜材表面變得有粘性且很難清洗,從而使得灰塵和其它空氣夾帶中的污染物很容易附著(zhù)在膜材表面而變臟。研究表明,紫外線(xiàn)、高溫和環(huán)境污染都會(huì )加速增塑劑的遷移過(guò)程。
表面處理系統是如何起作用的?
表面處理層被附著(zhù)在織物膜材的表面,為膜材提供一層隔離外部環(huán)境的保護層。這層隔離層能將增塑劑的遷移降到最低,并為膜材提供一層抵擋污物的硬保護層。表面處理層保護、隔離的效果和長(cháng)期性能取決于表面處理層的化學(xué)成分和厚度。
絕大多數溶液涂敷型表面處理層都采用透明的丙烯酸樹(shù)脂作為主要聚合體,包括普通可焊接的偏聚氟乙烯(PVDF)表面處理層,這些表面處理層的厚度常常在0.1密耳(0.00254毫米)至0.4密耳(0.01016毫米)之間。而BRITE建筑膜材的含氟聚合物表面處理層厚度在1.0密耳(0.0254毫米)至1.5密耳(0.0381毫米)之間。
Shelter-Rite建筑膜材表面處理系統
美國西幔公司Shelter-Rite建筑膜材有四種表面處理層,包括丙烯酸、普通偏聚氟乙烯(PVDF)、Kynar含氟聚合物和Tedlar含氟聚合物。表面處理層的作用主要是提高膜材的美觀(guān)感受和自潔性能,最好的表面處理層比如Tedlar PVF覆膜,不但有極強的自潔性能,還有很強的抗紫外線(xiàn)性能,從而提高膜材的使用壽命。
膜結構及其分類(lèi)
所謂膜結構,是指結構的一部分或全部采用膜材料作為力學(xué)結構因素的結構物。由于建筑膜材本身不具有剛度和固定的形狀,即在自然狀態(tài)下不具有承載能力。因此,根據不同的受力特性,膜結構大致可分為張拉式膜結構、骨架式膜結構、組合式膜結構以及充氣式膜結構等幾大類(lèi)。
1. 張拉式膜結構是通過(guò)拉索將膜材料張拉于結構上而形成的構造形式。由于膜材是柔性結構,本身沒(méi)有抗拉、抗壓能力,抗彎能力也很差,完全靠外部施加的預應力保持其形狀,即使在無(wú)外力且不考慮自重的情況下,也存在著(zhù)相當大的拉應力,膜表面通過(guò)自身曲率變化達到內外力平衡。張拉式膜結構是現代膜結構建筑的重要組成部分,膜面一般為負高斯曲面,因此,它體形豐富、自然流暢、曲面柔美,倍受建筑師們的青睞。但這種結構體系受力分析復雜,對施工精度要求高,因此,其設計計算、加工制作及施工工藝難度都較大。
2. 骨架式膜結構在鋼架或其他材料的骨架上鋪裝膜材料,由此構成屋頂或外墻壁的構造形式。形態(tài)有平面形、單曲面形和以鞍形為代表的雙曲線(xiàn)形。骨架式膜結構是自身封閉的、穩定的骨架體系(一般是鋼桁架體系、網(wǎng)架結構、索網(wǎng)結構或張拉整體體系等)與膜材料共同組成一個(gè)結構受力體系。該體系施工與常規結構相似(除索網(wǎng)或張拉整體體系等的自身施工外),較易被工程界理解和接受,但為了讓膜具有一定的剛度,骨架體系提供給膜的支撐系統一般要有一定的曲度,并應設置向膜中施加預應力的機構。
3. 組合式膜結構通常為在自身穩定的桁架體系上劃分若干個(gè)單元,每個(gè)單元上布置張拉式膜結構單元,膜單元之間在受力上基本上是相互獨立的,可以認為是多個(gè)簡(jiǎn)單張拉式膜結構單體的物理組合,受力的復雜性介于張拉式膜結構與骨架式膜結構之間。這種體系在目前膜結構體育場(chǎng)罩篷中也有較廣泛的應用。
4. 充氣式膜結構的通常需要向構造內充入氣體,以使膜材達到一定的剛度和形狀而承受荷載,根據充氣形式的不同,通??煞譃闅獬惺侥そY構、氣肋式膜結構和氣枕式膜結構。
a) 氣承式膜結構(Air-supported membrane structure) ,是通過(guò)壓力控制系統向建筑物室內充氣,使室內外保持一定的壓力差,膜體受到上浮力,并產(chǎn)生一定的預張力,以保證體系的剛度。室內設置空壓自動(dòng)調節系統,來(lái)不斷地調整室內氣壓,以適應外部荷載的變化。
b) 氣肋式膜結構(Air-inflated membrane structure),是向單個(gè)膜構件內充氣,使其保持足夠的內壓,多個(gè)膜構件進(jìn)行組合形成一定形狀的一個(gè)整體受力體系,這種結構對膜材自身的氣密性要求很高,或需不斷地向膜結構構件內充氣。氣肋式膜結構也常叫氣囊式膜結構
c) 氣枕式膜結構(Air-inflated cushion membrane structure),是向封閉氣枕內充入一定壓力的氣體,以形成具有一定剛度和形狀的構件,再由多個(gè)這種構件相互連接形成使用空間。
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氣承式膜結構 |
氣肋式膜結構 |
氣枕式膜結構 |
膜結構的特點(diǎn)
雖然各種類(lèi)型的膜結構形式在受力分析、設計構造、制作安裝等方面難易程度有很大差別,應用上也不盡相同,但它們往往有如下共同特點(diǎn):
1. 設計靈活。由于膜結構采用膜材作為結構材料,膜材的彈性模量較低而有一定的柔韌性,從而能充分發(fā)揮建筑師的想象力和創(chuàng )造力,在建筑外形、空間設計、顏色搭配、采光通風(fēng)等方面都給建筑師(設計師)極大的靈活性;使用范圍廣,可以小到單人帳蓬、花園小品,大到覆蓋幾萬(wàn)、幾十萬(wàn)平方米的建筑;膜結構突破了傳統的建筑結構形式,常常能設計成極富時(shí)代氣息的現代建筑,是典型的21世紀的建筑形式。
2. 自重輕。膜結構屋面重量?jì)H為傳統屋面的1/30 左右;在大跨度的結構中采用膜結構要比傳統結構輕一個(gè)或幾個(gè)數量級,且單位面積的結構自重與造價(jià)也不會(huì )隨跨度的增加而明顯地增加。
3. 施工速度快。膜材的裁剪制作、鋼索及鋼結構等制作均在工廠(chǎng)內完成,可與下部支撐結構或構件等同時(shí)進(jìn)行,在施工現場(chǎng)只需將工廠(chǎng)預制好的膜材和構件和現場(chǎng)結構連接、裝備起來(lái),現場(chǎng)的施工安裝文明、迅速快捷;由于膜結構工廠(chǎng)化程度高,容易易做成可拆卸結構,易于運輸,可用作巡回演出、展覽等用途。
4. 使用安全可靠、維護簡(jiǎn)單方便。由于其自重輕、抗震性能較好;膜結構屬柔性結構,能夠忍受很大的位移,不易整體倒塌;而且膜材料一般都是阻燃材料,也不易造成火災;膜結構建筑的日常維護費用極小,常被稱(chēng)為“免維護結構”。
5. 節能環(huán)保。由于膜結構采用的膜材料一般都有一定的透光率,可充分利用自然光,白天使用不需人工照明,也能滿(mǎn)足各種建筑內部活動(dòng)需要;同時(shí)膜材料對光有一定的折射率和反射率,對一些特定的結構形式比如氣承式膜結構,往往能節省大量室內能耗;膜材是一種化學(xué)建材,可大大減少鋼材、水泥、沙子等傳統建材的消耗。
6. 經(jīng)濟效益明顯。鑒于以上原因,較其他傳統的建筑結構形式,膜結構建筑的經(jīng)濟效益顯著(zhù)。
* *Shelter-Rite和BRITE是美國西幔公司的注冊商標。
* *Tedlar是美國杜邦公司的注冊商標。
* *Kynar是法國阿科瑪公司的注冊商標。