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ETFE膜结构屋面





随着现代建筑业的发展和建筑技术的不断进步,人们对建筑物的要求,在追求设计风格和建筑效果的同时,更多的强调建筑的功能、建筑的物理性能以及节能和环保,而公共类建筑对大跨度空间的需求越来越高,人们在不断地探索适应这种需求的建筑技术和新型材料,ETFE气枕因而应运而生。


        由于ETFE膜的透光性特别好,号称“软玻璃”,质量轻、韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂,耐候性和耐化学腐蚀性强,可有效地利用自然光和紫外线,具有良好的声学性能和自清洁功能。用于建筑上的ETFE气枕膜结构,可100%回收再利用,低碳节能、绿色环保,ETFE膜建筑外围护结构将是新时代绿色建筑的载体。

       建筑外围护结构中的膜结构,根据结构系统的形式可分为骨架式膜结构、张拉索膜结构、充气膜结构。

        1)骨架式膜结构:骨架式膜结构是钢或其他材料构成的刚性骨架,具有自然稳定性、完整性,膜张拉并置于骨架上构成骨架式膜结构,形态有平面形、单曲面形和以鞍形为代表的双曲线形。

    骨架式膜结构的显著特点在于:膜不是维持结构体系存在的必要结构单元,但膜又不仅仅是单纯地用来覆盖屋面体系,而是充分发挥了其建筑采光功能、高强度受力特性。虽然预张力对骨架式膜结构形态的影响不及张拉膜,但必须引入足够大的张力,才能保证结构受力特性,避免在风荷载作用下膜面发生较大震动,导致松弛使膜面凹陷。骨架一般暴露于膜内侧,且膜的透光性更加突显骨架的室内视觉效果,因此,骨架的布置、形式、材料、节点等是设计考虑的重点,应力求简洁、美观。


        在国外,ETFE张拉膜的工程应用很多,但规模都不大,而在我国应用的典型案例就是国家体育场——“鸟巢”。当时有的膜单元面积达到100多平米,而建筑师又不希望在主钢结构中间划分出若干个小格子,影响外视效果,因而需要对膜结构加强。经过研究和反复试验,创造性地在膜背面加设了钢梁和钢索,并采用特殊的技术将不锈钢索与ETFE膜材复合在一起,共同承受外部正负方向的风荷载和雪荷载,不锈钢索固定在与其垂直交叉的钢梁上,钢梁和钢索都隐藏在膜的后面,实现了预期的外视效果。


        2)张拉索膜结构:建筑中使用的膜结构,主要为张拉式索膜结构系统,顾名思义,张拉索膜结构是通过张拉使膜的内部产生一定的预应力,以抵御外界的风荷载和其他荷载,同时使膜变形成为所需的形状。

  张拉膜是依靠膜材自身的张拉力和特殊的几何形状而构成的稳定的承力体系。膜只能承受拉力而不能受压和弯曲,其曲面稳定性是依靠互反向的曲率来维持,因此需制作成凹凸的空间曲面,故习惯上又称空间膜结构。张拉膜结构通常是沿着膜的边缘布设钢索,在钢索上施加拉力,钢索带动膜张紧、成型,并产生足够的预应力,因而称其是张拉式索膜结构。如果膜的面积过大,膜自身无法承受预期的荷载,则可在膜的中间增设加强钢索,以提高其抗风载能力。


        张拉式索膜结构可以根据需要制成任意复杂曲面形状,体现自然流畅之美;并有多种颜色的膜材可选,以适应周边的环境、满足建筑效果要求;而且膜结构质量轻,一般不需要太庞大的支撑结构,这是其他建筑材料无法比拟的优势所在。


        3)充气膜结构:充气膜结构是在ETFE膜材料技术基础上产生的,是将两层或多层膜通过热熔焊接复合到一起,形成封闭的气枕,其周边夹持在铝合金或其他材料制成的边框内,边框固定于建筑的主体结构上。在气枕内,通过预留的阀口,充入经过过滤及除湿处理的清洁干燥的空气,就制成充气式膜结构系统。这种充气形式,应用于建筑的外围护结构较为普遍。


        ETFE充气膜结构是靠膜材自身的强度和气枕的内压,来共同承担外部荷载的。为了提高ETFE充气膜的保温效果,膜的层数可由二层提高到三、四层。考虑建筑的使用功能,应合理控制膜材的透光率,可采用带颜色或印刷镀点和图案的措施。充气控制系统亦可智能化控制。

保温防水

        ETFE屋面装配系统的次龙骨,采用“天沟+防水保温层”形式。ETFE膜夹具勾挂在钢天沟边沿,钢天沟作为主要受力构件,自攻自钻钉起到固定作用,使该部位的受力更加合理。连接处采用特定复合胶条,使雨水不能渗漏到室内。同时,自攻自钻钉尖部暴露于室外,即使自攻自钻钉孔处漏水,水滴最终仍会流到室外。天沟内采用优质防水及保温材料使屋面更好地发挥其防水功能。


节点防水

        ETFE张拉膜一般不采用在其周边设置钢索并通过钢索使膜张紧的形式,而是把单层ETFE膜切割制成所需的形状,并在其周边设置边绳,再用专用的铝合金夹具夹持住。通过在周边的夹具上施加拉力,使膜材充分张紧,并靠膜材内部的预应力来抵御外部荷载。




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