北京奧運(yùn)會(huì)體育場(chǎng)游泳館的幕墻解密

　　四、ETFE膜結(jié)構(gòu)幕墻設(shè)計(jì)要點(diǎn)
　　1．ETFE在方案階段需要考慮的要點(diǎn)
　�。�1）預(yù)張力的大小及張拉方式；

　�。�2）根據(jù)控制荷載來確定膜片的大小和索的布置方式；

　�。�3考慮膜面及其固定件的形狀以避免積水（雪）；

　�。�4）關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，以避免應(yīng)力集中；

　�。�5）考慮膜材的運(yùn)輸和吊裝；

　　（6）耐久性與防火考慮。

　　2．ETFE膜結(jié)構(gòu)幕墻設(shè)計(jì)階段的要點(diǎn)
　　（1）保證膜面有足夠的曲率，以獲得較大的剛度和美學(xué)效果；

　�。�2）細(xì)化支承結(jié)構(gòu)，以充分表達(dá)透明的空間和輕巧的形狀；

　　（3）簡(jiǎn)化膜與支承結(jié)構(gòu)間的連接節(jié)點(diǎn)，降低現(xiàn)場(chǎng)施工量。

　　4． ETFE膜結(jié)構(gòu)幕墻研究的主要問題有
　　（1）找形（Form-finding）或更進(jìn)一步叫“形態(tài)理論”；

　�。�2）考慮膜材松弛和各向異性下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)；

　�。�3）結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力穩(wěn)定性；

　　（4）裁剪優(yōu)化；

　�。�5）膜與索及支承結(jié)構(gòu)間的相互作用。

　　
　　五、ETFE膜結(jié)構(gòu)幕墻設(shè)計(jì)風(fēng)荷載探討

　�。�3）膜結(jié)構(gòu)最大風(fēng)荷載時(shí)，變形較大，其形狀和初始形狀可能會(huì)有較大區(qū)別，傳統(tǒng)的按初始形狀確定風(fēng)載體形系數(shù)的方法可能誤差較大，按照受載變形后的形態(tài)來確定風(fēng)載體形系數(shù)又是一個(gè)非線性課題，加上膜結(jié)構(gòu)的外形變化多異，現(xiàn)行荷載規(guī)范中，鮮有關(guān)于膜結(jié)構(gòu)風(fēng)載體形系數(shù)的具體條款。在參照現(xiàn)有規(guī)范確定膜結(jié)構(gòu)幕墻的風(fēng)荷載時(shí)，理解不同，設(shè)計(jì)取值常相差很大。因而幕墻風(fēng)載體形系數(shù)宜以風(fēng)洞試驗(yàn)為準(zhǔn)。

　　（4）膜結(jié)構(gòu)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)很重要，但費(fèi)用昂貴。早在70年代，日本大阪萬國(guó)博覽會(huì)美國(guó)館就做過膜結(jié)構(gòu)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[ 2 ]。風(fēng)載過大破壞的例子，日本熊本穹頂?shù)目缍?07m、直徑128m、高40m，膜結(jié)構(gòu)為周邊支撐，雙層充氣膜的設(shè)計(jì)風(fēng)壓302kgf/㎡，常時(shí)內(nèi)壓30mmAq，強(qiáng)風(fēng)（高10m處的平均風(fēng)速15m/s）時(shí)內(nèi)壓60mmAq，內(nèi)壓由三臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)維持。1999年18號(hào)臺(tái)風(fēng)使日本熊本穹頂?shù)碾p層充氣膜結(jié)構(gòu)破壞，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速（高10m）：10分鐘平均風(fēng)速是27.6m/s，瞬間最大風(fēng)速49.3m/s，為該地區(qū)400年的最大風(fēng)速。破壞現(xiàn)象為1層大型回轉(zhuǎn)門鎖定破損，22處打開，上層索一根折斷，二層空氣膜的上膜、下膜破損，支撐結(jié)構(gòu)損壞，雙層玻璃全部破損。

　�。�5）膜結(jié)構(gòu)幕墻反轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)：膜曲面在曲率增大時(shí)，風(fēng)、雪等荷載將引起大變形。支撐膜的情況下，大曲率時(shí)風(fēng)荷載引起曲率反轉(zhuǎn)也時(shí)有發(fā)生，在最大風(fēng)荷載時(shí)不允許某種程度的反轉(zhuǎn)相當(dāng)困難時(shí)，反轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)是必要的。

　　（6）在膜結(jié)構(gòu)幕墻的分析設(shè)計(jì)中，是否要考慮材料的非線性及各向異性性能？通常預(yù)應(yīng)力不超過5%的抗拉強(qiáng)度、工作應(yīng)力不超過20%的抗拉強(qiáng)度的范圍內(nèi)，為簡(jiǎn)便設(shè)計(jì)計(jì)算，一般可假定膜材料為正交異性的線彈性材料， 認(rèn)為膜材是處于彈性階段，亦即不考慮材料的非線性。

　�。�7）膜結(jié)構(gòu)幕墻的安全系數(shù)。對(duì)于膜結(jié)構(gòu)而言，任何情況下不允許膜中有無應(yīng)力狀態(tài)。在高應(yīng)力狀態(tài)下，膜材料的抗拉強(qiáng)度越高，越不易發(fā)生徐變和老化；其次，在大跨度膜結(jié)構(gòu)中，膜中應(yīng)力往往較大，且對(duì)膜的安全度要求較高，一般在長(zhǎng)期荷載作用下，安全系數(shù)取6～8；在短期荷載作用下，安全系數(shù)取4。安全系數(shù)考慮了以下幾種不利因素：膜材料本身的強(qiáng)度和彈性常數(shù)有較大的變異性；膜結(jié)構(gòu)計(jì)算假定及計(jì)算結(jié)果的不精確性；膜材料雙向應(yīng)力測(cè)試與實(shí)際情況的差異；紫外線照射下膜材的老化；膜材的疲勞；膜材制作和施工過程中的劃傷和折迭等。

　　幕墻膜結(jié)構(gòu)的膜材必須具有較高的抗拉強(qiáng)度及抗撕裂強(qiáng)度。但膜材平面內(nèi)的抗壓、抗彎強(qiáng)度幾乎為零，抗剪強(qiáng)度也很低，并具有一定的各向異性和材料幾何非線性性質(zhì)，使用時(shí)又易發(fā)生應(yīng)力松弛和徐變，因而在膜結(jié)構(gòu)分析計(jì)算中如何正確地確定膜材的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)及與結(jié)構(gòu)關(guān)系將是一項(xiàng)極其繁瑣而又必不可少的事情。


　　六、結(jié) 束 語
　　膜結(jié)構(gòu)是21世紀(jì)“綠色建筑體系” ，ETFE膜材是21世紀(jì)“綠色建材”。目前，在全球范圍內(nèi)索膜結(jié)構(gòu)無論在工程界還是在科研領(lǐng)域均處于熱潮中�！傍B巢”、“水立方”、的方案采用膜結(jié)構(gòu)幕墻和屋頂順應(yīng)了這一熱潮，激了我國(guó)索膜建筑和膜材事業(yè)的發(fā)展，近年來我國(guó)建筑市場(chǎng)對(duì)索膜建筑技術(shù)和膜材的需求明顯有大幅度增長(zhǎng)的趨勢(shì)，國(guó)外各大著名索膜技術(shù)和膜材專業(yè)公司紛紛登陸我國(guó)，隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)一步發(fā)展，使人類面臨著保護(hù)自然環(huán)境的使命。因此，天然材料和傳統(tǒng)的古老建筑材料必將被輕而薄且保溫隔熱性能良好的高強(qiáng)輕質(zhì)膜材所取代，其在建筑幕墻和屋頂領(lǐng)域內(nèi)更廣泛的應(yīng)用是可以預(yù)見的。


　　主要參照文獻(xiàn)：
　　1．《現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)》 劉錫良編著 天津大學(xué)出版社
　　2．《索和膜結(jié)構(gòu)》 張其林編著 同濟(jì)大學(xué)出版社
　　3．Cristian.Schittich.BuidingSkins,Birkhauser.Basel.Boston.2001
　　4．《膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論》 關(guān)富玲等著　浙江大學(xué)空間結(jié)構(gòu)中心
　　5．《High-tech para high-tech》 La arquitectura las empresdel futuro

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