充气膜结构的设计与施工技术

广东省中材高新材料有限公司

建筑膜结构·膜材料·咨询·设计·施工·安装·维护企业

具备PVF·PVDF·PTFE·ETFE建筑膜材料多条生产线高新技术企业







  • 全国服务咨询热线
  • 133-9286-6326

充气膜结构的设计与施工技术

返回上一页首页 - 新闻中心 - 最新资讯

充气膜结构的设计与施工技术

发布日期:2020-10-13浏览次数:708Tags:充气膜结构的设计与施工技术

充气膜结构的设计与施工技术

薛素铎,教授,博士,博士生导师,《钢结构》杂志编委。北京工业大学空间结构研究中心主任,享受国务院政府特殊津贴专家,北京高校拔尖创新人才,北京市教学名师,北京市高层次创新创业人才支持计划领军人才,国家级精品课程和国家级精品资源共享课主持人。兼任国际壳体与空间结构学会(IASS)执委,高等学校土建学科土木工程专业指导委员会委员,中国钢结构协会常务理事,中国钢结构协会空间结构分会理事长,膜结构专业委员会主任委员,中国土木工程学会空间结构委员会副主任委员,中国钢结构协会专家委员会专家等。多年从事大跨度空间结构、结构抗震与减振控制研究,主持完成30余项国家级和省部级科研项目,多项研究成果达到国际先进水平。已出版著作、教材7部,获国家专利20余项,发表学术论文150余篇。先后获国家科技进步三等奖1项、北京市科技进步二等奖2项和北京市科学技术奖二等奖2项,获国家级教学成果奖二等奖2项、北京市教育教学成果奖一等奖4项,主编教材《建筑抗震设计》获“十二五”国家级规划教材。培养博、硕士研究生60余名。

第一章 绪 论

0.概述

本章总体讲述了充气膜结构的分类、发展、在我国的应用与发展、应用领域及特点等。

1.充气膜结构的分类

2.充气膜结构的发展

◆ 1917年英国的 Willian Lanchester提出充气结构概念,用于野战医院,并申请专利。

◆ 1946年 英国的Walter Bird建造了首座直径15米的充气穹顶-多普勒雷达穹顶。

◆ 1967年在德国斯图加特召开了第一届国际充气结构会议。随后在美国、德国等地建造了大量充气膜穹顶,最大跨度达到60m。

◆ 1970年日本大阪世界博览会充气膜结构的发展提供了重要契机。

• 开始应用于商业建筑

膜结构乃至建筑业的一次转折

• 戴维.盖格( David Geiger )设计的美国馆(139mx78m)

材质:玻璃纤维为基布 聚氯乙烯涂层

• 川口卫(Mamoru Kawaguchi)设计的富士馆,气肋式。

• 16根气肋直径4m、长78m

◆ 20世纪70年代美国多家公司合作开发出特氟隆(Teflon)膜材,为膜结构广泛应用于永久、半永久性建筑奠定了基础。

◆ 随后,用特氟隆膜材料做成的气承式膜结构建筑相继出现在大中型的体育建筑中。

在北美、日本相继建成了十几座大中型的扁平状充气建筑。

• 1975年 美国 “银色穹顶” 220mx159m 椭圆

• 1983年 加拿大 B.C.馆 232mx190m 椭圆

1985年美国METRO穹顶被大雪压塌

为解决扁平气膜屋盖在使用过程中出现的问题,上世纪80年代后期,对气承式膜结构进行了技术改进,最主要的方案是加大矢高。

• 1988年 美国 内华达州绿谷体育中心 PVF

• 2007年 美国 阿拉斯加某体育俱乐部 (400米跑道标准田径场)PVF

气枕式膜结构是伴随着ETFE膜材的出现而诞生的。

英国“伊甸园”温室 2001年

德国慕尼黑安联体育场 2005年

近年来,随着建筑技术的日益进步,气囊式膜结构开始被建筑师和工程师重视并加以应用。

苏黎世艺术海滩 2002年

Agile自行车竞技场 2002年

3.充气膜结构在我国的应用与发展

国内第一座充气膜建筑

北京顺义某基地招待所游泳馆 1995年,30mx36m矩形,建筑面积10750m2 PVC

在随后的十年中,充气膜结构并未得到真正发展,直到2006年左右,充气膜结构才又有了新的生机。

北京朝阳公园网球馆

我国目前建成的气承式膜结构数量已经超过500.

应用数量

发展阶段

2008年北京奥运会和2010年上海世博会为我国膜结构的发展提供了重要的发展契机。

国内第一个大型ETFE气枕膜结构

2008年北京奥运会“水立方”

2010年上海世博会 日本馆

随后一些地标性的ETFE气枕式膜结构项目相继建成。迄今我国已建成大型ETFE气枕膜结构超过80座。

大连市体育中心 2013

上海迪士尼乐园 2016

气肋式和气囊式膜结构应用数量相对较少。

国内某航空航天试验基地

滨海污水处理厂污水池加盖工程——气囊式

4.充气膜结构的应用领域

由于充气膜结构具有丰富多彩的造型、优异的建筑特性、结构特性和适宜的经济性等其他传统建筑无法比拟的优势,因此备受青睐,被应用于工业、民用、军事等许多领域中,具有广阔的应用前景。

气承式膜结构应用领域分类统计

近年来,随着国家环保要求的提高,气承式膜结构开始应用于环保领域。

环保领域——储煤棚

环保领域——污染土覆盖

中煤集团电力公司球形煤仓

气膜钢筋混凝土扁壳

冰塔结构

冰旅馆

ETFE气枕膜结构应用领域分类统计

移动飞机库——气肋式膜结构

飞艇——气囊式膜结构

5.充气膜结构的特点

① 气承式膜结构的特点

良好的经济性;满足大跨度、大空间需求;建设周期短,可整体拆装移动;节能环保,防止雾霾;安全性高;适用性强。

② 气枕式膜结构的特点

建筑造型优美,建筑物理功能优越;结构体系轻盈,施工安装便利;节能环保,便于维护保养;防火性能优良;使用寿命长。

第二章 材 料

0.概 述

用于充气膜结构的材料包括膜材、拉索、保温材料以及其他连接辅件。本书章节介绍这些材料的种类、特点、设计参数以及选用方法。

1. 膜 材

膜材是充气膜结构的主要材料,起到密封以及承载的作用,决定了充气膜结构的使用以及安全性能。膜材料的种类繁多,同时随着材料工业的发展,强度高、耐久性好的新型膜材得到研发和应用。

1.1 膜材的种类

① 织物类膜材

② 热塑聚合物类膜材

③ 其他膜材

如将柔性太阳能电池与膜材进行复合形成可发电的膜材,超柔软可反复折叠的膨体聚四氟乙烯纤维膜料,具有透光透气性能的各类网格膜材等。

1.2 膜材的力学性能

本节介绍了膜材的主要力学性能如极限抗拉强度、屈服强度、撕裂强度以及弹性模量等指标。本书附录中给出了国内外膜材厂商提供的膜材性能参数表。

1.3 膜材的其他物理性能

本节介绍了膜材的透光性能、保温性能、声学性能、燃烧性能等。

2.拉索

2.1 拉索的种类及其构成

拉索由索体与锚具组成,气承式膜结构中索体常采用钢丝绳、钢绞线和非金属索体等。本节介绍了索体和锚具的种类。

2.2 拉索的力学性能

本节介绍了钢丝绳和钢绞线力学性能影响因素,弹性模量、极限抗拉强度、线膨胀系数取值办法。

2.3 保温材料

本节介绍了气承式膜结构常用的保温材料及相关性能,如:玻璃纤维棉双面覆铝箔玻纤布、XPE(化学交联聚乙烯泡棉)双面复合铝箔、橡塑保温棉双面复合铝箔、玻璃纤维气凝胶毡、无纺布气凝胶毡。

4.连接辅件材料

本节介绍了气承式膜结构中连接辅件材料:非金属材料与金属材料,金属材料主要有铝合金、不锈钢和钢材等,非金属材料主要PVC橡胶垫、边绳和绑绳等。

第三章 建筑与设备设计

0.概述

本章介绍了气承式膜结构建筑与设备设计的主要过程,包括建筑设计、建筑物理环境设计、建筑防火与疏散设计、门窗设计、设备设计。

1.建筑设计

建筑设计时建筑师应该从室外总体布局入手,首先应满足业主提出的功能要求,同时做好建筑的形体和立面设计。本节介绍了建筑设计的主要过程,包括总体布局设计、建筑功能设计、建筑形体设计。

2.建筑物理环境设计

本节介绍了建筑物理环境设计的主要过程,包括光环境设计、热环境设计和声环境设计。

3.建筑防火、疏散设计

膜建筑设计必须有明确防火设计思想。本节介绍了气承式膜结构设计的相关规定及注意事项。

4.门窗设计

本节介绍了气承式膜结构门窗设计的相关规定及注意事项。

5.设备设计

本节介绍了充气膜结构设备设计的相关内容,包括:充气系统设计,气承式膜结构控制系统设计,气枕式膜结构控制系统设计,空气调节系统、防雷设计。

第四章 结构设计

0.概述

本章介绍了充气膜结构结构设计全过程,包括:形态设计、索网设计、内压设计、荷载及荷载组合、荷载效应分析、裁剪设计、空气泄漏、结构塌落与逃生、连接构造九部分。

1. 形态设计

本节介绍了气承式膜结构、气枕式膜结构、气肋式膜结构、气囊式膜结构形态设计一般过程。

2.索网设计

膜面附加索网是减小充气膜结构膜面应力的一种合理方式,本节介绍了从索网功能、索网形状、常用索网的特点及适用范围、索网设计的技术要求四个方面介绍了索网设计的要求。

3.内压设计

内压是充气膜结构独有的设计参数,也是结构形成刚度维持稳定的核心因素。本节介绍了气承式膜结构设计最大内压、最大工作内压、最小工作内压、正常工作内压的设计要求和考虑因素。

4.荷载及荷载组合

本节介绍了气承式膜结构设计时永久荷载、活荷载、内压、风荷载、雪荷载、其他荷载的考虑和取值方法以及荷载效应组合。

5.荷载效应分析

本节介绍了气承式膜结构荷载效应分析的特点、内压的模拟、强度与刚度的计算。

气承式膜结构的变形与工作气压相关,国内外尚无关于其变形值的规定。《膜结构技术规程》CECS158参考工程经验给出了变形应满足的条件。

在满足CECS158的建议外,本书对结构变形限值给出了建议值:(1)气承式膜结构的水平最大位移不宜大于其高度的1/10;(2)竖向最大位移不宜大于其跨度的1/30。

通过四类膜结构分析实例详细介绍了结构变形的计算。

6.裁剪设计

本节介绍了充气膜结构裁剪设计方法。包含裁剪设计的内容和步骤、裁剪线布置、裁剪的应变补偿、裁剪设计的方法。

7.空气泄漏

气承式膜结构也并非是一个完全封闭的系统,会有一定量的空气泄漏。结构设计时,需评估和计算气承式膜结构的空气泄漏量。

本节从空气泄漏的位置、空气泄漏的理论分析、空气泄漏的估算三方面介绍了空气泄漏的设计过程,并结合国外规范,给出了部分泄气位置的空气泄漏率取值。

8.结构塌落与逃生

本节通过气承式膜结构的塌落和气枕的塌陷两方面介绍了结构塌落与逃生设计相关内容。

介绍了气承式膜结构泄气评估、倒塌过程的共性规律、气密性检测方法、泄气时间的估算方法及逃生设计。

9.连接构造

本节介绍了气承式膜结构膜片间的连接构造、膜单元的连接构造、膜单元与支承面的连接构造、拉索节点的连接构造。

第五章 施 工

0.概述

本章介绍了充气膜结构的施工基本步骤和要求,包括:加工、安装、充气与调试三部分。

1.加工

本节主要介绍了膜体部分的加工,包括加工前的准备、膜材加工、膜单元的包装与运输。

2.安装

本节主要介绍了充气膜结构的安装过程,包括安装前的准备、应急门和人员车辆(设备)进出门的安装、机电设备的安装、膜单元的安装、索网安装。

3.充气与调试

本节主要介绍了充气膜结构充气与调试施工过程,包括充气前的准备、充气与调试、充气后的安装、安装完成、培训、验收。

第六章 使用与维护

1.概述

合理的使用与维护以及定期检查对保证充气膜结构的使用寿命具有重要意义,充气膜结构保持良好的运行状态,需要操作和维护人员严格按照生产商提供的使用与维护手册进行操作和维护,养成巡视检查的习惯。

2.维护内容

本节介绍了充气膜结构的维护内容,包括:充气设备,控制系统,备用电源,基础锚固,膜材的修补,膜面的清洁,索及索网,连接节点,送、回风风道,门禁系统,异常的空气泄漏十一个方面。

3.检查和记录

本节介绍了充气膜结构的检查和记录内容,包括检查项目、定期检查制度、暴风雪后的检查、检查记录。

第七章 典型工程案例

0.概述

本章选用国内典型工程案例,详细介绍了四类充气膜结构工程的设计、施工过程。

1.气承式膜结构

◆ 中央电视塔职工健身中心气膜馆

该工程位于北京市海淀区中央电视塔西侧,长57m,宽50m,高17m,建筑面积2850m2 ,2014年6月竣工。

本节重点介绍该工程材料选择、荷载分析、裁剪设计、典型节点、门禁系统、馆内照明、机械单元成套设备、控制系统、施工过程等方面内容。

◆ 北京某国际学校气膜运动馆

该工程建筑轮廓尺寸为48m长、34m宽、13.65m高,气膜运动馆东南角与原有土建结构会所连接,2011年9月竣工。

本节重点介绍该工程设计说明、建筑主体、成套设备等方面内容。

◆ 天津响螺湾体育休闲广场气膜工程

该工程位于天津市滨海新区,包括体育休闲广场、配套停车位及周边绿化,总用地面积约27612m2。气膜结构的体育馆建筑总面积为4867.88m2。

本节重点介绍该工程主体结构设计、机械单元成套设备、消防设计等方面内容。

◆ 神华巴彦淖尔能源有限责任公司选煤厂气膜工程

该项目利用气膜结构的轻质大跨特点实现对原煤储煤场的覆盖,保护储煤免受自然环境的影响,起到降尘节能等环保作用,储煤棚长400m、宽110m、高42m。

本节重点介绍该工程建筑整体设计、气膜结构分析、机械单元成套设备等方面内容。

◆ 招商港务(深圳)外场充气膜仓库

该项目位于招商港务(深圳)有限公司外场堆放厂区内,因码头到港粮食采用室外露天堆存,受天气影响较大,建设单位通过对项目造价、工期、结构类型等综合对比决定采用空气支承气膜结构对其室外堆场进行覆盖。该工程是国内首个将气膜应用于粮食储存的项目,气膜仓库长160m、宽50m、高20m。

本节重点介绍该工程建筑整体设计、气膜结构分析、机械单元成套设备等方面内容。

2.气枕式膜结构

◆ 大连体育中心体育场罩棚ETFE气枕结构

大连市体育中心体育场是第十二届全国运动会的主要比赛场馆之一,其整体平面为椭圆形,长轴方向长320m,短轴方向长293m,总建筑面积约12.8万m2,可容纳观众约6万人,2014年竣工。

本节重点介绍该工程膜材基本参数确定、气枕受力性能分析、节点设计等方面内容。

◆ 万科东莞植物园ETFE气枕膜结构

该工程为热带雨林植物园,覆盖面积约3850m2,包括552个气枕单元,其中36个单元可以侧向开启,82个单元可以顶升开启,2016年11月竣工。

本节重点介绍该工程结构体系、膜结构分析、典型节点、供气系统、气枕加工制作、安装过程等方面内容。

◆ 上海迪士尼明日世界创极光轮ETFE天幕工程

该工程为位于上海迪士尼乐园的明日世界主题园区,该工程建筑上采用了不规则的壳体结构,为ETFE气枕找形带来了很大的困难。整个项目总面积为5000m2,由71块气枕组成,其中最大的气枕面积为220m2,2015年竣工。

本节重点介绍该工程钢结构转接件设计、铝型材设计加工、ETFE气枕设计、 ETFE气枕安装等方面内容。

◆ 石狮世茂国际广场一期天幕

该工程用于覆盖南北贯通的多栋建筑群,天幕上表面的ETFE气枕膜结构区域展开面积北区为6759m2,南区为3675m2,总计为10434m2,2016年9月竣工。

本节重点介绍该工程结构体系、荷载分析、膜结构分析等方面内容。

3.气囊式膜结构

◆ 滨海污水处理厂污水池充气膜加盖工程

本工程位于盐城市滨海沿海化工园区,包括收集池及厌氧池,占地面积5600m2,收集池平面尺寸30mx20m,厌氧池单个平面尺寸10mx20m。

本节重点介绍该工程充气膜加盖方案、充气膜结构分析、机械单元成套设备、改造后效果等方面内容。

4.气肋式膜结构

◆ 某气承与气肋组合式充气膜结构工程

该工程某航空航天试验基地项目,建筑物净占地面积为670m2,包含两部分:试验用主球体和通道。二者均为高压气肋和低压气承式组合充气膜结构,其中高压气肋为直径1.5~3m的弧形圆柱曲面,设计内压10kPa,为整个膜面提供骨架支承作用;低压气承式充气膜为单层膜面,设计内压300Pa,特殊天气下二者相互作用共同承受外荷载。