气枕式膜结构的发展

   传统意义上,膜结构按受力特性可分为张拉式膜结构 、充气式膜结构 、骨架式膜结构 。其中充气式膜结构又可分为气承式膜结构和气胀式膜结构。气枕式膜结构起源于气胀式膜结构 。气胀式膜结构是指如同气球一般,将膜材包裹成封闭构件,向膜构件内部充气,使膜材产生张力,从而具有一定的刚度, 将多个膜构件组合形成整体受力体系 。

   1970 年,在日本大阪世博会上,川口卫设计的香肠气胀式膜结构———日本富士馆引起了人们对气胀式膜结构的关注。这种结构形式不需要保持不同的室内 、外气压,舒适度较好,但结构受力不如气承式膜结构合理,跨度相对较小,在膜结构的发展初期应用较少。

   随着人类对建筑功能要求的增加,透明 、轻盈且具有高性能的 ETFE 薄膜研发取得成功。但其单张膜的抗拉强度相对于织物类膜材较低,难以对其附加过大的预应力使之张拉具有适当的刚度,常常采用气枕的形式多张共同受力 。凭借这种材料,气枕式膜结构逐渐兴起并迅速发展 。它将多层( 一般 2 ~ 3 层) ETFE 膜材周边热合并用夹具封闭固定在骨架上,内部充气使其形成气枕并具有一定刚度以抵抗外部荷载,自身仅起到围护结构的作用 。它属于气胀式膜结构和骨架式膜结构的结合,具有轻质 、透光 、隔热 、抗腐 、耐候 、自洁等良好性能,力学性能也极佳,被广泛应用于大型公共建筑中 。

   我国在 2004 年由中国工程建设标准化协会颁发了《膜结构技术规程 》,在膜结构设计与施工中得到广泛应用,近年来对该规程进行了修订, 根据我国在 ETFE 膜结构方面的发展,增加了有关材料特性 、设计与施工等内容 。
   在国外,ETFE 气枕式膜结构以德国慕尼黑安联球场和英国伊甸园工程为代表最为突出 。德国慕尼黑安联球场表面由 2874 块菱形 ETFE 气枕组成,具有较好的自洁 、防水 、防火以及隔热性能 。伊甸园工程作为世界上最大的温室,使用了 625 块六边形 、16 块五边形和 190 块三角形的 ETFE 枕形膜结构, 每块由 3 张ETFE 膜叠加并充入空气,再沿边缘热合焊接,空气层具有较好的隔热作用,且透光率高,是非常好的温室建筑材料 。


   在国内,2008 年北京奥运会国家游泳中心“水立方 ”是国内首次采用 ETFE 气枕式膜结构,采用双层 ETFE 蓝色气枕,表面覆盖面积达到 10万m2,是目前国内规模最大的 ETFE 气枕式膜结构工程


   此后,ETFE 气枕式膜结构在国内逐渐开始被广泛采用,下面选取几个工程实例:

( 1 ) 2010 年上海世博会日本馆又名“紫蚕岛”,长度为 95 m,宽度为 54 m,总建筑面积为 8397.1m2,整个建筑由单层网壳穹顶覆盖,围护结构采用了双层ETFE气枕,并在膜内配合太阳能电池,可以充分利用太阳能实现发电发光的功能 。

( 2) 广州南站中央通廊位于站房的中部,采光屋面系统由 1182 个菱形的气枕组成, 气枕上层采用0.25mm厚蓝色透明的ETFE膜材内表面镀银点( 镀点率70% ),下层同样采用0.25mm厚蓝色透明ETFE膜 。
( 3) 大连体育中心体育场是第 12 届全国运动会的主要比赛场馆之一,整体平面为椭圆形,长轴方向长度为 320 m,短轴方向长度为 293 m,其罩棚外围护顶棚和下部看台外立面幕墙均采用了 ETFE 气枕膜结构 。

( 4) 天津于家堡站房穹顶为京津城际铁路的延伸线,主体结构是由 36 根正螺旋和 36 根反螺旋组成的箱形截面钢结构单层网壳结构,主要部分采用了 3 层ETFE 气枕覆盖, 每块气枕的尺寸和形状都不相同,膜结构设计与施工难度较大,膜材表面带有不同印点率的银色印刷圆点,以便很好地调节太阳辐射作用,减少太阳辐射对下部主体结构的温度效应 。

深圳市金鑫空间膜结构建筑设计院是国内顶尖的膜结构建筑设计单位,是一家专注于膜结构建筑设计与研究的设计院。业务涉及张拉膜结构、骨架式膜结构、充气膜结构、钢结构;对PVC、PTFE、ETFE膜材有着丰富的设计经验。我们尤其擅长大跨度结构、异性空间结构、索结构、封闭式建筑以及开启结构的设计与研究,涉及的领域有景观膜结构、停车棚膜结构、体育设施膜结构、污水加盖池膜结构等。