膜結構是一種代表當今建筑技術(shù)和材料科學(xué)發(fā)展水平的新型結構,是現代空間結構體系的一個(gè)重要分支。膜結構外觀(guān)造型新穎,滿(mǎn)足現代人的審美觀(guān)念,成為現代建筑結構的新風(fēng)格。同時(shí)膜結構具有充分利用陽(yáng)光、空氣以及與自然融合的特性,尤其近年隨著(zhù)空氣質(zhì)量日益惡化及人們健康觀(guān)念的提升,可隔絕霧霾等污染、智能凈化空氣的充氣膜結構符合目前提倡的“可持續發(fā)展”重大戰略,也為高科技生態(tài)建筑的發(fā)展提供了廣闊的空間,因此受到世界各地綠色建筑倡導者們的青睞。膜結構在世界范圍內迅猛發(fā)展,主要應用于體育建筑、商場(chǎng)、展覽中心、交通服務(wù)設施等大跨建筑中。

1 充氣膜結構的概述

       充氣膜結構的分類(lèi)與特點(diǎn)現代膜結構一般可分為充氣膜、張拉膜、骨架式膜及索穹頂膜結構等結構體系,其中充氣膜結構是膜結構最初發(fā)展過(guò)程中的主要形式。充氣膜結構利用帆船原理,由膜內的空氣壓力支撐膜面,具有穩定的形狀和一定的剛度,同時(shí)可以抵抗外力的作用。根據力學(xué)性質(zhì),可分為氣承式和氣囊式膜結構。

       氣承式膜結構是固定膜面周?chē)吘?對膜建筑內加壓使膜面鼓起至設計空間曲面,保持內外壓差使膜面受壓以確保剛度,從而維持形態(tài)并抵抗荷載。

       氣囊式膜結構則是充氣于特定形狀的氣囊內,使之成為具有一定剛度的結構或構件,并由此來(lái)承受荷載。

       充氣膜結構建筑不僅可以滿(mǎn)足傳統建筑的功能要求,還具有跨度大、造型奇特和自潔性強等特點(diǎn)。同時(shí),膜結構建筑造價(jià)合理,其造價(jià)僅為傳統建筑造價(jià)的一半左右。同時(shí),與傳統建筑結構相比,其施工周期可縮短一半,且施工期內其他工程的施工不受影響。

       膜材料概述國內外目前應用的建筑膜材料主要包括涂層織物類(lèi)膜材和熱塑化合物類(lèi)膜材兩大類(lèi)。

       織物類(lèi)膜材是膜結構工程中應用最廣泛的膜材,在紡織學(xué)里也稱(chēng)為涂層織物,其由基布纖維、涂層、面層等構成(圖1)。早期基布的原料通常采用棉、麻等天然纖維,而新型的涂層織物材料則采用滌綸和玻璃纖維,通過(guò)機織、針織等編織方式加工成基材,基質(zhì)則采用聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)、天然橡膠等材料[8],最后通過(guò)涂層、壓延等加工方式制得。內部織物決定了膜材的主要力學(xué)性能[9],涂層和面層具有粘結增強和傳遞應力的作用,同時(shí)決定膜材的物理特性。

2 充氣膜結構的發(fā)展

       國外充氣膜結構的發(fā)展20世紀初現代充氣膜結構逐漸開(kāi)始發(fā)展。1917年,英國人W.Lanchester申請了通過(guò)鼓風(fēng)機吹氣支撐膜材而建立野外醫院的專(zhuān)利,但由于當時(shí)技術(shù)和設備的限制并沒(méi)有實(shí)現。1970年日本萬(wàn)國博覽會(huì )上,膜結構被系統地推向世界。博覽會(huì )上橢圓形的美國館(見(jiàn)圖2a)采用PVC涂層的玻璃纖維織物,無(wú)柱大廳的屋面由32根沿對角線(xiàn)交叉布置的鋼索和膜材所覆蓋,它是世界上第一個(gè)大跨度低輪廓的氣承式膜結構。另一個(gè)具有代表性的建筑是富士館(見(jiàn)圖2b),該館是香腸充氣型氣肋式膜結構,它也是迄今為止建成的最大的氣肋式充氣膜結構。