膜結構支承體系的分類及特性
膜曲面單元的邊界通過點或線連接于膜結構的支承體上,形成一套完整的膜結構體系。膜結構的支承體可以獨立構成一個穩(wěn)定的結構體系,膜曲面單元僅為圍護體,這類膜結構稱為骨架式膜結構體系;膜結構支承體也可與膜曲面單元共同形成穩(wěn)定的受力結構體系,膜曲面形成不可缺少的受力單元,這類膜結構稱為張拉式膜結構體系;兩個具有正高斯曲面性質的碗形膜曲面可成對封閉并由充斥其內的空氣壓力所支承,這類膜結構稱為氣枕式膜結構體系。
(1) 張拉式膜結構
張拉式膜結構中,膜結構的曲面單元與其支承體共同構成一個完整的結構受力體系。張拉式膜結構的支承體一般為脊、谷、邊、斜拉索、撐桿、飛柱等,并不能獨自構成穩(wěn)定的受力體系,膜曲面單元的破損或缺失將導致整個結構體系的饋塌。在張拉結構中,膜面必須充分張緊才能承擔其結構單元的功能。因為充分張緊,膜面高度光滑和光潔,令室內具有良好的透光效果;因為膜面充當了結構受力單元,支承體并非完整的結構體系,因此支承體構件較少,結構體系極其簡潔。不過張拉式膜結構在設計中應考慮諸多外力影響因素,否則將導致結構體系的安全度不高,一旦膜面因強臺風或其他原因破損,將導致整個結構體系的失效。2010年上海世博會中世博軸采用了張拉式膜結構體系。
(2)骨架式膜結構
骨架式膜結構中,膜曲面單元通常只起到圍護作用,膜面的支承體系是獨立且穩(wěn)定的結構承重體系。膜曲面單元可以是馬鞍形或傘形的。這類膜結構體系的****優(yōu)點在于結構體系的安全度高,因為膜曲面單元的損壞或缺失不會影響整個結構體系的安全性。但這類膜結構體系中支撐構件較多,很大程度上影響了其室內建筑觀感和透光性,無法體現膜結構輕盈飄逸的特點。第七屆全國花舟博覽會北京主場館就采用了骨架式膜結構體系。
(3)氣承式膜結構
氣承式膜結構中,建筑物的整個屋面形似一個倒扣的碗面,由充斥于建筑物內的空氣壓力支承。由于膜材料極輕的自重,這類膜結構所需空氣壓力也很小,因此氣承式膜結構是一種極為輕型高效的結構體系。但是,采用氣承式膜結構體系的建筑物,必須設置鼓風裝置,不間斷的充氣以補充氣壓,一旦斷電后,整個屋頂膜曲面將逐漸塌落。建筑層高較低的氣承式膜結構建筑內,必須充分考慮到這種情況,通過設置支架防止膜屋面塌落導致室內人員窒息的情況發(fā)生。著名的東京穹頂就釆用了氣承式膜結構體系。
(4)氣枕式膜結構
氣枕式膜結構的膜面單元類似充氣枕頭,依靠填充于封閉膜單元內的氣壓支承膜單元的曲面形狀。氣枕式膜結構一般釆用ETFE透明膜材料,夜晚氣枕內側配以燈光可達成弦彩的建筑效果。與氣承式膜結構類似,氣枕內的空氣氣壓必須恒定以維持氣枕形狀。所以,一般需設置氣枕氣壓的監(jiān)控和自動充氣裝置。ETFE膜材具有較明顯的蠕變特征,相比于氣承式膜結構,自動充氣對于氣枕式膜結構更為重要。德國安聯(lián)體育場的外圍護體就采用了氣枕式膜結構體系。
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