張拉膜結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計

李英男 許元撫

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑行業(yè)得到了很大的進(jìn)步。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，張拉膜結(jié)構(gòu)設(shè)計是十分重要的，我們應(yīng)該加以重視。文章主要闡述了建筑設(shè)計中的張拉膜結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計相關(guān)內(nèi)容，供大家參考。

關(guān)鍵詞：張拉膜結(jié)構(gòu)；概念；設(shè)計

1 膜結(jié)構(gòu)以其構(gòu)造來看，大致可分為骨架式、張拉式、充氣式膜結(jié)構(gòu)3種形式：

1.1 骨架式膜結(jié)構(gòu)

以鋼構(gòu)或是集成材構(gòu)成的屋頂骨架后，在其上方張拉膜材的構(gòu)造形式，下部支撐結(jié)構(gòu)安定性高，由于屋頂?shù)脑煨头浅５膯我?，在開口的地方不會受到影響，而且它的經(jīng)濟(jì)性合理，能夠適合用到各種面積之中。

1.2 張拉式膜結(jié)構(gòu)

以膜材、鋼索及支柱構(gòu)成，利用鋼索與支柱在膜材中導(dǎo)入張力以達(dá)安定的形式。其不但具有創(chuàng)新性，而且它的外形非常美觀，而且還是最具有膜結(jié)構(gòu)的一種類型。近年來，大型跨距空間也多采用以鋼索與壓縮材構(gòu)成鋼索網(wǎng)來支撐上部膜材的形式。由于建設(shè)活動的精確性比較好，而且構(gòu)造的性能很優(yōu)秀，同時它的表現(xiàn)力也是很好的，因此它在成本上要稍微的比上一種要低一些。

1.3 充氣式膜結(jié)構(gòu)

它是說把膜材設(shè)置在屋頂?shù)臉?gòu)造附近，使用送風(fēng)體系確保物種的氣壓增加到適當(dāng)?shù)膲毫Γ藭r屋內(nèi)外就會存在壓力差值，這樣就能應(yīng)對外力現(xiàn)象，由于它是使用氣壓來維持，并且用鋼索當(dāng)成是配合材料的，所以不需要任何的梁或者是柱等，所以它的空間更寬，而且建設(shè)活動很方便，利潤比較好，不過要確保送風(fēng)設(shè)備持續(xù)的運(yùn)作一天，其運(yùn)行以及維護(hù)資金非常多。

2 關(guān)于材料

用到結(jié)構(gòu)中的材料有著非常優(yōu)秀的強(qiáng)度，而且它的柔韌性非常高，是由纖維編織成織物基材，在其基材兩面以樹脂為涂層材所加工固定而成的材料，中心的織物基材分為聚酯纖維及玻璃纖維，而作為涂層材使用的樹脂有聚氯乙烯樹脂、硅酮及聚四氟乙烯樹脂，在力學(xué)上織物基材及涂層材分別具有影響下列的功能性質(zhì)。

織物基材——抗拉強(qiáng)度，抗撕裂強(qiáng)度，耐熱性，耐久性，防火性。

涂層材——耐候性，防污性，加工性，耐水性，耐品，透光性。

3 合理的選取材料

用到建設(shè)中的材料，由于它們的層材是不一樣的，所以分成PVC膜與PTEF膜，在選材的時候，要充分的分析建筑的面積以及使用方向以及使用的時間等等的多項內(nèi)容。

PVC膜：其在材料和制作上都較之于另外的一種要節(jié)省，而且它的優(yōu)勢比較多，比如質(zhì)地較軟，而且便于開展建設(shè)工作。不過它也存在一些問題，比如強(qiáng)度以及使用時間和耐火性等方面都較之于另外的一種要差一些。PVC膜材是由聚脂纖維織物加上PVC涂層而成，普通建筑使用的材料，是在PVC涂層材的表面處理上，涂以數(shù)micron厚的壓克力樹脂，進(jìn)而提升它的防污特征。不過，當(dāng)長久的使用之后，它就容易掉色，而且會變臟，質(zhì)量也不如之前好。常見的這類材料的使用時間比較久，由于運(yùn)行的環(huán)境不一樣，一般在五到八年之間。為提升其耐候性特征，近年來已研發(fā)出以氟素系樹脂于PVC涂層材的表面處理上做涂層，這樣可提升它的耐候性特點。

PVDF PVDF是二氟化樹脂的略稱，在PVC膜表面處理上加以PVDF樹脂涂層的材料稱為PVDF膜。它和普通的PVC比對來看，其持續(xù)時間更久，一般可以達(dá)到七年到十年之間。

PVF PVF是一氟化樹脂的略稱。PVF膜材是在PVC膜的表面處理上以PVF樹脂做薄膜狀薄片加工，它比前一種更加的持久，而且更能應(yīng)對污染。不過由于它的制作性和實用性以及耐火性等都不是非常的優(yōu)秀，所有它的使用方向受到一定的局限。

PTFE膜：PTFE膜是在超細(xì)玻璃纖維織物上，涂以聚四氟乙烯樹脂而成的材料。它的優(yōu)勢在于它的持續(xù)性高，而且能夠防火，最主要的是它的抗污染的水平很好。不過PVC比對來看，它的原料費(fèi)用以及制作費(fèi)用等都非常高，而且不是很柔軟，在建設(shè)的時候，為了防止纖維受損，得用專門的設(shè)備和工藝處理。

耐久性：涂層材的PTFE對酸、鹼等化學(xué)物質(zhì)及紫外線非常安定，不會出現(xiàn)變色等現(xiàn)象。而且纖維持續(xù)用后，不易導(dǎo)致它的強(qiáng)度變低。它的色澤通常是白色的，而且透光性非常好，可以使用長達(dá)二十五年時間。

防污性：因涂層材為聚四氟乙烯樹脂，其不具有較高的摩擦性，因此不容易被臟物影響，使用雨水等就可以清洗。

防火性：它合乎全部的防火材料的特征，能夠代替別的物質(zhì)來運(yùn)行。

4 工程應(yīng)用

體育設(shè)施-體育場館、健身中心等交通設(shè)施-機(jī)場、火車站、公交車站、高速公路收費(fèi)站、加油站等文化設(shè)施-展覽中心、劇場、博物館、動物園等景觀設(shè)施-建筑入口、泳池小品、小區(qū)長廊、戶外廣場、標(biāo)識性建筑等商業(yè)設(shè)施-購物中心、餐廳、步行街等工業(yè)設(shè)施-工廠、倉庫、污水處理中心、物流中心、溫室等。

張拉膜結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計只有正確表達(dá)結(jié)構(gòu)邏輯的建筑才有強(qiáng)大的說服力與表現(xiàn)力這句話揭示了張拉膜結(jié)構(gòu)的精髓。針對這種結(jié)構(gòu)來說，所有的支撐以及裝飾等都米有實際的意義，它的構(gòu)造本來就已經(jīng)完美的體現(xiàn)了一切的內(nèi)涵。或者說，所有的不合乎構(gòu)造的造型都沒有意義，主要是由于那種膜要不就是亂飄，要不就是不穩(wěn)定。文章講述的這種材料本身就是融合了力和形。

張拉膜結(jié)構(gòu)的基本組成單元通常有：膜材、索與支承結(jié)構(gòu)。在磚、石等五種材料之后，膜材開始融入到建設(shè)活動中，成為第六類材料。其本來不可以受壓，而且也不可以被彎折。因此要想確保其運(yùn)作合理，就應(yīng)該合理的引入預(yù)張力。除此之外，要想確保其活動合理的另一個特征即是要形成互反曲面。在以往的結(jié)構(gòu)中，為降低變形現(xiàn)象，就要提升結(jié)構(gòu)自身的抗力特點。因為膜結(jié)構(gòu)是經(jīng)由形狀的變化而將力擴(kuò)散開來，從而獲得最小內(nèi)力增長的。如果它在水平方位周圍發(fā)生了變化的話，就會出現(xiàn)兩類回復(fù)力，第一種是通過變形而導(dǎo)致的。第二種是通過材料而導(dǎo)致的。一般來說，它的幾何剛度要大大的超過它的彈性的剛度，因此要確保所有的膜片有著優(yōu)秀的剛度，就應(yīng)盡量形成負(fù)高斯曲面，即沿對角方向分別形成“高點”和“低點”?！案唿c”通常是由桅桿來提供的，或許是因為這種問題，一些材料中也將其成為懸掛膜結(jié)構(gòu)。

索作為膜材的彈性邊界，將膜材劃分為一系列膜片，從而減小了膜材的自由支承長度，使薄膜表面更易形成較大的曲率。有文獻(xiàn)指出，膜材的自由支承長度不宜超過15米，且單片膜的覆蓋面積不宜大于500平米。此外，索的另一個重要作用就是對桅桿等支承結(jié)構(gòu)提供附加支撐，進(jìn)而確保不會由于其破損而導(dǎo)致構(gòu)造出現(xiàn)塌陷等問題。

對于其設(shè)計來說，要注重如下的要素：

（1）初始態(tài)分析：確保生成形狀穩(wěn)定、應(yīng)力分布均勻的三維平衡曲面，而且可以應(yīng)對多種情況中的受力性，其實多次修正的活動。

（2）荷載態(tài)分析：張拉膜結(jié)構(gòu)自身重量很輕，僅為鋼結(jié)構(gòu)的1/5，混凝土結(jié)構(gòu)的1/40；所以它能夠很好地應(yīng)對地震，同時對風(fēng)的影響也很敏感。除此之外，還要分析到雪等的作用。因為現(xiàn)在來講可以觀測的內(nèi)容不是很全面，故對膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計通常采用安全系數(shù)法。

（3）主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的確定，及對支承結(jié)構(gòu)的有限元分析。如果設(shè)計措施和它的構(gòu)造不一樣的話，要落實好多種設(shè)計措施間的參數(shù)變化。

（4）連接設(shè)計：包括螺栓、焊縫和次要構(gòu)件尺寸。

其在方案時期的時候要落實好如下的內(nèi)容：

（1）預(yù)張力的大小及張拉方式；（2）持久性和耐火性；（3）分析到膜面的形狀，防止出現(xiàn)存水現(xiàn)象；（4）關(guān)鍵節(jié)點的設(shè)計，以避免應(yīng)力集中；（5）考慮膜材的運(yùn)輸和吊裝。

在設(shè)計的時候，要分析如下內(nèi)容：

（1）確保其曲率是合理的，這樣可以得到非常高的剛度；（2）將支撐合理的細(xì)化，這樣就能夠體現(xiàn)清晰的空間以及靈便的體形；（3）降低膜和結(jié)構(gòu)之間的連接，減少活動量。

其探索的關(guān)鍵事項：

（1）找形；（2）考慮膜材松弛和各向異性下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)；（3）當(dāng)受到風(fēng)的影響時，其穩(wěn)定性如何；（4）裁剪優(yōu)化。