膜结构的分析论证

目录第一章：膜结构简要介绍2一：膜结构的主要结构形式2二：膜结构主要的膜材料3三、ETFE膜4第二章：本案PTFE 膜材报告与分析6第三章：PTFE膜结构案例71：PTFE膜结构在深圳及周边的大型案例72：与本案相似的PTFE外墙膜结构案例8第四章：本案PTFE膜结构技术114.1：设计方案的特点114.2：方案效果的实现与样品制作124.3：本案施工技术及方案14结论：15

第一章：膜结构简要介绍

 

一：膜结构的主要结构形式

膜结构是一种建筑与结构完美结合的结构体系。它是用高强度柔性薄膜材料与支撑体系相结合形成 具有一定刚度的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形式。其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、 安装快捷、能易于、使用安全等优点，因而使它在世界各地受到广泛应用。这种结构形式特别适用于 大型体育场馆、人口廊道、小品、公众休闲娱乐广场、展览会场、购物中心等领域.膜结构建筑形式的分类：     从结构上分可分为：骨架式膜结构，张拉式膜结构，充气式膜结构3种形式     1.骨架式膜结构（Frame Supported Structure）    以钢构或是集成材构成的屋顶骨架，在其上方张拉膜材的构造形式,下部支撑结构安定性高，因屋顶造型比较单纯,开口部不易受限制，且经济效益高等特点，广泛适用于任何大,小规模的空间。    2.张拉式膜结构（Tension Suspension Structure）    以膜材、钢索及支柱构成，利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安 定的形式。除了可实践具创意，创新且美观的造型外,也是最能展现膜结 构精神的构造形式. 近年来，大型跨距空间也多采用以钢索与压缩材构成钢索网来支撑上部膜材的形式。因施工精度要求]高，结构性能强，且具丰 富的表现力，所以造价略高于骨架式膜结构。    3.充气式膜结构（Pneumatic Structure）    充气式膜结构是将膜材固定于屋顶结构周边，利用送风系统让室内气压上升到一定压力后，使屋顶内外产生压力差，以抵抗外力，因利用气压来支 撑，及钢索作为辅助材,无需任何梁,柱支撑，可得更大的空间，施工快捷，经济效益高，但需维持进行24小时送风机运转，在持续运行及机器维护费用的成本上较高。    现今，城市中已越来越多地可以见到膜结构的身影。膜结构已经被应用到各类建筑结构中，在我们的城市中充当着不可或缺的角色：

二：膜结构主要的膜材料

膜材料一般分PVC、PTFE和ETFE膜三大类。 一、PVC膜材1.PVC膜材（PVC-Coated Polyester）：PVC膜材在材料及加工上都比PTFE膜便宜，且具有材质柔软，易施工的优点。但在强度、耐用年限、防火性等性能上较PTFE膜差。PVC膜材是由聚脂纤维织物加上PVC涂层（聚氯乙烯）而成，一般建筑用的膜材，是在PVC涂层材的表面处理上，涂以数micron厚的压克力树脂(acrylic)，以改善防污性。但是，经过数年之后就会变色、污损、劣化。一般PVC膜的耐用年限，依使用环境不同在5~8年。为了改善PVC膜材的耐侯性，近年来已研发出以氟素系树脂于PVC涂层材的表面处理上做涂层，以改善其耐侯性及防污性的膜材。    2.PVDF膜材料：PVDF是二氟化树脂（Polyvinylidene Fluoride）的略称，在PVC膜表面处理上加以PVDF树脂涂层的材料称为PVDF膜。PVDF膜与一般的PVC膜比较，耐用年限改善至7~10年左右。3.PVF材料 ：PVF是一氟化树脂（Polyvinyl Fluoride）的略称。PVF膜材是在PVC膜的表面处理上以PVF树脂做薄膜状薄片（laminate）加工，比PVDF膜的耐久性更佳，更具有防沾污的优点。但因为加工性、施工性与防火性都不佳，所以使用用途受到限制。　　 二、PTFE膜（PTFE Coated Fiberglass）PTFE膜是在超细玻璃纤维织物上，涂以聚四氟乙烯树脂而成的材料。PTFE膜最大的特点就是耐久性、防火性与防污性高。但PTFE膜与PVC膜比较，材料费与加工费高，且柔软性低，在施工上为避免玻璃纤维被折断，须有专用治工具与施工技术。其特点如下：A.耐久性：涂层材的PTFE对酸、硷等化学物质及紫外线非常安定，不易发生变色或破裂。玻璃纤维在经长期使用后，不会引起强度劣化或张力减低。膜材颜色一般为白色、透光率高，耐久性在25     B.防污性：因涂层材为聚四氟乙烯树脂，表面摩擦系数低，所以不易污染，可藉由雨水洗净。C.防火性：PTFE膜符合近所有国家的防火材料试验合格的特性，可替代其它的屋顶材料做同等的使用用途。

三、ETFE膜

ETFE膜是透明建筑结构中品质优越的替代材料，多年来在许多工程中以其众多优点被证明为可信赖且经济实用的屋顶材料。该膜是由人工高强度氟聚合物（ETFE）制成，其特有抗粘着表面使其具有高抗污，易清洗的特点。通常雨水即可清除主要污垢。ETFE膜使用寿命至少为25-35年，是用于永久性多层可移动屋顶结构的理想材料。该膜材料多用于跨距为4米的两层或三层充气支撑结构，也可根据特殊工程的几何和气候条件，增大膜跨距。膜长度以易安装为标准，一般为15-30米。小跨度的单层结构也可用较小规格。ETFE膜达到B1、DIN4102防火等级标准，燃烧时也不会滴落。且该膜质量很轻，每平方米只有0.15-0.35公斤。这种特点使其即使在由于烟、火引起的膜融化情况下也具有相当的优势。根据位置和表面印刷的情况，ETFE膜的透光率可高达95%。该材料不阻挡紫外线等光的透射，以保证建筑内部自然光线。通过表面印刷，该材料的半透明度可进一步降低到50%。根据几何条件及膜的层数，其K值可高达2.0W/㎡K。耗能指数以一个三层印刷的膜为例可达到0.77。 由于其优秀品质，ETFE膜几乎不需日常保养。可对其由于机械损坏的屋顶进行简单检查（一年一次为宜），并根据需要就地维修。同时也可检查通风系统，更换过滤装置。ETFE膜完全为可再循环利用材料，可再次利用生产新的膜材料，或者分离杂质后生产其它ETFE产品。膜结构是一种全新的建筑结构形式，它集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学、计算机技术等为一体，具有很高技术含量。其曲面可以随着建筑师的设计需要任意变化，结合整体环境，建造出标志性的形象工程。 艺术性：充分发挥建筑师的想象力，又体现结构构件清晰受力之美。经济性：由于膜材具有一定的透光率，白天可减少照明强度和时间，能很好地节约能源。同时夜间彩灯透射形成的绚烂景观也能达到很好的广告宣传效益。大跨度：膜结构可以从根本克服传统结构在大跨度（无支撑）建筑上实现所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡可视空间，有效增加空间使用面积。自洁性：膜建筑中采用具有防护涂层的膜材，可使建筑具有良好的自洁效果，同时保证建筑的使用寿命。工期短：膜建筑工程中所有加工和制作均在工厂内完成，可减少现场施工时间，避免出现施工交叉，相对传统建筑工程工期较短。膜建筑可广泛应用于大型公共设施：体育场馆的屋顶系统、机场大厅、展览中心、购物中心、站台等，又可以用于休闲设施、使用工业设施及标志性或景观性建筑小品等。 

第二章：本案PTFE 膜材报告与分析

PTFE膜材是在超细玻璃纤维织物上涂以聚四氟乙烯树脂而成的材料。这种膜材有较好的焊接性能，有优良的抗紫外线、抗老化性能和阻燃性能。另外，其防污自洁性是所有建筑膜材中最好的，但柔韧性差，施工较困难，成本也十分惊人。其加工方法是把玻纤织物多次快速放入特氟隆熔体中，使织物两面皆有均匀的特氟隆涂层，使永久性的PTFE膜正式诞生。此后永久性膜结构正式在美国风行，许多学者对膜结构进行了深入的研究。20年后跟踪检测结果表明，这种膜材的力学性能与化学稳定性指标只下降了20%~30%，颜色也几乎没变，膜的表层光滑，具有弹性，大气中的灰尘、化学物质微粒极难附着与渗透，经雨水冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层与透光性，这足以显示出PTFE膜材的强大生命力和广阔的应用范围。（参考文献新型建筑材料——膜材[J]. 宋雄彬.  广东建材. 2006(10)）PTFE膜材的特点：1、PTFE膜材具有强度高、耐久性好、防火难燃、自洁性好、不受紫外线影响且自重轻（约相当于以前的钢制顶棚重量的1/30）等优点。事先在工厂进行裁断熔接后在现场安装即可，可以缩短建设工期。2、PTFE膜材对太阳光具有高反射率和低吸收率，可以靠最小的热容量抑制太阳能源向结构建筑物内渗透。同时，因其具有半透明的特点，白天不比使用人工照明，实质上可以节省能源成本。3、PTFE薄膜结构建筑物一般不需要内部支撑物就能够用薄膜覆盖广大的空间，可以自由设计、利用的多样性空间。4、PTFE膜材透光率约为13％，且能将太阳光转化为阴影少的滋润扩散光，可以得到与室外同样的物体本来色调。5、PTFE具有PVDF不可比拟的高自洁性，氟树脂具有非粘着性、防水性等功能，外表所堆积的灰尘、大气污垢等遇雨水冲刷后被清洗干净，悠久保持清洁洁白。6：颜色，PTFE膜材吸收光照后越晒越白。也可以在表面PTFE涂层中加入颜料，定制特定的颜色。（PTFE膜材刚生产出来为米黄色或者灰白）参考：文献PTFE膜材力学性能及抗力不定性分析：国家自然科学基金资助项目(51308532,90815003)，PTFE建筑膜结构材料的生产与性能研究，东南大学 ，玻纤布/PTFE建筑膜结构材料的发展. 黄家润,陈南梁,魏贺.  产业用纺织品. 2011(08) 。薛秉荣. PTFE永久性建筑膜材的研制及其性能. 中国产业用纺织品行业协会,2004:305-307 

第三章：PTFE膜结构案例

1：PTFE膜结构在深圳及周边的大型案例

1.1：深圳宝安体育馆看台

2.2：白云机场T3屋面

2.3：云浮六祖剧场花瓣 开启式，国内第一例

2：与本案相似的PTFE外墙膜结构案例

2.1 沙特阿拉伯法赫国家图书馆 The king Fahad national library 建成时间2013年，外墙装饰为PTFE膜结构

2.2 德国慕尼黑办公楼，建造时间2018年 PTFE膜外墙装饰

2.3：美国伦敦大使馆 建造时间 2018年

第四章：本案PTFE膜结构技术

4.1：设计方案的特点

特点1：寓意好本案用圆形的膜结构装饰与方形的玻璃幕墙窗组合代表“天圆地方”方，即使规则，立意港大医院以科学与技术为本，客观公正。圆：代表周到，立意港大医院以病人为中心，服务周到。特点2：视觉效果好独特的设计，让整个建筑区别其他千篇一律的建筑外观，成为城市的新两点，建成后也是国内首例，有创新，才是深圳的本色在白天，外层的PTFE膜阻挡了部分阳光的进入（尤其是深圳的夏天），这样病房不会太晒，也不影响病人看窗外风景，同时降低了病房内的空调能耗，晚上，PTFE膜结构内侧的灯光，不仅外部看着漂亮，而且部分灯光反射回病房，这样病人在夜晚看外面不会黑黑的一片，让病人压抑，看不到希望。所以本设计不只是起到好的视觉效果，同时能让房间内的病人舒心，有利于病人心里健康和治疗。特点三：建筑节能PTFE膜的透光率只有13%，表面是白色，而且越晒月白，有效的阻挡阳光对建筑墙面产生热量。PTFE膜材表面的PTFE涂层材料导热系数低，其导热系数是0.256 W/m *2k。相比中空玻璃的导热系数为：1.4~2.8W/m *2k.

4.2：方案效果的实现与样品制作

针对本案的设计方案，我们按照建筑图纸的4:1的比例制作了模型：4.2.1：制作模型采用的PTFE膜材，模型选用了7000N/5cm 国产PTFE膜材，其性能参数如下：

4.2.2：样品的制作样品的制作包括：钢结构框架制作，膜材样品加工和安装膜材加工步骤：膜面的加工制作包含以下工序：（1）准备工作，包括技术准备、场地及设备准备、膜材料进场检测等；（2）放样、排版与下料；（3）热合试验；（4） 热合加工；（5）边角处理；（6）清洗。1.1：样板膜剪裁设计裁剪加工图包括膜片下料图、膜材排版图、膜面加工图三方面。膜片下料图是指考虑了应变补偿后的平面膜片图，亦即各裁剪片的平面坐标及经线方向；膜材排版图 是指各裁剪片在特定幅宽膜材上的排列图，在考虑了边角放量及经纬方向后，排列尽可能紧凑以节约膜材；膜面加工图就是各裁剪片的拼装图，本样品设计图

剪裁设计图（第二版）

放样、排版与下料      放样有自动放样与手工放样之分，取决于加工厂商的设备情况。自动放样是将包含各膜片X、Y 坐标的数据文件输入电脑，经排版、优化后打印在膜布上或直接由电脑控制的切割机将膜布裁剪成片。热合试验与焊接加工       在正式进行焊接加工前，需进行热合试验以便为热合加工提供参数依据。试验样条的抗拉强度应不低于其母材强度的80%。在焊接加工过程中，也需定时试验并记 录结果，以便随着环境温、湿度的变化及加工部位的不同，随时修正相关技术参数。      正式加工时，先将膜片在接缝处对齐，检查膜材的正反面及接缝顺序是否正确；清洁待焊区域；如为PVC 膜材拼接接缝放置“背贴条”，如为PTFE 膜材需在接缝处两层膜片间放置EFP 条；根据热合试验所得到的参数进行加工。最后根据设计图纸对边角进行诸如埋绳、焊接穿钢索的“裤子”(cable cuff)及补强处理。  热合时宜采用张拉焊接（tension weld），即要对待焊区域的膜材施加一定的预张力，以减小因热合造成的膜材收缩、改善张拉成型后焊缝处的应力状态。附件的设计与加工与裁剪关系密切的附件设计主要包括用于膜角的膜节点板设计、连接件选用及边索长度的确定等等。膜节点板的设计主要涉及形式、大小、角度、连接孔及安装孔的 位置及大小、板厚、膜与节点板的连接方式以及边索与结节板的连接设计等内容。设计时，根据膜面形状及膜角处的应力大小确定其基本几何参数，验算抗拉强度、 局部承压及焊缝长度等等，并由此计算连接件及边索长度。膜节点板应简洁、角度准确、传力顺畅. 第一次样品

第二次样品

 

第二次样品实验在第一次的基础上进行了改进，取消了四角的对接焊缝，更美观，也不影响灯光的效果

样品与实际工程的区别：

1：边框暂时没有做铝合金装饰改变。

2：膜在钢结构边框的固定方式采用了最常用的简易固定方式，实际工程施工按设计开模制作铝合金拉膜件和铝合金装饰盖板。

3：第三次样品（交付样品）将增加铝合金盖板装饰。

4.3：本案施工技术及方案

施工流程：

 

膜材的制作在工厂完成，现场以一个圆为单位吊装，所以膜结构的安装实际是装配式建筑安装。

结论：

PTFE膜结构作为建筑外墙的装饰在国外早已经开始，本案中应用PTFE膜结构作为港大医院外墙，设计创新，科学合理。实际样品制作说明工程落地实施完全可行，而且成本可控，更重要的是PTFE膜优越的自洁性能，能大大的减低建筑后期维护成本。本案例虽然国内没有一样的案例可以抄作业，但是在做样品过程中，大家克服各种困难，实现了设计所想要的造型。证明的工程落地的可行性。敢于创新，克服困难，正是深圳之精神。