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        關于ETFE膜結構建筑——“水立方”的分析

        時期:2024-01-09 20:33:16 點擊數:1

         關于ETFE膜結構建筑——“水立方”的分析


        膜結構是一種古老的結構型式,它具有輕盈,纖薄,柔軟的質感,與傳統的混凝土有明顯的區別,常常能給人以耳目一新的藝術感受。 膜結構屬于柔性材料,膜材本身的受彎剛度幾乎為零,但通過不同的支撐體系可以使薄膜結構承受張力,從而形成具有一定剛度的穩定曲 面。膜結構能夠從根本上克服傳統結構在大跨度建筑上實現所遇到的 困難,可建造出巨大,明亮,無遮擋的可視大空間。膜結構突破了傳 統的建筑結構形式,可形成各種自由空間曲面,不重復,多變化。這 也是薄膜結構更具有藝術性的一個原因。例如在上海世博會世博軸膜 屋面正是應用了這種特性,才建出了輕質大跨度的結構。除了這些在建筑結構上的特性,還有以下在物理與在實際生活上的特點。


        <1>具有優良的力學特性。膜結構的受力為單純受拉,膜材只承受沿 膜面的張力, 因而可充分發揮材料的受拉性能。    它是跨度重量比最大 的一種結構, 且單位面積的結構自重與造價不會隨跨度的增加而明顯 地增加。


        <2>膜結構透光自潔,減少能源消耗,降低維護費用。膜結構是半透 明的織物,透光率一般可達    4%~16%,能夠滿足大跨度建筑在平時 使用時利用自然光的采光要求,    白天幾乎不需要人工照明。但是冬季太陽光對于膜結構屋蓋內部的氣溫升高效應不大,而夏天卻相反,膜結構的室內氣溫比室外高出5—10 度,有時會使人感到明顯的不適。 因此,膜結構多采用反射能力強的淡色材料。


        <3>使用范圍廣,可拆卸,易運輸。從氣候條件看,它適用于廣闊的 地域;從規模上看,可以小到花園小品,大到覆蓋幾萬,幾十萬平方 米的建筑。膜結構可作巡回演出,展覽等臨時建筑,其拆卸和安裝所 需時間短。


        在中國有一個膜結構的完美體現——水立方?!八⒎健?是世界上最大的膜結構工程, 除了地面之外, 外表都采用了膜結構———    ETFE 材料,藍色的表面出乎意料的柔軟但又很充實。    “水立方”不僅是一 幢優美和復雜的建筑,她還能激發人們的靈感和熱情,豐富人們的生 活,為人們提供記憶的載體。因此設計中不僅利用水的裝飾作用,同 時還利用其獨特的微觀結構。采用在整個建筑內外層包裹的ETFE 膜(乙烯 -四氟乙烯共聚物)是一種輕質新型材料,具有有效的熱學性能和透光性,可以調節室內環境,冬季保溫、夏季散熱,而且還會避 免建筑結構受到游泳中心內部環境的侵蝕。更神奇的是,如果ETFE 膜有一個破洞,不必更換,只需打上一塊補丁,它便會自行愈合,過 一段時間就會恢復原貌!這種膜結構的保溫隔熱構造不同于普通的 保溫構造方式。 通常,建筑的保溫隔熱通過墻體附加保溫隔熱層來實 現, ETFE 膜結構的保溫構造原理類似于中空玻璃幕墻,熱量從室外 向室內傳遞要經過以下過程:室外空氣→外層玻璃外表面→外層玻璃→外層玻璃內表面→中間空氣層→內層玻璃外表面→內層玻璃→內 層玻璃內表面→室內空氣。由于經過多層阻隔, 室外的熱空氣經過消 耗,從而達到隔熱的效果。相同,當室外空氣溫度低于室內空氣時, 室內溫度較高的空氣傳出室外也會經歷相似的過程,    從而有效的減少 了室內熱量想歪散失,從而達到保溫效果。這種材料的運用,明顯可 以使建筑顯得輕盈和通透,這也是其他材料無法媲美的。



        而“水立方”結構幾何體的基本模型是基于優化改良的多面體 組合建立起來的。 其幾何體是這樣形成的:    首先生成一個比水立方建 筑的的更大的多面體陣列,再把這個陣列圍繞(0,0,0)——(1,1,1) 矢量軸旋轉60°,在多面體陣列中切出    176.5389m× 176.5389m× 29.3789m 立方體的建筑外形。然后在立方體的內部挖去內部使用空 間,這樣便切出了屋蓋和墻體結構。多面體單元在兩個切割平面上切 出的屋蓋結構的上弦、下弦桿件和墻體結構內外表面弦桿,    兩個切割 平面之間的多面體棱邊便為結構的腹桿?!八⒎健?也運用了新型的多面體空間鋼架結構,這種新結構則由復雜的類WP 多面體單元填充的實體減去不需要的空間而得到,基本類WP多面體單元一個角點(即結構中的節點)上只有四條邊    (即結構 中的桿件 )與之相連 ,而傳統網架一個節點上至少有6根桿件與之相連 , 角點形式只有三種,一共只有四種邊長,類WP 多面體陣列經旋轉、 切割形成結構的屋面和墻面后,與表面上節點相連的桿件數最多為6根。這種幾何構成的結構體系當桿件之間鉸接時幾何可變 ,不能承受外荷 載,因此多面體空間剛架結構的桿件之間必須剛接 ,才能形成結構承受 外力,其桿件內力除了與普通網架一樣有軸力外 ,還有雙向彎矩、雙 向剪力和扭矩  ,與剛架桿件相似 ,因此稱之為剛架。


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