空間膜

　　空間膜又稱膜結構、張拉膜結構Tensioned Membrane structure）， 是以建筑織物，即膜材料為張拉主體，與支撐構件或拉索共同組成的結 構體系，它以其新穎獨特的建筑造型，良好的受力特點，成為大跨度空 間結構的主要形式之一。
　　概述
　　天發(fā)空間膜-專業(yè)的膜結構設計專家
　　膜材料是指以聚酯纖維基布或PVDF、PVF、PTFE等不同的表面涂層，配以優(yōu)質的PVC組成的具有穩(wěn)定的形狀，并可承受一定載荷的建筑紡織品。它的壽命因不同的表面涂層而異，一般可達成12—50年。
　　膜結構建筑的特點及應用領域
　　空間膜是一種全新的建筑結構形式，它集建筑學、結構力學、精細化工與材料科學、計算機技術等為一體，具有很高技術含量。其曲面可以隨著建筑師的設計需要任意變化，結合整體環(huán)境，建造出標志性的形象工程。
　　藝術性：充分發(fā)揮建筑師的想象力，又體現(xiàn)結構構件清晰受力之美。
　　
　　經濟性：由于膜材具有一定的透光率，白天可減少照明強度和時間，能很好地節(jié)約能源。同時夜間彩燈透射形成的絢爛景觀也能達到很好的廣告宣傳效益。 大跨度：膜結構可以從根本克服傳統(tǒng)結構在大跨度（無支撐）建筑上實現(xiàn)所遇到的困難，可創(chuàng)造巨大的無遮擋可視空間，有效增加空間使用面積。 自潔性：膜建筑中采用具有防護涂層的膜材，可使建筑具有良好的自潔效果，同時保證建筑的使用壽命。 工期短：膜建筑工程中所有加工和制作均在工廠內完成，可減少現(xiàn)場施工時間，避免出現(xiàn)施工交叉，相對傳統(tǒng)建筑工程工期較短。膜建筑可廣泛應用于大型公共設施：體育場館的屋頂系統(tǒng)、機場大廳、展覽中心、購物中心、站臺等，又可以用于休閑設施、使用工業(yè)設施及標志性或景觀性建筑小品等。
　　空間膜結構選型
　　空間膜結構選型-天發(fā)空間膜設計專家
　　1、 除小跨度結構外，膜結構中的膜材總是與其他構件共同承重。目前，國內外對膜結構的形式有很多種不同分類方法，尚未統(tǒng)一。本規(guī)程按膜材及其相關構件的受力方式分成四種形式，是一種比較科學的分類方法。
　　2、 整體張拉式膜結構主要由索和膜構成，兩者共同起承重作用，通過支承點和錨固點形成整體。骨架支承式膜結構由鋼構件（如拱、鋼架）或其他鋼性結構起承重作用，膜材主要起圍護作用。
　　3、 索系支承式膜結構主要由索、桿和膜構成，三者共同起承重作用。在通常所稱的張拉整體（tensegrity）結構中，如采用膜材，即屬于索系支承膜結構。另外比較流行的索穹頂結構（cabledome）也屬于此類。
　　4、 以空氣作為一種支承方式，是膜結構的一個特點，一般也成為充氣結構，其設計與構造與傳統(tǒng)結構有許多不同之處。
　　建筑設計
　　1、 膜結構建筑的表現(xiàn)方式與一般建筑有所不同，在建筑單位方案設計階段，就應充分考慮到不同表現(xiàn)方式的相容與協(xié)調，并注意利用膜結構建筑技術所具有的形象特點，因勢利導。膜結構建筑的方案設計應由建筑師與膜結構工程師共同完成。設計時首先應考慮膜結構體系的特殊性，從建筑功能和結構受力性能入手，創(chuàng)造出形式完美、構造合理的膜結構建筑。
　　2、 各國對于膜材的耐火等級和防火要求各不相同。一般來說，耐火等級與材料價格直接有關。當有條件時應盡量采用不然類膜材。當永久性建筑采用阻燃類膜材時，尚應根據(jù)當?shù)叵�防部門的要求采取必要的防火措施。
　　3、 結構建筑采用的膜材一般均具有透光特性。由于漫射光的作用，膜材覆蓋的空間內將呈現(xiàn)特殊的光學效果（有明顯光感但無陰影），建筑設計中應予以合理利用。采用雙層膜構造時，應考慮到透光率的折減。
　　4、膜結構建筑的保溫隔熱性能較差，目前已廣泛使用的膜材，自身并不能較好的隔絕外部溫度的影響。單層膜結構僅適用于敞開式建筑或氣候較溫和的地區(qū)。對于封閉式建筑，應注意采用其他構造方式解決保溫隔熱問題。雙層膜構造可以較好的滿足保溫、隔熱要求，兩層之間的空氣隔離層一般為30cm左右，但應注意處理雙層膜內部結露問題。
　　5、膜結構建筑應有足夠的坡度以解決排水問題并預防積雪。屋面排水設計從方案階段就應予重視，一面造成重大工程隱患。采取有組織排水式時，應注意采取對建筑物墻面或地面的防污染措施。
　　從空氣支承膜結構過去發(fā)生的事故來看，大部分是在強風或大雪時，膜結構產生大變形而使膜材于內部或外部物體相碰，在接觸點處膜材受到損壞，導致膜結構破壞。因此，膜材與內部、外部物體應保持一定距離，即使在最不利工況下也不應接觸。
　　此外，物體如有尖角、銳角，也應加以防護。
　　結構設計
　　1、國家標準《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》GB50068修訂后對結構重要性系數(shù)X做了兩點改變：（1）X不僅考慮結構的安全等級，而且考慮了結構的設計使用年限；（2）將原標準X取值中的“等于”改為“不應小于”，使不同投資者對結構安全度設計有更多的選擇余地。對于一般工業(yè)與民用建筑膜結構，其安全等級多為二級，其設計使用年限多為50年，因此其結構重要性系數(shù)不應小于1.0；對于設計使用年限為15~25年的易于更換膜材的膜結構，其結構重要性系數(shù)可適當降低，取為不小于0.95；對于設計使用年限為5年的臨時性的膜結構，其結構重要系數(shù)可取不小于0.9.應該指出，膜結構下部的鋼或鋼筋混凝土承重結構，其設計使用年限仍可采用50年，當膜結構達到設計使用年限時，可以更換膜材，從而達到與下部結構同樣的設計使用年限。
　　2、本條系根據(jù)現(xiàn)行國家標準《建筑結構荷載規(guī)范》GB50009的規(guī)定，對于承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，分別根據(jù)不同的設計要求采用不同的荷載組合。結合膜結構的具體情況，按承載能力極限狀態(tài)設計時，只考慮荷載效應的基本組合，采用荷載設計值和強度設計值進行計算，不考慮偶然組合；按正常使用極限狀態(tài)設計時，只考慮荷載效應的標準組合，采用荷載標準值、組合值和變形限值進行計算，不考慮其他組合。
　　3、本條列出了作用在膜結構上的各種荷載，其中溫度變化、支座不均勻沉降和施工荷載可根據(jù)工程具體情況予以考慮，地震作用在本規(guī)程第5.1.5條中規(guī)律可不考慮。施工荷載可根據(jù)工程安裝的特點確定，有時不僅要考慮均布荷載，還有考慮安裝或檢修時的集中荷載。
　　4、目前，我國的膜結構設計都參照國外的設計規(guī)范進行，荷載組合采用長期與短期兩種情況（日本規(guī)范稱為持久與臨時荷載），并分別規(guī)定了不同的安全系數(shù)。由于膜結構受力具有較強的幾何非線性，其各項荷載效應不能進行線性組合，因此本條規(guī)定采用兩種組合類別，其中，第一類組合相當于長期（持久）荷載組合，第二類組合相當于短期（臨時）荷載組合，并以抗力分項系數(shù)進行調節(jié)。
　　
　　5、風荷載是膜結構的主要荷載。由于膜結構的體型較復雜，而《建筑結構荷載規(guī)范》GB50009所提供的建筑體型有限，所以膜結構的風荷載體型系數(shù)一般需要通過風洞試驗來確定。當所設計的膜結構為園林景觀小品或臨時性建筑時，可參考以往的工程經驗確定風荷載體型系數(shù)。
　　6、作為屋面的膜結構多為負高斯曲率曲面，結構上所受的雪荷載一般為非均勻分布，因此應根據(jù)不同的曲面形狀、曲率變化調整雪荷載分布系數(shù)的取值。
　　7、膜結構設計中，除了保證結構體系的整體穩(wěn)定外，還應保證在局部膜片破壞或局部索推出工作時不致引起結構整體失效。由于膜材在拉力作用下存在松弛、徐變等問題，張拉式膜結構在正常使用1~2年后需要進行第二次張拉，結構設計時應考慮兩次張拉對結構整體的影響。
　　由于材料自身存在老化問題，各類膜材均有一定的使用年限。對于永久性建筑，當膜材達到使用年限或部分膜片在使用期間出現(xiàn)破損時，需要進行更換，這一點在結構整體設計時宜予以考慮。
　　空間膜的裁剪制作方法
　　裁剪方法簡介
　　膜結構的裁剪拼接過程無論如何都是會有誤差的，這是因為首先用平面膜片拼成空間曲面就一定會有誤差，其次膜布是各向異性非線性材料，在把它張拉成曲率變化多端的空間形狀時，不可避免的會與初始設計形狀有出入。迄今為止，已建立了很多種方法來處理這一問題。很難評價哪個方法的精確度一定就高，但還是有幾個標準可以用來判斷這些裁剪方法是否實用。那就是可靠性、靈活性和完成時間。 2．膜結構交互式裁剪過程
　　裁剪縫的布置
　　布置膜結構表面裁剪縫時要考慮以下幾個因素:
　　1）表面曲率 以前的裁剪方法都無法給出曲面任一點處的曲率。而本軟件因為采用的是曲面膜單元，所以可以得到每個單元的曲率。如果相鄰單元曲率相差很大，說明在這個位置，曲面扭曲的很嚴重，如果裁剪縫在此處不切斷重新開始，那么裁剪膜塊的邊界在此處就會有很大的弧形。從相鄰單元曲率的變化趨勢，可以判斷出測地線的大致走向。
　　2）膜材料的幅寬 找形分析過程中的平面網格劃分時，就要考慮到膜材料的幅寬。盡量使一塊膜布中包含的膜單元是完整的，否則還要通過插值計算確定膜塊邊界點的位置。
　　3）邊界的走向 如果邊界比較平直，可以考慮用一個膜塊的長邊作為這條邊界。否則只能用多個膜塊的短邊拼接成這條邊界。
　　4）美觀 因為膜材料具有透光性，實際結構中可以清楚地看見焊縫，所以裁剪縫的布置一定要規(guī)則、合理，最好能形成一些漂亮的圖案以增加結構的美感。如果膜表面設置有壓索或脊索， 那么最好使裁剪縫與壓索或脊索重合，使索不至于打亂焊縫的圖案布置。
　　空間膜的維護
　　空間膜結構需要維護的頻度由設計、功能、美觀、材料和場地環(huán)境等許多因素決定，維護的頻度從“幾乎不用維護”到“定期維護”不等。為了滿足客戶需求，維護的概念設計應該納入到統(tǒng)一的設計過程中。一年一次的目測檢查和惡劣天氣之后的隨時檢查應該滿足的最低要求。
　　需要考慮的六種典型維護要求如下面各小節(jié)所述。
　　1、 清潔
　　膜面上污垢的堆積與當?shù)氐沫h(huán)境條件、膜材特性和膜面的形狀有關。從技術的角度看，膜結構不一定需要清洗。對于大多數(shù)膜材而言，清洗不能延長其工作壽命，相反，不恰當?shù)那逑催�會縮短其壽命。在設計和膜材選擇中影響污垢堆積的因素有：
　　（1） 當?shù)氐慕邓�量和頻率。
　　（2） 空氣污染情況。
　　（3） 與落葉樹木和粘性花粉樹木間的距離。
　　（4） 鴿子和海鷗等鳥類的排泄物。
　　（5） 屋面的傾斜程度（盡量避免較小的坡度,因為降雨不能完全排走，剩余水分的蒸發(fā)后會有污漬殘留）。
　　（6） 涂層不沾灰塵的惰性。
　　（7） 在編織和涂覆前膜材纖維受化學品污染的程度。
　　為了便于清潔，在設計階段應考慮設置清洗人員上屋頂?shù)耐ǖ篮捅阌诎踩�索和保險繩固定的連接件。清洗工作應該按照加工商提供的操作手冊進行。
　　清潔時應該保證不破壞PVDF或FEP等涂層膜材的表面處理層。因此，不可使用擦洗劑、強溶劑、硬刷和高壓水槍。此外，清洗人員在屋面行走時必須穿軟底謝。
　　膜面在潮濕狀態(tài)下會很滑，因此應使用安全繩及防墜網等安全措施。考慮到在清洗老舊建筑時可能發(fā)生斷裂等破壞，故應在其下面布置安全網。
　　與家用肥皂或餐具清潔劑相比，一般的膜材清洗劑通常是相對安全的，但也必須避免其與皮膚、眼睛和粘膜的長期接觸。
　　必須嚴格遵守清洗劑供應商提供的安全使用說明。
　　清潔手冊一般包括下列內容：
　　(1) 大顆粒積灰應該用清水沖洗。
　　(2) 使用加工商指定的清洗劑并配套使用相應的軟刷、海綿以及清洗設備清洗膜面，并用清水沖洗以便在膜面干燥（考慮到風和太陽的作用）前將灰塵和清洗劑沖走。
　　(3) 讓清洗劑作用幾分鐘，但是要避免清洗區(qū)域被風干。
　　(4) 對于頑固污漬可能需要高濃度清洗劑（可以參考生產商的說明和膜材樣本的測試）刷洗，但要避免刮掉膜材的面層。
　　(5) 用清水沖洗清洗過的膜面直至沒有清洗劑殘留在膜面上為止。
　　使用清洗機很有可能會損壞涂層甚至沖漏膜材。為避免其發(fā)生，清潔機應配上安全防護裝置以使噴水嘴不致距膜面太近。一個簡單且便于判別的準則是能使皮膚感覺疼痛的物體都可能對膜材造成損害。
　　2、 腐蝕
　　應該根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境來選擇防腐措施和防腐材料。定期檢查支承結構、索（特別是那些深入固定端的）、夾板和螺栓連接等處的腐蝕情況。若有腐蝕發(fā)生，首先應該除去腐蝕層，然后重新做好表面的防腐處理。若螺栓連接發(fā)生腐蝕，則應予以替換。
　　3、 排水和積水
　　由于荷載作用下膜材會產生變形，膜面坡度較小處可能會有積水。降雨或者降雪較大及雪融后，應對張拉膜結構進行監(jiān)測以避免產生積水。
　　如果產生積水，必須立即清除積水或積雪。如果雨雪天氣持續(xù)不斷，積水會使膜材破壞，故要對公眾關閉膜面覆蓋的空間，并立即采取措施避免新的積水。
　　如果屋頂設有排水道，就必須定期予以檢查和清掃，使其不致因樹葉或其他雜物堆積而堵塞。
　　4、 預應力和二次張拉
　　膜結構的穩(wěn)定依賴于膜內預應力的保持。預應力的水平影響膜在荷載作用下的變形。如果預應力太低，膜就會產生較大位移，在風作用下發(fā)生顫振。
　　因為膜材在荷載的持續(xù)作用下會產生松弛和徐變，所以在使用期間膜內預應力會發(fā)生變化。用于特定結構的膜材性能可以通過雙軸試驗來確定，并應用于預應力設計中。處理膜材料在使用期內產生的松弛和徐變的處理方法有兩種，其一是安裝時施加一個較高的初始應力，其二是使用一段時間之后實施二次張拉。
　　負責結構設計的工程師必須預先給出施工完成后的預應力水平，以便在結構建成后進行核實。而且工程師也必須確定每隔多長時間用何種方式量測一次預應力水平。
　　預應力水平監(jiān)測既可以通過推動膜材或者感覺扣帶（非常小的結構）對側向位移的抵抗力等簡單方法得到，也可以通過張力計、測壓元件或者幾何測量的方式進行現(xiàn)場測試得到。
　　何時需要對結構實施二次張拉由維護設計確定的預應力水平決定。只有設計了可調節(jié)的部件（比如：索頭的花籃螺栓、支承柱的伸縮桿等）才可能實現(xiàn)二次張拉。很多結構都被設計成使用壽命內能夠保持最小預應力。二次張拉常常不能實現(xiàn)。對于這種情況，雙軸測試和膜材裁剪的長度補償及加工制作中的容差控制都應該予以特別重視或采用特殊方法。
　　5、 修補
　　在安裝過程中會有意或無意地造成膜面出現(xiàn)較小損傷，此時可以進行現(xiàn)場修補。應該對基層纖維布和涂層進行定期檢查。對于小的裂口或長度小于5cm的小洞可以直接在膜面外側加焊補丁予以修復，補丁必須作圓角處理。應將焊接面的塵土、油脂和油漬手印清理干凈。修補工作應該由經驗豐富的員工完成。
　　修補PVC膜材一般采用熱氣焊。焊接區(qū)內的PVDF面層必須仔細地予以去除。隨著紫外線的長期作用PVC涂層會變脆，在老舊膜屋面上進行焊接比較困難且焊縫不穩(wěn)定。因此一些加工商推薦采用膠粘修補。
　　PTFE膜材應該按規(guī)定的加熱和冷卻循環(huán)程序進行焊接。焊接時應在屋頂膜面和補丁間增加FEP或PEA助焊層。
　　膜材加工商應為業(yè)主提供少量原始材料以確保現(xiàn)場隨時備有用于修補的膜材。備用材料應存放于陰涼干燥的環(huán)境中。
　　6、 替換
　　在結構的整個使用期內保留所有的加工圖可使膜的替換非常簡單。單需對采用的新膜材重新進行試驗以確定其補償值。如果原幅寬的膜材缺貨，則需要重新進行裁剪設計。也可能需要根據(jù)現(xiàn)有支承結構的具體尺寸重新進行結構找形。
　　在替換之前，需對鋼框架、鋼索、夾板、螺栓、螺母和墊圈等其他結構元件進行檢查以便決定是繼續(xù)使用還是予以更換。對繼續(xù)使用的夾板和鋼件都應進行清洗，并檢查是否發(fā)生了腐蝕。應將所有的腐蝕層予以除去，并采取充分的保護措施。腐蝕嚴重的構件和已損壞鋼索等應予以全部替換。
　　為了對其他構件進行充分地維修或替換，建議在新膜材到貨之前就拆除舊結構。