建筑施工手册3-18 索膜结构工程

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1、18.1索膜结构的特点、类型及材料 65518 索膜结构工程18.1索膜结构的特点、类型及材料索膜结构体系起源于远古时代人类居住的帐篷，但真正意义上的膜结构是20世纪中 期发展起来的一种新型建筑结构形式，是一种建筑与结构完美结合的结构体系。它是用高 强度的柔性薄膜材料（PVC或PTFE)与一定的支撑及张拉系统（钢架、钢柱或钢索等） 相结合，通过预张力使膜形成具有一定刚度的空间稳定曲面，从而达到能承受一定外荷 载，并满足造型效果和使用功能的一种空间结构形式。它集建筑学、结构力学、精细化工 与材料科学、计算机技术等为一体，具有很高技术含量。其曲面可以随着建筑师的设计需 要任意变化，结合整体环境，建

2、造出标志性的形象工程。膜结构从20世纪90年代以来在我国也得到了飞速的发展，目前已经建设了数十个大 型膜结构体育建筑、文化娱乐建筑、商业建筑、交通运输建筑及其他标志性建筑。图18- 1是国内已建的代表性膜结构工程。(c)(d)图18-1国内膜结构工程 ()上海八万人体育场；（W青岛颐中体育场；（c)郑州杂技馆；id)大连金石滩影视艺术中心18.1.1索膜结构特点18.1.1.1自洁性膜材表面的涂层PTFE或PVDF均为惰性材料，具有较高的不燃性和稳定的化学性能，并且耐腐蚀。惰性涂层不与灰尘微粒结合，长久不褪色，所以膜结构建筑表面经雨水 冲刷即能自洁，经过长年使用仍然保持外观的洁净及室内的美观。

3、18.1.1.2透光性膜材是半透明的织物，并且热传导性较低，对自然光具有反射、吸收和透射能力，其 透光率随类型不同而异，可达4%18%。经膜材透射的光呈漫反射状，光线柔和宜人无 眩光，给人一种开敞、明亮的感觉。膜材的透光性既保证了适当的自然漫散射光照明室 内，又极大程度上阻止了热能进入室内，因此膜结构在节能方面有它的独特效果。 18.1.1.3 大跨度膜结构建筑中所使用的膜材重量轻，常用膜材质量为0. 52. 5kg/m2，并且膜结构是张 力结构体系，能够充分发挥材料的抗拉性能，因此膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨 度建筑上所遇到的困难，它能创造出巨大的无遮挡可视空间，有效增加空间使用面积

4、。 18.1.1.4轻量结构膜材料与其他建筑材料相比要轻得多。不管在施工阶段还是在使用阶段，对膜面而 言，风荷载均是主要荷载，故要特别注意施工阶段膜面和结构的安全。18.1.1. 5防火性和耐久性采用PTFE膜材料的膜结构建筑具有耐热性、耐气候性、耐药物性、高强度、防火 等特性，而且不易老化，经过长期使用仍能保持其最初时的强度，PTFE膜寿命在30年 以上，PVDF膜寿命也有15年。18.1.1.6安装的复杂性膜面常与索结构结合，通过施加应力，形成结构刚度。合理施加预应力是涉及索膜结 构安全的关键要素。其安装工效较高，只需投入较简便的施工机械，且较少影响屋顶以下 分部工程的施工。但由于多为悬空

5、作业，安全操作设施需要因工程不同特点而作特殊 考虑。18.1.2索膜结构类型索膜结构类型可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。张拉式膜结构是通过支承结构 或钢索张拉成型，其造型非常优美灵活。图18-2为索膜结构的分类图。18.1. 2.1充气膜结构充气膜结构又分为气承式膜结构和气肋式膜结 构两# (图18-3)，气承式膜结构靠室内外压力差(室内气压>室外气压）形成和维持稳定膜面形态，图18-2索膜结构的分类并承受外荷载作用，可支撑于其他建筑或自成独立建筑。气承式膜结构适合建造平面为圆形、椭圆形（长短轴比小于2)、正多边形的穹顶 结构。气肋式膜结构是向特定形状的封闭气囊内充入一定压力的气体以

6、形成具有一定刚度 和形状的构件，再由这些构件相互连接形成建筑空间。充气式膜结构需要不间断地充气，运行与维护费用高，空压机与新风机的自动控制系 统和融雪热气系统的隐含事故率高。此外，气承式膜结构中室内的超压也会使人略感不 适。这些缺点使人们对充气式膜结构的前途产生怀疑，因此美国自1985年以来在建造大 跨度建筑时再也没有使用这种膜结构形式。但近年来，采用近乎全透明无基材膜材ETFE)图18-3充气膜结构的基本形式 (a)气承式；（6)气肋式的气肋（枕）式膜结构因其特殊的建筑光学效果得到了相当程度的应用（图18-4),最 新的应用实例是2008北京奥体游泳馆（图18-4W。总体而言，张拉膜结构的应

7、用远多于 充气膜结构。 (*)图18-4 ETFE气枕膜结构 (a)气肋（枕）式膜结构；（W北京奥体游泳馆18.1.2.2张拉膜结构张拉膜结构以钢索、钢结构构件等为边界，通过张拉边界或顶升飞柱等手段给膜面施加 张力，维持设计的形状并承受荷载。张拉膜结构的基本外形有马鞍形、圆锥形（伞形）、拱 支承形、脊谷式等，见图18-5。应用于实际工程的张拉膜结构常常是这些基本外形的组合。图18-5张拉膜结构的基本形式 ()马鞍形；（6)圆锥形（伞形）；U)拱支承形；W)脊谷式18.1.3索膜结构材料18.1.3.1拉索与锚具膜结构的拉索可采用热挤聚乙烯高强钢丝拉索、钢绞线或钢丝绳，也可根据具体情况 采用钢棒

8、等。拉索有多种钢索可供选用。热挤聚乙烯高强钢丝索是由若干高强度钢丝并拢 经大节距扭绞、绕包，且在外皮挤包单护层或双护层的高密度聚乙烯而形成，在重要工程 中宜优先考虑采用。钢丝绳宜采用无油镀锌钢芯钢丝绳。热挤聚乙烯高强钢丝拉索及其铺 具的质量应符合现行国家标准。热挤聚乙烯高强钢丝拉索、钢绞线的弹性模量不应小于1. 90X105MPa,钢丝绳的弹性模量不应小于1. 20X105MPa。拉索的锚接可采用浇铸式(冷铸锚、热铸锚）、压接式或机械式锚具。锚具表面应做 镀锌、镀铬等防腐处理。当锚具采用锻造成型时，其材料应采用优质碳素结构钢或合金结 构钢，优质碳素结构钢的技术性能应符合现行国家标准。锚具与索连

9、接的抗拉强度，浇铸式不得小于索抗拉强度的95%，压接式不得小于索 抗拉强度的90%。对组成热挤聚乙烯高强钢丝拉索、钢绞线、钢丝绳的钢丝，应进行镀锌或其他防腐镀层处理。对碳素钢或低合金钢棒应进行镀锌、镀铬等防腐 处理。对外露的钢绞线、钢丝绳，可采用高密度 聚乙烯护套或其他方式防护。锚具与有防护层的 索的连接处应进行防水密封。18.1. 3. 2膜材图18_6膜材结构膜结构材料可分为两大类：无基材薄膜材料 和基材涂层类膜材。前者是一种以ETFE为主要原料的高分子薄膜材料；后者（见图18- 6)中交叉编织的基材材料决定了其力学性能，如抗拉强度、抗撕裂强度等，而涂层、面 层的种类决定了其物理性能，如耐

10、久性、耐火性、防水性、自洁性、黏合度、颜色等。常 用基材涂层类膜材中基材与涂层的种类见表18-1。常用基材与涂层种类表18-1名称代号名称代号玻璃纤维FG聚四氟乙烯PTFE基材聚酰胺合成纤维PA涂层聚氯乙烯PVC聚酯合成纤维PET聚乙烯CSM聚乙烯醇合成纤维PVA氟树脂PVD目前膜结构建筑中最常用的膜材料基材主要为PVC膜材料和PTFE膜材料（俗称特 富龙）。PVC膜材是由聚酯纤维织物表面涂以聚氯乙烯涂层（PVC)而成。PVC膜材在 材料及加工费用上都比PTFE膜便宜，且具有质地柔软、易施工的优点。但在强度、耐 久性、防火性等性能上较PTFE膜材差，所以只能作为一般临时性建筑的膜材。近年来 巳

11、研发出在PVC膜材表面再加涂聚氟乙烯（PVF)涂层或聚偏氟乙烯（PVDF)涂层来 提高其耐久性和自洁性的新技术，从而使聚酯织物的使用寿命延长到15年以上，得以在 7欠久性建筑中使用。PTFE膜材是在超细玻璃纤维织物上涂以聚四氟乙烯树脂涂层（PT- FE)而成，具有强度高，徐变小，弹性模量大，耐久性、防火性与自洁性高等特点。但 PTFE膜材与PVC膜材相比，材料与加工费用高，且柔软性低，在施工时为避免玻璃纤 维被折断，须采用专用施工工具和技术。该类膜材使用寿命30年以上，在永久性膜结 构建筑得到大量应用。18.2索膜结构的深化设计索膜结构是由拉索、膜材和压杆整体张拉形成的空间结构体系，它与传统结