【干貨】四川張拉膜結(jié)構(gòu)技術(shù)一覽！

張拉膜帷幕是膜結(jié)構(gòu)在建筑外圍護結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，非傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式充滿張力且富于變化的曲面形態(tài)，透明半透明膜材構(gòu)成了亮堂、溫馨、浪漫的空間環(huán)境。

張拉膜結(jié)構(gòu)可使建筑師設(shè)計出各種張力自平衡、復雜且生動的空間形式，在一天內(nèi)隨光線變化，雕塑般的膜結(jié)構(gòu)通過光與影可呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。日出和日落時，低入射角度的光線將凸顯屋頂?shù)那屎透〉裥Ч栁挥谶h地點時，膜結(jié)構(gòu)的流線型邊界在地面上投入彎彎曲曲的影子，利用膜材的透光性和反射性，經(jīng)過設(shè)計的人工燈光也可使膜結(jié)構(gòu)成為光的雕塑。

索膜建筑的靈魂——預張力

索膜結(jié)構(gòu)之所以能滿足大跨度自由空間的技術(shù)要點，最關(guān)鍵的就是其有效的空間預張力系統(tǒng)。索膜建筑是“預應(yīng)力軟殼”，是預張力使“軟殼”各個部分（索、膜）在各種最不利荷載下的內(nèi)力始終大于零（永遠處于拉伸狀態(tài)），它使“軟殼”成為空間整體工作的結(jié)構(gòu)媒體和建

筑外維護材料，索膜結(jié)構(gòu)跨界于建筑與結(jié)構(gòu)之間。

預張力在索膜建筑中的關(guān)鍵作用

1、使索膜建筑富有迷人的張力曲線和變幻莫測的空間。

2、使整體空間結(jié)構(gòu)體系得以協(xié)同工作。

3、使體系得以覆蓋大面積、大跨度的自由空間。

4、使體系得以抵抗狂風、大雪等極不利荷載狀況。

5、使膜體減少磨損、延長使用壽命，成為永久建筑。

6、使索膜建筑得以順暢排水。

7、索膜建筑成為“可上人屋面”，為檢修提供便利條件。

張拉膜的特點

1、輕質(zhì)

張力結(jié)構(gòu)自重小的原因在于它依靠預應(yīng)力形態(tài)而非材料來保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而使其自重比傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)的小得多，但卻具有良好的穩(wěn)定性。建筑師可以利用其輕質(zhì)大跨的特點設(shè)計和組織結(jié)構(gòu)細部構(gòu)件，將其輕盈和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)特性有機地統(tǒng)一起來。

圖片

2、透光性

透光性是現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)最被廣泛認可的特性之一。膜材的透光性可以為建筑提供所需的照度，這對于建筑節(jié)能十分重要，尤其是對采光要求較高的商業(yè)建筑。通過自然采光與人工采光的綜合利用，膜材透光性可為建筑設(shè)計提供更大的美學創(chuàng)作空間；夜晚，透光性將膜結(jié)構(gòu)變成了光的雕塑。

3、柔性

張拉膜結(jié)構(gòu)不是剛性的，其在風荷載或雪荷載的作用下會產(chǎn)生變形。膜結(jié)構(gòu)通過變形來適應(yīng)外荷載，在此過程中荷載作用方向上的膜面曲率半徑會減小，直至能更有效抵抗該荷載。張拉結(jié)構(gòu)的靈活性使其可以產(chǎn)生很大的位移而不發(fā)生永久性變形，膜材的彈性性能和預應(yīng)力水平?jīng)Q定了膜結(jié)構(gòu)的變形和反應(yīng)，適應(yīng)自然的柔性特點可以激發(fā)人們的建筑設(shè)計靈感。

4、雕塑感

張拉膜結(jié)構(gòu)的獨特曲面外形使其具有強烈的雕塑感，膜面通過張力達到自平衡，負高斯膜面高低起伏具有的平衡感，使體型較大的結(jié)構(gòu)，看上去像擺脫了重力的束縛般輕盈地飄浮于天地之間，無論室內(nèi)還是室外這種雕塑般的質(zhì)感都令人激動。

5、安全性

按照現(xiàn)有的各國規(guī)范和指南設(shè)計的的輕型張拉膜結(jié)構(gòu)具有足夠的安全性，輕型結(jié)構(gòu)在地震等水平荷載作用下能保持很好的穩(wěn)定性、由于自重較輕，即使發(fā)生意外坍塌，其危險性也較傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)小，膜結(jié)構(gòu)發(fā)生撕裂時，若結(jié)構(gòu)布置能保證桅桿、梁等剛性支承構(gòu)件不發(fā)生坍塌，其危險性會更小。

膜材種類及其主要特性

用于膜結(jié)構(gòu)中的高強度柔韌薄膜稱為張拉膜材料。它是一種耐久且高強度的涂層織物，由織物和涂層復合而成，具有質(zhì)地柔韌、厚度小、重量輕、透光性好的特點，還具有良好的防火、氣密等特性。

常用建筑膜材根據(jù)其材料特性的分為A（PTFE）、B、C (PVC) 三類

A類：PTFE，以玻璃纖維織物為基材涂PTFE（永久膜材）而成

PTFE材料的主要特點:強度高、彈性模量大、自潔、耐久耐火等性能好，但價格較貴，不易折疊，對裁剪制作精度要求較高，壽命一般在30年以上，適用于永久建筑。

B類: PVC，以玻璃纖維織物為基材涂PVC而成（目前較少使用）

C類 : PVC，以聚酯（滌綸）織物為基材涂PVC而成

PVC材料的主要特點:強度低、彈性大、易老化、徐變大、自潔性、耐久防火性差，價格便宜，容易加工制作，色彩豐富，抗折疊性能好。在其表面涂一層聚四氟乙烯涂層, 可以提高其抗老化和自潔能力，壽命可達到15年左右。

由ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）生料直接制成，這種膜材透光性好、質(zhì)量輕，為同等大小玻璃的1%。韌性好、抗拉強度較低、延展性大于400%，不易被撕裂。耐候性和耐化學腐蝕性強，熔融溫度高達200℃，可有效利用自然光，節(jié)約能源，具有良好的聲學性能，自清潔能力。

ETFE膜可單層使用，因強度較低，常與索網(wǎng)結(jié)合使用。也可制成氣枕形，但對周邊環(huán)境有較高的要求，在使用中需避免發(fā)生損壞材料而造成漏氣的情況，需要注意日常維護避免產(chǎn)生變形。

張拉膜建筑的設(shè)計技術(shù)

膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計步驟

形態(tài)及體系設(shè)計

1、確定建筑平、立面形狀尺寸。

2、三維造型、凈空體量確定。

3、各控制點坐標及結(jié)構(gòu)形式。

初始體形設(shè)計

1、生成形狀穩(wěn)定、應(yīng)力分布均勻的三維平衡曲面。

2、能夠抵抗各種可能的荷載工況。

3、體形設(shè)計需要一個反復修正的過程。

體形分析

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，因此膜結(jié)構(gòu)對地震力有良好的適應(yīng)性，而對風的作用較為敏感;此外還要考慮雪荷載和活荷載的作用，由于目前相關(guān)資料較少，因此對膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計通常采用安全系數(shù)法。

荷載態(tài)分析

通過找形得到結(jié)構(gòu)的幾何形狀和相應(yīng)的預應(yīng)力分布，進行荷載態(tài)響應(yīng)分析。荷載取值、風荷載的確定方法要針對索膜結(jié)構(gòu)的特殊位置，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的確定、對支承結(jié)構(gòu)的有限元分析。

荷載態(tài)分析目的

檢查在各種荷載組合作用下結(jié)構(gòu)的剛度是否足夠、膜面的應(yīng)力和變形是否在許可范圍內(nèi)，保證膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定并盡量避免褶皺的出現(xiàn)，保證膜材不會因變形過大而導致應(yīng)力松弛或因應(yīng)力過大而導致破壞，并保證結(jié)構(gòu)在風、雪荷載作用下不會因變形或振動過大而影響結(jié)構(gòu)的使用功能等等。

膜結(jié)構(gòu)在方案階段需要考慮的問題有

1、預張力的大小及張拉方式。

2、根據(jù)控制荷載來確定膜片的大小和索的布置方式。

3、考慮膜面及其固定件的形狀以避免積水（雪）。

4、關(guān)鍵節(jié)點的設(shè)計，以避免應(yīng)力集中。

5、考慮膜材的運輸和吊裝。

6、耐久性與防火考慮。

在膜結(jié)構(gòu)設(shè)計階段所要考慮的要點有

1、保證膜面有足夠的曲率，以獲得較大的剛度和美學效果。

2、細化支承結(jié)構(gòu)，以充分表達透明的空間和輕巧的形狀。

3、簡化膜與支承結(jié)構(gòu)間的連接節(jié)點，降低現(xiàn)場施工量。

解決主要問題

1、找形（Form-finding）或更進一步叫“形態(tài)理論”。

2、考慮膜材松弛和各向異性下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

3、結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的動力穩(wěn)定性。

4、裁剪優(yōu)化。

5、膜與索及支承結(jié)構(gòu)間的相互作用。

膜材料本身沒有抗壓和抗彎強度，抗剪強度也很弱，其剛度和穩(wěn)定性需要靠膜曲面的曲率變化和其中預張應(yīng)力來提供。對膜結(jié)構(gòu)而言，任何時候不存在無應(yīng)力狀態(tài)，膜曲面形狀最終必須滿足在一定邊界條件、一定預應(yīng)力條件下的力學平衡，以此為基準進行荷載分析和剪裁設(shè)計。

膜領(lǐng)域結(jié)構(gòu)的3種形式，從結(jié)構(gòu)上分可分為：骨架式膜結(jié)構(gòu)、張拉式膜結(jié)構(gòu)以及充氣式膜結(jié)構(gòu)。

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，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，因屋頂造型比較單純,開口部不易受限制，且經(jīng)濟效益高等特點，廣泛適用于任何大,小規(guī)模的空間。

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入張力以達安定的形式，除了可實踐具創(chuàng)意，創(chuàng)新且美觀的造型外,也是最能展現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)精神的構(gòu)造形式.。大型跨距空間也多因施工精度要求高，結(jié)構(gòu)性能強，且具豐富的表現(xiàn)力，所以造價略高于骨架式膜結(jié)構(gòu)。

充氣式膜結(jié)構(gòu)

充氣式膜結(jié)構(gòu)是將膜材固定于屋頂結(jié)周邊，利用送風系統(tǒng)讓室內(nèi)氣壓上升到一定壓力后，使屋頂內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，以抵抗外力，利用氣壓來支撐。鋼索作為輔助材,無需任何梁、柱支撐，可得到更大的空間，施工快捷，經(jīng)濟效益高，但需維持24小時送風機運轉(zhuǎn)，在持續(xù)運行及機器維護費用的成本上較高。

荷載分析

膜結(jié)構(gòu)考慮的荷載一般是風載和雪載。在荷載作用下膜曲面的變形較大，且隨著受荷載形狀的改變，荷載分布也在改變。在外荷載作用下，膜應(yīng)力將會在一個方向應(yīng)力增加而另一個方向應(yīng)力減少，這就要求施加初始張應(yīng)力的程度要滿足在最不利荷載作用下應(yīng)力不至于減少到零，即不出現(xiàn)皺褶。

裁剪設(shè)計

經(jīng)過找形分析而形成的膜結(jié)構(gòu)通常為三維不可展空間曲面，進行二維材料的裁剪，通過張拉形成所需要的三維空間曲面，是膜結(jié)構(gòu)工程中一個關(guān)，也是膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個獨特之處。

膜片連接

可靠連續(xù)——熱熔、機械壓緊、穿戴索扣、接頭栓接、套夾連接……

膜片與鋼索的連接

避免直接受力穿過切割膜材，盡量增加均勻受力點。

膜片與鋼索的連接

避免直接受力穿過切割膜材，盡量增加均勻受力點。

膜片的張力形成

彎管起拱使得坡度形成拱頂膜材，拉接受力點在旱溝內(nèi)，避免泡浸。

索與索連接

應(yīng)符合索網(wǎng)幕墻有關(guān)規(guī)定，膜本身具備彈性變形，可考慮代替彈簧構(gòu)造，考慮膜和索徐變松弛后的索力調(diào)整方法。

鋼索的設(shè)計和生產(chǎn)與索結(jié)構(gòu)設(shè)計無二，柱頭、柱腳的設(shè)計與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計無二。預張力施加方式以現(xiàn)象測量為依據(jù)，拒絕過緊或太松。

膜結(jié)構(gòu)項目實施主要步驟

模型試驗

張拉膜工程的試驗如同幕墻四性試驗，但更像風洞試驗，主要驗證找形、裁料和張力的均勻性，評估其長期穩(wěn)定性。

索膜結(jié)構(gòu)工程案件分享

索膜結(jié)構(gòu)，在當下應(yīng)用廣泛，無論是大型公建，還是在小型裝飾中，都有一定的涉及，其應(yīng)用場景包括：

文化設(shè)施——展覽中心、劇場、會議廳、博物館、植物園、水族館。

體育設(shè)施——體育場、體育館、健身中心、游泳館、網(wǎng)球館、籃球館。

商業(yè)設(shè)施——商場、購物中心、酒店、餐廳、商店門頭（挑檐）、商業(yè)街。

交通設(shè)施——機場、火車站、公交車站、收費站、碼頭、加油站、天橋連廊。

工業(yè)設(shè)施——工廠、倉庫、科研中心、處理中心、溫室、物流中心。

景觀設(shè)施——建筑入口、標志性小品、步行街、停車場。

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