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膜结构建筑的发展历史及力学原理
2019-06-04 14:59:04
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黄浦膜结构雨棚公司

  一、膜结构的发展
  膜结构作为居住空间的外表面的结构形式,在很遥远的古代就已经有在,将草席和兽皮、毛织物等皮樓用简单的木柱等顶起,用绳子固定在地面上构成稳定的简单住宅,这种建造方式在上古时代就开始应用了。皮膜质量较轻且坚固,富含柔软性,搬运、临时设置、重复使用都比较便利,现在游教民中仍然还有应用,可以说,源于皮膜的应用.
  近代的膜结构开始应用于杂技团的帐篷。第二次世界大战后,不使用柱子而采用空气膨胀方式的充气膜结构也开始出现,并大范围地普及开。膜结构的优点是,只有价格较低,短间内建造出大空间,这井不是只存在于杂技团的帐篷,现代的膜结构也同样有这种特征。由于近年来新材料的进一步开发,有很多此类结构在恒久建筑物上应用的例子。
  从美军的雷达穹顶及兵营、仓率等建设的经验积累中认识到充气膜结构的有用性的沃尔特·伯德,在1957年,采川充气赓结构建造了私家游泳池简易棚。通过《生活杂志》和其他的媒体的介绍,此结构在世界上广为人知,世界各地也开始进行各种尝试。
  美国馆(建筑设计:L戴蜂斯;结构设计:蓝格)是典型的充气穹顶。在具有近似于长轴142m,短轴83.5m的椭圆的平面形状的压环的内侧,用索张拉刚度加强的皮膜《用聚飄乙烯嘎涂的玻穗纤缘布),室内的气压相对于外侧气压要稍微高(用水柱为30mm、用水银柱为2.3mm由于值较小。通常用水柱表示).所以这种方式构成屋面结构。与跨度相比,此穹顶的特征是垂度非常低〔6.lm)。垂度低的穹顶中,风荷载分布比较均匀(吸力),这对膜结构的设计非常有利。此性质极大促进了之后的低垂度充气穹顶的发展
  二、充气膜结构的力学原理
  在膜结构中,利用气压使膜产生张力,以此来抵抗外力的结构,称为充气膜结构。根据充气膜结构力学性质的不同进行分类,可分为气承式充气膜结构和气胀式管状充气膜结构(图1、2)。气承式充气膜结构是把大面积的膜材周边固定,利用膜内外两侧的气压差使膜产生张力而形成的结构。*典型的结构是将空气充入裁剪成穹顶形状的膜面内部,使膜面鼓起形成穹顶结构这种穹顶被称为充气穹顶图1(a)。将空气充入周边牢固固定的2片膜之间,2片膜各自的力学性质与充气穹顶基本相同。这类结构,统称为气承式。充气膜结构(air: supported structure)。
  为使膜产生张力,不一定要使穹顶内部的气压比外部气压高。只要具备应有的支承条件,穹顶内部气压低于外部气压,也可以使膜面产生张力[图1(c)。
  气胀式管状充气膜结构,是在制作成管状的膜材内充人空气而形成的结构,可形象地理解为用空气代替香肠肉来塞满管状膜。笔直的管状膜充气鼓胀水平放置,可得到梁[充气梁,图2(a);弯曲的管状膜充气鼓胀形成拱[充气拱,图2(b)。把多根这样的充气梁或拱并排连接起来,可创造出建筑空间。并列的梁或拱并不是相互独立的,而是用连接构件连接成整体使用。管状的充气膜结构,被称为气胀式充气膜结构( air-inflated structure)。
  如上所述,充气膜结构需要在膜的内部和外部气体之间产生气压差,此时所需的气压差值,在气承式充气膜结构和气胀式管状充气膜结构中有很大不同。
  三、非充气膜结构
  充气膜结构作为用皮膜覆盖空气的方法,具有多种优点,但也有缺点。*大的问题是维护管理。简而言之,此结构在建筑物存在期间,需要时时刻刻用送风器进行鼓气。相对于平常情况,在积雪时和暴风时,许多的空气穹顶需要增加室内气压。并且,需要有应对偶尔停电的机制。近年,这种转换大多完全是自动进行,为了确保如通常情况那样进行转换,需要不断地维护管理,经济负担非常可观。
  因此,对于不使用充气的膜结构的需要,自古以来就源源不绝。对不使用充气的膜面施加张力的方法,从古代就已经开始,如杂技团的帐篷。用柱子顶起底部固定的膜面顶部,在马鞍形曲面的边界之间张拉膜面等,这些对膜施加预应力的方法,在目前还是*普遍的方法(被称为悬置膜)。与充气膜结构相比,以这种方法形成的膜造型更有鲜明的紧绷感。

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