膜结构建筑的结构

张拉整体结构（ Tensegrity ）是由一组连续的拉杆和连续的或不连续的压杆组合而成的自应力、自支撑的网状杆系结构，其中“不连续的压杆”的含义是压杆的端部互不接触，即一个节点上只连接一个压杆。 Tensegrity 是美国建筑师 R.B.Fuller 首先提出的一种结构思想，他认为宇宙的运行就是按照张拉整体的原理进行的，即万有引力是一个平衡的张力网，各个星球是这个网中的一个个 孤立点。这种结构体系中的索网就相当于宇宙中的万有引力，独立的受压杆件 相当于宇宙中的星球20 世纪 60 年代随着现代柔性建筑材料的发展，建筑师们从帐篷着一最古老的简单建筑结构出发，构造出了魔幻般的形式——膜结构。它可以构成单曲面，多曲面等不同建筑结构形式，满足了建筑师们对建筑与美学高度统一的要求。柔性材料具有透光和防紫外线功能，在一些室外建筑和环境小品中得到广泛的应用。正是由于这一特征，夜间的灯光设计使膜结构具有鲜明的环境标志特征。优美造型的膜材，不锈钢配件和紧固件加上设计轻巧合理，表面处理严格的钢结构支撑，塑造出形式美观，设计合理的膜结构，在当今世界范围内的建筑环境设计中占有举足轻重的地位。 透光性是现代膜结构最被广泛认可的特性之一。膜材的透光性可以为建筑提供所需的照度，这对于建筑节能十分重要。对于一些要求光照多且亮度高的商业建筑等尤为重要。通过自然采光与人工采光的综合利用，膜材透光性可为建筑设计提供更大的美学创作空间。夜晚，透光性将膜结构变成了光的雕塑。膜材透光性是由它的基层纤维、涂层及其颜色所决定的。标准膜材的光谱透射比在10%~20%之间，有的膜材的光谱透射比可以达到40%，而有的膜材则是不透光的。膜材的透光性及对光色的选择可以通过涂层的颜色或是面层颜色来调节。通过膜材和透光保温材料的适当组合，可以使含保温层的多层膜具有透光性。即使光谱透射只有几个百分点，膜屋面对于人眼来说依然是发亮和透光的，具有轻型屋面的观感。 张拉膜结构不是刚性的，其在风荷载或雪荷载的作用下会产生变形。膜结构通过变形来适应外荷载，在此过程中荷载作用方向上的膜面曲率半径会减小，直至能更有效抵抗该荷载。张拉结构的灵活性使其可以产生很大的位移而不发生永久性变形。膜材的弹性性能和预应力水平决定了膜结构的变形和反应。适应自然的柔性特点可以激发人们的建筑设计灵感。不同的膜材的柔性程序也不相同，有的膜材柔韧性极佳，不会因折叠而产生脆裂或是破损，这样的材料是有效实现可移动、可展开结构的基础和前提。 张拉膜结构的独特曲面外形使其具有强烈的雕塑感。膜面通过张力达到自平衡。负高斯膜面高低起伏具有的平衡感使体型较大的结构看上去像摆脱了重力的束缚般轻盈地飘浮于天地之间。无论室内还是室外这种雕塑般的质感都令人激动。张拉膜结构可使建筑师设计出各种张力自平衡、复杂且生动的空间形式。在一天内随着光线的变化，雕塑般的膜结构通过光与影而呈现出不同的形态。日出和日落时，低入射角度的光线将突现屋顶的曲率和浮雕效果，太阳位于远地点时，膜结构的流线型边界在地面上投入弯弯曲曲的影子。利用膜材的透光性和反射性，经过设计的人工灯光也可使膜结构成为光的雕塑。 按照现有的各国规范和指南设计的的轻型张拉膜结构具有足够的安全性。轻型结构在地震等水平荷载作用下能保持很好的稳定性。由于轻型结构自重较轻，即使发生意外坍塌，其危险性也较传统建筑结构小。膜结构发生撕裂时，若结构布置能保证桅杆、梁等刚性支承构件不发生坍塌，其危险性会更小。膜结构的柔性使其在任一荷载作用下均以最有利的形态承载。当然，结构的布置和形状要根据荷载情况来进行设计和调整。设计要确何膜面与其辅助结构协调工作，以避免力在膜面或辅助结构上集中而达结构破坏的临界值。 具有特定功能的建筑都可通过立意得以表达，张拉膜结构的独特外形体现了建筑自身的自然美感。这些建筑形态本身和与其相协调的传统建筑一起构成了令人兴致盎然的地面标志性建筑。优秀的膜结构设计是结构与外形的有机融合，使其显得了类拔萃，同时与自然环境、历史及现代的城市景观有机结合。轻型结构可以看成是大型的雕塑作品，可为其周边空间增添活力，成为周围环境的补充和焦点。 膜屋面的一个重要作用就是抵御各种天气变化（如日晒、雨淋、风雪等）对其内部空间的影响，保持建筑物内部的舒适性。选择膜面的形态和材料时要考虑到所有可能的天气状况，并尽可能利用建筑本身等被动方法来减少能量的消耗。多孔膜材可用作遮蔽结构。它可以控制光的透射和反射，使室内拥有散射光，并且促进自然通风，使屋面温度与周围环境的温度相同，并避免向下的热辐射。为了抵挡风雪，膜面的外形应使排水通畅使捷，避免在其上形成水兜或雪的堆积。在施加预应力前的安装成形阶段，张拉膜结构对这些荷载十分敏感。为了能将雨水排除，膜材和接缝须密封防水，膜边缘也必须进行特殊的细部设计，以防止雨水进入室内。 与其它结构相比的另一个突出优势是轻型结构对环境的影响具有可调和性。另外它还有两个重要的特性，即可移动性和灵活性。结构可以在不同的地点反复拆建，这就是张拉膜结构的可移动。它将游牧式与定居式的建筑融为一体。膜材轻柔的特点使其方便运输，且易于迅速搭建，而闲置时占用空间很小。这种特性使膜结构十分适于用作临时性可移动建，特别是在发生突然灾难或遇到紧急情况而需要在短时间内为大量人员提供庇护所的时候。另一方面，可移动薄膜结构除具有与永久建筑相媲美的舒适性外，它还引入了建筑行业的一个新概念，即将房屋的所有权与土地的所有权相分离。建筑不再是不可移动的，而是可移动的。这种可移动性和可重复使用的特点对加速现代城市的发展和建筑功能在某些特殊领域中的转变具有重要的意义。 结构类膜结构的主要构成部件就是膜材料、钢结构和钢索，不同的膜材和钢索，其性能及价格各不相同。结构类造型可分为以下二类：1． 骨架式膜结构：此类膜结构是固定在精致钢材、空间桁架或其他坚固的构架上，称之为骨架式膜结构。2． 张力式膜结构：仅利用简单的支撑系统及膜素材自身的张力特性，构成此类膜结构。与传统结构不同，膜结构以柔性的薄膜和索为主要受力材料。要进行膜结构的工程设计，必须了解其材料。用于建筑工程的薄膜材料可以分为织物类膜材和非织物类膜材两大类。其中织物类膜材常用的有 PVDF 涂层覆盖聚酯纤维织物（以下简称PVC 膜材）以及PTFE 涂层覆盖玻璃纤维织物（以下简称PTFE膜材）；非织物类膜材则以ETFE 薄膜最具代表性和竞争性。膜材的选择往往在很高程度上取决于建筑物的功能、防火要求、设计寿命和投资额。 1.建筑材料的耐火等级问题用于膜结构中的高强度柔韧性薄膜称为膜材，它是膜结构工程中最重要的组成部分，作用与钢筋、混凝土、轻质板材上是等同的，在膜结构建筑中既是起围护作用的建筑材料，又是张拉结构体系中的受力材料。《建筑设计防火规范》及《高层民用建筑防火设计规范》中对建筑物各构件的燃烧性能和耐火极限都有明确的规定。目前膜结构建筑中使用的膜材通常有两类，一类是以玻璃纤维织物为基材，涂覆聚四氟乙烯（PTFE）等树脂材料，燃烧性能可达到A 级；另一类是以尼龙织物为基材，涂覆PVC 及其他树脂材料，燃烧等级可以达到B1 级。2.建筑空间跨度大，较难划分防火分区，火灾情况下易形成火灾蔓延膜结构大多用于体育馆、剧院、展览建筑的观众厅、展览厅，其面积、长度可以根据需要确定，但如果用于商业、学校、食堂、菜市场等建筑，就要受规范的限制了，必须作防火分区，但这种建筑大多高度及跨度都很大，划分防火分区比较困难，因此，一旦发生火灾，各种垂直通道起拔火桶作用。当烟气到达膜面以下时，顶部气流水平运动，致使火灾横向扩大，容易形成大面积的火灾蔓延。3.人员疏散困难膜结构建筑因空间巨大，人员在膜空间内到达室外出口的距离长，因此疏散时间就长。烟雾向上和向水平方向快速蔓延，挡住了疏散人员的视线，增大了疏散难度。另外，大空间内人员多，疏散时容易发生滞留。4.火灾探测不及时，普通自动灭火设施无法有效发挥作用，火灾扑救困难膜结构建筑空间一般都比较高，跨度比较大，发生火灾后烟气蔓延时，探测器动作与在普通建筑内动作相比会慢一些，且我们通常使用的自动喷水灭火系统在这种建筑中布置比较困难，更不能有效发挥灭火作用。扑救膜建筑这种大空间建筑物火灾往往会遇到很多的困难。例如：热辐射强，烟雾浓，火势蔓延速度快、途径多。另外，面对新型的膜建筑，我们缺乏扑救这类大空间建筑物火灾的实战经验，这给消防灭火的登高作业、内攻侦察、火场供水等都带来不少困难。 1.建筑构件的耐火等级膜结构建筑的支撑一般为钢结构，国内对于钢结构的保护多采用涂防火涂料。国外类似建筑大多是不涂防火涂料的。还有一种更为稳妥的办法：就是在构造上作处理，使膜面紧贴在钢索下面，火灾中烟气首先面对的是膜面，这样钢索下面又多了一个保护层，使钢架不受任何高温作用。瑞典国家测试院曾对PTFE 和PVC 两种膜材料进行同样条件的燃烧试验，对试验过程的温度、有毒气体成分、膜材烧穿情况进行了测试分析，结果表明虽然PTFE 膜材的耐火极限和燃烧性能比PVC 膜材高，但是PVC 膜材受热后很快形成开放洞口，有利于烟气和热量的排出，从而延缓钢结构的坍塌，而PTFE 膜材受热后只是接缝处裂开，最后沿接缝大块脱落，热量容易在顶部聚集，而且PTFE 膜材产生的CO2 和CO 至少是PVC 膜材的两倍，因此对于膜结构特别是封闭式膜结构建筑使用PVC 膜材好一些。2.采取特殊的防火、防烟分隔措施膜结构大多用于体育馆、剧院、展览建筑的观众厅、展览厅，其面积、长度可以根据需要确定，但如果用于商业、学校、食堂、菜市场等建筑，就要受规范的限制了，膜结构建筑相对于普通建筑，在主体大空间内无构造柱与梁，是一个连续完整的空间。膜空间和与之相连的部分之间必须设置有效的防火分隔设施，防止火势向膜空间以外的其它空间蔓延。用普通建筑中的防火墙和防火卷帘划分防火分区难以实现。我们可以采取一些特殊措施，例如可以采用“防火带”的方法划分防火分区，即在有可燃物品的建筑物中划分出一段区域，这个区域内的建筑构件及装修全部为非燃材料(且该区域内不存放可燃物)并采取有效的防烟措施，阻挡防火带一侧的烟火向另一侧蔓延，从而在空间上形成一个无形的防火分隔区域。对于防烟分区的划分，可以利用空间上方结构体系，挂上以耐火纤维为基材的轻质幕布，平时卷起，在火灾报警后自动放下，悬停于一定高度进行防烟分区，划分的面积在1000 平方米左右，代替了传统的挡烟垂壁，效果明显。3.机械防排烟设施对于封闭的膜结构建筑物，设置机械防排烟设施是至关重要的，烟气往往比火更可怕，在火灾中，烟气弥漫，能见度被降低，延误了疏散时间；大量高温有毒气体的存在，使人降低和逐渐丧失了逃生能力；高温烟气有着与火一样的对建筑结构破坏的作用。就膜建筑来说，其防火分区面积和疏散距离都已超标，所以对这类建筑的大空间进行有效的防排烟设计显得由为重要。第一步是控烟，通过一定的正压送风量将火灾烟气吹向一个固定的空间内，使烟气不会无规则扩散；第二步是蓄烟，利用建筑物自身的大空间条件设计“储烟仓”将烟气蓄积，形成距地面有一定高度的无烟层；第三是排烟。国外研究机构通过计算机模拟证明：如果一个烟控系统设计适当，可以防止烟在30～45min 内聚集在距地面3～4m处。这段时间对于人员疏散是极其宝贵的，同时也给灭火创造了有利条件。4.运用新型的火灾探测系统通常建筑中所广泛使用的火灾探测器大多数以烟气浓度和温度为信号进行探测的，且大多数为顶棚式安装。普通建筑的楼层高度多数在6m 以下，火灾烟气能很快到达顶棚，因此这类探测器是适用的。然而膜结构建筑空间很高，烟气在上升过程中不断受到冷却和稀释，在到达顶棚时浓度和温度都大大降低，不足以启动火灾探测器。另外，由于建筑物内部热风压影响，大空间上部常常会形成一定厚度的热空气层，它足以阻止火灾烟气上升到大空间顶棚，从而影响火灾探测器工作，所以普通型探测器是不适用于膜建筑的。运用新型的火灾报警技术如红外光束感烟探测器、空气采样及线型差温探测器运用于膜建筑，解决了膜空间早期报警的难题。5.采用有效的自动灭火装置设置空气加压移动式消防水炮。它可根据空气加压的大小确定射程，确保膜空间及其中部区域的安全。另外在大厅四壁适当位置上可考虑设置带架水枪，以便当展厅上半部的横幅、彩带、气球之类的可燃物着火后，可有效的组织扑救。