膜結構在混凝土模板中的應用

付 茜 雅

(北方工業大學土木工程學院，北京 100144)

膜結構是21世紀具有代表性的建筑結構形式之一，為現代空間結構體系和建筑設計提供了較大發展空間。優秀的膜結構強度高、柔韌性好，同時厚度小、質量輕，防火性、耐久性、氣密性均較強[1]，可單層、多層或充氣使用，可較好地保持曲面結構。在建筑領域中既可作為結構材料又可作為模板材料，充分發揮其抗拉強度高的特性。其透水不透漿的特性，作為模板時可提高模注混凝土強度，且適用于規模大或狹窄的施工場地。膜材優良的物理性能及化學性能支撐著膜結構的設計，性能優異的新型膜材的研發帶動著膜結構在混凝土模板中的應用日漸廣泛。

1 膜結構

膜結構區別于傳統剛性結構，是由柔性膜材料為主體組成的結構。膜材是由基材和涂層組合而成的一種涂層織物，增強纖維材料編織而成的基材決定其是否具有優良的力學性能，涂層則保證著材料的氣密性、自潔性，并在一定范圍內保護并支撐纖維，將附加在上面的荷載均勻地進行傳遞[2]。膜結構隨著膜材的不斷發展，集建筑技術、材料工藝、設備管理技術等為一體，成為當今結構的重要分支[3]。

早期的膜結構由帳篷結構演變發展而來[4]，在發展初期這種結構最明顯的優點是不采用任何金屬、塑料等硬質桿件，可在最大程度上避免因桿件破損導致內部物質受到損傷或破壞。發展至今，由于其具有包裝后體積較小，且包裝后形狀較為規則，便于儲存與運輸；對施工空間要求較少，需要的設備與儀器簡便；部分膜結構采用充、排氣設備，無需支護結構或需少量支護結構，施工便捷，空間利用率高；有相對較少的單位面積造價等優點，逐漸應用于混凝土模板中。

2 膜結構在混凝土模板中的應用及優勢

發展初期的膜結構被用于搭設臨時性軍用建筑[5,6]，隨著研究的不斷深入逐漸被用于各種臨時展覽館、倉庫的建造。時至今日膜結構已廣泛應用于各個領域，生活領域中各類體育場館的建設[7]，軍事領域中的臨時急救站、醫療倉庫、臨時指揮部等，隨著航空航天技術的不斷發展也有學者正在研究如何使用膜結構構建大型的月球居住結構[8]。

現如今膜結構因其造價低、形狀可變、施工簡便、易運輸等優勢逐漸被運用于混凝土模板中，多位專家學者對其進行研究，旨在將其運用于更多領域的現澆混凝土工程中。柔模混凝土作為一種新型組合結構，有著普通混凝土無法比擬的優點，可應用于土坡開挖、基坑支護、邊坡加固等工程，也可用于鐵路加固、房屋軟基礎加固、擋土墻加固[9]，橋梁混凝土柱與地下工程等。在邊坡治理方面，柔模混凝土支護被用于基坑開挖以及邊坡穩定，是一種新型的支護擋土結構同時也是一項國際上非常先進的邊坡治理技術，適用于開挖規模大或者施工場地狹窄的工程[10]。其優勢在于柔性模板透水不透漿，可增大現澆混凝土的密度與強度；柔性模板面積大且整體性良好，可針對工程需要制作不同形狀、尺寸、厚度的模板，制作速度快、用料少、施工便利。在地下工程的支護方面，柔模混凝土的研究處于起步階段，主要是其在沿空留巷中的研究與應用(見圖1)。柔模混凝土用于加固圍巖并與圍巖形成整體，不僅能對圍巖起到加固作用同時會與圍巖組成一個整體，共同承受位移與變形，維護巷道穩定[11]。在基坑支護領域柔模混凝土支護技術也是一項新技術，利用柔性模板制成的混凝土擋土墻抗滲透力強，支護強度大、效果好，架設簡單方便，工程實用效果良好。膜材亦可制作成充氣膜結構用于澆筑曲面較多的混凝土結構或需水上澆筑的結構，如浮式風電的基礎部分(見圖2)，克服傳統模板曲面拼裝率低、運輸困難、支護結構多、水中施工難度大、造價高等問題，澆筑完成后不進行拆除還可以為結構提供浮力，有很大的應用前景。

3 存在的問題

膜結構作為混凝土模板時多與現澆混凝土結合成為柔模混凝土使用，存在較為獨特的優點，柔模混凝土剛度大，膜結構本身易于保持曲面，更加適用于曲面結構，且膜結構是柔性結構體系，由于膜材特殊的結構特性的限制，在使用時存在一些難以完善處理的問題，其中最突出的是變形問題。當膜結構用于混凝土充氣模板時，變形問題對澆筑出的結構尺寸影響大，柔性結構易發生變形，過大的變形會使膜材破裂，使結構喪失承載力失去原有工作性能[12]，因此需要建立一個合理的膜結構體系或研發剛度更大的新型膜材來解決以上問題，例如可在充氣膜結構中增加拉筋，用于控制澆筑出的混凝土尺寸，可增加加強帶與加筋繩用于提高柔性膜材的抗拉強度，或是將充氣膜結構劃分成多室結構，減小單一充氣膜結構的體積等。

4 結語

膜結構特殊的材料性能使其在施工場地狹窄、開挖規模大或水上施工等施工條件下更適宜用作混凝土模板，膜結構混凝土模板施工難度低、耗材量小等優點也給工程帶來了更大的效益。但其變形問題是未來還需面對的最主要問題，一方面要進行新型膜材的研發以從材料本身解決剛度不足的問題，另一方面需要建立合理的膜結構體系，在材料自身性能不足的情況下增加部分構件使其達到使用要求。