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一、膜結構的發展
膜結構作為居住空間的外表面的結構形式,在很遙遠的古代就已經有在,將草席和獸皮、毛織物等皮樓用簡單的木柱等頂起,用繩子固定在地面上構成穩定的簡單住宅,這種建造方式在上古時代就開始應用了。皮膜質量較輕且堅固,富含柔軟性,搬運、臨時設置、重復使用都比較便利,現在游教民中仍然還有應用,可以說,源于皮膜的應用.
近代的膜結構開始應用于雜技團的帳篷。第二次世界大戰后,不使用柱子而采用空氣膨脹方式的充氣膜結構也開始出現,并大范圍地普及開。膜結構的優點是,只有價格較低,短間內建造出大空間,這井不是只存在于雜技團的帳篷,現代的膜結構也同樣有這種特征。由于近年來新材料的進一步開發,有很多此類結構在恒久建筑物上應用的例子。
在二戰后.膜結構戲團帳篷的嘗試著擺脫舊馬戲團帳篷的面貌并成為現代的結構體系,以空氣膜結構的出現為標志:最初的嘗試開始于美國的軍用設施。
從美軍的雷達穹頂及兵營、倉率等建設的經驗積累中認識到充氣膜結構的有用性的沃爾特·伯德,在1957年,采川充氣賡結構建造了私家游泳池簡易棚。通過《生活雜志》和其他的媒體的介紹,此結構在世界上廣為人知,世界各地也開始進行各種嘗試。
美國館(建筑設計:L戴蜂斯;結構設計:藍格)是典型的充氣穹頂。在具有近似于長軸142m,短軸83.5m的橢圓的平面形狀的壓環的內側,用索張拉剛度加強的皮膜《用聚飄乙烯嘎涂的玻穗纖緣布),室內的氣壓相對于外側氣壓要稍微高(用水柱為30mm、用水銀柱為2.3mm由于值較小。通常用水柱表示).所以這種方式構成屋面結構。與跨度相比,此穹頂的特征是垂度非常低〔6.lm)。垂度低的穹頂中,風荷載分布比較均勻(吸力),這對膜結構的設計非常有利。此性質極大促進了之后的低垂度充氣穹頂的發展
二、充氣膜結構的力學原理
在膜結構中,利用氣壓使膜產生張力,以此來抵抗外力的結構,稱為充氣膜結構。根據充氣膜結構力學性質的不同進行分類,可分為氣承式充氣膜結構和氣脹式管狀充氣膜結構(圖1、2)。氣承式充氣膜結構是把大面積的膜材周邊固定,利用膜內外兩側的氣壓差使膜產生張力而形成的結構。最典型的結構是將空氣充入裁剪成穹頂形狀的膜面內部,使膜面鼓起形成穹頂結構這種穹頂被稱為充氣穹頂圖1(a)。將空氣充入周邊牢固固定的2片膜之間,2片膜各自的力學性質與充氣穹頂基本相同。這類結構,統稱為氣承式。充氣膜結構(air: supported structure)。
為使膜產生張力,不一定要使穹頂內部的氣壓比外部氣壓高。只要具備應有的支承條件,穹頂內部氣壓低于外部氣壓,也可以使膜面產生張力[圖1(c)。
氣脹式管狀充氣膜結構,是在制作成管狀的膜材內充人空氣而形成的結構,可形象地理解為用空氣代替香腸肉來塞滿管狀膜。筆直的管狀膜充氣鼓脹水平放置,可得到梁[充氣梁,圖2(a);彎曲的管狀膜充氣鼓脹形成拱[充氣拱,圖2(b)。把多根這樣的充氣梁或拱并排連接起來,可創造出建筑空間。并列的梁或拱并不是相互獨立的,而是用連接構件連接成整體使用。管狀的充氣膜結構,被稱為氣脹式充氣膜結構( air-inflated structure)。
如上所述,充氣膜結構需要在膜的內部和外部氣體之間產生氣壓差,此時所需的氣壓差值,在氣承式充氣膜結構和氣脹式管狀充氣膜結構中有很大不同。
通常,在氣承式充氣膜結構中,采用0.002-0.010kg/cm2、(水柱20~100mm)的氣壓差,此氣壓差值不需要根據建筑物規模的大小而改變。與此相對,氣脹式管狀充氣膜結構中,所需的氣壓差為01~1kg/cm2(水柱1000~10000mm),在同樣形狀的梁(或者拱)中, 隨著建筑物規模的增大,所需要的氣壓差也隨之增大。也就是說,氣脹式管狀充氣膜結構與氣承式充氣膜結構相比力學效率較低。為了弄清楚效率較低的原因,對氣壓差產生張力的平面膜與空氣梁上施加相同荷載作用下的狀況進行研究(圖3)。拿出荷載作用下產生變形的膜的一部分進行研究(圖4),膜的張力由于膜的變形會產生向上的力,膜有回到原先狀態的趨勢。相同條件下對充氣梁的一部分進行研究(圖5),充氣梁的膜外皮,會產生與平面膜相同的向上的力,但是梁內壓縮空氣的壓力反而產生方向向下的力,使得充氣梁的膜回到原先形態的趨勢被抵消。這就是氣脹式充氣膜結構與氣承式充氣膜結構相比效率較低的原因。將平面膜與充氣梁彎曲,即做成充氣穹頂和充氣拱,這種關系一點也沒改變,也就是說,與充氣穹頂相比,充氣拱不得不說是效率較低的結構。盡管這樣,使用充氣拱結構,是因為這種結構具有特定的優點。充氣穹頂必須經常保持穹頂內部與外部空氣的氣壓差,出人穹頂時,一定要通過空氣密閉出入口(旋轉門與前室等),會感覺非常不方便。與此相對,充氣拱結構的室內氣壓與室外氣壓相同,出入口完全自由地開放。并且,以前述富士群館為例可以看出,氣脹式充氣拱結構可以形成與氣承式充氣穹頂結構完全不同的建筑造型。由于以上這些理由,
預計氣承式充氣膜結構與氣脹式充氣膜結構今后將共同發展.
三、非充氣膜結構
充氣膜結構作為用皮膜覆蓋空氣的方法,具有多種優點,但也有缺點。最大的問題是維護管理。簡而言之,此結構在建筑物存在期間,需要時時刻刻用送風器進行鼓氣。相對于平常情況,在積雪時和暴風時,許多的空氣穹頂需要增加室內氣壓。并且,需要有應對偶爾停電的機制。近年,這種轉換大多完全是自動進行,為了確保如通常情況那樣進行轉換,需要不斷地維護管理,經濟負擔非常可觀。
因此,對于不使用充氣的膜結構的需要,自古以來就源源不絕。對不使用充氣的膜面施加張力的方法,從古代就已經開始,如雜技團的帳篷。用柱子頂起底部固定的膜面頂部,在馬鞍形曲面的邊界之間張拉膜面等,這些對膜施加預應力的方法,在目前還是最普遍的方法(被稱為懸置膜)。與充氣膜結構相比,以這種方法形成的膜造型更有鮮明的緊繃感。
并且,也存在這么一種結構(被稱為骨架膜結構):主要受力由鋼結構等的骨架承擔,膜僅作為骨架構件間張拉過渡的角色。
