國(guó)外膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與研究(二)

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     4.空氣支承式膜結(jié)構(gòu)

     韓國(guó)忠州世界武術(shù)節(jié)劇場(chǎng)由14個(gè)桁架柱支撐屋頂，三角形管桁架組成橢圓狀壓縮環(huán)。屋面采用透鏡型PTFE氣囊，面積為30米×53米。氣囊內(nèi)部的高度為5米，體積為5630立方米，內(nèi)壓350Pa。用索在氣囊上部和下部作加勁，短向7根Φ24索，長(zhǎng)向4根Φ24索，上弦落雪長(zhǎng)向不設(shè)。上下索之間用Φ12聯(lián)系索，可減小壓縮環(huán)受力。這個(gè)結(jié)構(gòu)跨度不大，但可取的是嘗試了直接用氣囊做屋蓋結(jié)構(gòu)的一種新形式。

     美國(guó)新澤西州某校園充氣館（見(jiàn)下圖）寬58米，長(zhǎng)117米，高24米，有四條跑道。該館用自動(dòng)控制系統(tǒng)保持溫度。屋頂?shù)哪は奶炜奢p松撤下，冬天重新安裝。全天候用于足球和曲棍球訓(xùn)練（比賽）。該館采用交叉索網(wǎng)系統(tǒng)，可以保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。據(jù)悉，該館可承受強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和8千克/平方米的雪。

     5.伸縮式開(kāi)合膜結(jié)構(gòu)

     格魯吉亞Batumi夏季音樂(lè)廳位于第比利斯，音樂(lè)廳呈橢圓狀，147米×105米，9000座。固定的舞臺(tái)屋蓋為鋼桁架系統(tǒng)，有3°傾斜，覆蓋5500平方米，8°外傾的周邊柱支承壓縮環(huán)。7900平方米伸縮式膜屋頂跨度83米，29根徑向索跨越壓縮環(huán)和舞臺(tái)口的弧形鋼桁架，增加了柔軟劑的單層PVC膜位于徑向索下，膜收起過(guò)程沿徑向索滑動(dòng)進(jìn)入膜庫(kù)，冬季膜需要存儲(chǔ)和密封在膜庫(kù)里。膜庫(kù)端15根索降低1.60米，形成折疊式的山脊和山谷線，用于排水并提高剛度。

     加拿大溫哥華BCPlace體育館于1986年建成，227米×186米，可容納6萬(wàn)人，曾是世界上最大的氣承式充氣圓頂體育館。因該館膜材老化，2007年曾被大風(fēng)吹壞。2010年奧林匹克冬季運(yùn)動(dòng)會(huì)后，該館已更換為新的開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)?；炷两Y(jié)構(gòu)上高達(dá)47.5米的36根桅桿支承36榀徑向索桁架形成屋蓋主結(jié)構(gòu)。采用性能更好的PTFE纖維膜做成36個(gè)充氣墊，沿下弦徑向索滑動(dòng)構(gòu)成伸縮式屋頂，跨度70米，覆蓋8500平方米。永久荷載作用下的氣墊內(nèi)壓是500Pa，如果屋頂受到雪壓將增加到2000Pa。收縮過(guò)程氣墊首先放氣，然后折疊縮回。最大擔(dān)憂之一是收縮之前空氣量不能完全放掉，為此上層膜設(shè)置70毫米直徑管，以便排風(fēng)機(jī)抽氣，保證折疊到最小的尺寸。固定內(nèi)環(huán)和伸縮式屋頂?shù)倪^(guò)渡區(qū)是鋼環(huán)桁架支承的玻璃頂，邊緣有充氣密封系統(tǒng)。

     波蘭國(guó)家體育場(chǎng)（見(jiàn)下圖）位于華沙，平面尺寸280米×245米，覆蓋近7萬(wàn)平方木，5.5萬(wàn)座，為主辦2012年歐洲杯足球賽而建。碗結(jié)構(gòu)周圍72根柱支承下壓縮環(huán)，替代上壓縮環(huán)的是斜桿。輻射布置索桁架的徑向索互相交叉，增加傾斜，提高剛度。固定屋蓋5.4萬(wàn)平方米，采用PTFE膜覆蓋看臺(tái)，內(nèi)邊緣10米寬為熱增強(qiáng)玻璃屋頂4000平方米；外部上徑向索連接到張力環(huán)，支承10米寬懸挑玻璃頂和懸掛伸縮式膜。內(nèi)部下徑向索只用4組索（每組3根），在草地上空對(duì)角線布置，使遮擋場(chǎng)地上空的結(jié)構(gòu)數(shù)目最少。開(kāi)合屋蓋1.1萬(wàn)平方米，用PVC膜沿著60根內(nèi)部上徑向索跨越中央的樞紐和張力環(huán)之間，覆蓋草坪。

     自從加拿大蒙特利爾“斜塔”體育館伸縮式開(kāi)合不成功后，這種形式已經(jīng)很少采用。上面這3個(gè)伸縮式開(kāi)合膜結(jié)構(gòu)都是Schlaich事務(wù)所的作品，他們?cè)敿?xì)研究了合理的伸縮方式，并且都采用了先進(jìn)的膜材，成功地實(shí)現(xiàn)了包括氣墊在內(nèi)的膜結(jié)構(gòu)伸縮式開(kāi)合。

     巴西首都巴西利亞新建的馬內(nèi)加林沙國(guó)家球場(chǎng)，70402座，用膜結(jié)構(gòu)覆蓋物面和墻面，也采用了伸縮式開(kāi)合方式。固定屋面采用4萬(wàn)平方米TiO2/PTFE膜，伸縮式開(kāi)合膜屋面為4.05萬(wàn)平方米PTFE網(wǎng)格膜，墻面是4000平方米PTFE膜。

     6.超大空間膜結(jié)構(gòu)

      哈薩克斯坦KhanShatyr娛樂(lè)中心（見(jiàn)左圖）位于阿斯塔納市，那里有從 40oC到 40oC的極端氣候。娛樂(lè)中心內(nèi)游客可以購(gòu)物、看電影及享受用餐，設(shè)有慢跑的路徑、微型高爾夫。在最高的獨(dú)立屋頂，有熱帶的沙灘和溫暖的泳池。

     該結(jié)構(gòu)長(zhǎng)軸140米、短軸120米，中央三腳架高150米，屋頂表面積1.9萬(wàn)平方米。從高度70米～125米，成對(duì)使用192根38毫米直徑徑向索，輔以環(huán)向索抗扭，外表面使用ETFE完全透明膜氣枕。索與膜需要相對(duì)較高的預(yù)應(yīng)力以控制變形，約需提高10%～20%，控制索最大變形800毫米，鋁框設(shè)計(jì)需適應(yīng)變形。頂環(huán)直徑20米，采用150毫米厚鋼板，頂部結(jié)構(gòu)設(shè)百葉保證通風(fēng)。低溫下ETFE會(huì)變硬，設(shè)計(jì)中須關(guān)注。

      膜結(jié)構(gòu)在大型工程中應(yīng)用多體現(xiàn)在體育場(chǎng)館，展示了膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。KhanShatyr娛樂(lè)中心是用膜結(jié)構(gòu)覆蓋超大空間、構(gòu)建人工環(huán)境的一個(gè)成功案例。國(guó)際上已有不少學(xué)者在探討構(gòu)建500米～1000米超大空間的可行性。我國(guó)也應(yīng)該多專業(yè)聯(lián)合開(kāi)展探索性研究，以迎接未來(lái)的挑戰(zhàn)。（待續(xù)）

      作者系北京工業(yè)大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心主任、中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)空間結(jié)構(gòu)分會(huì)理事長(zhǎng)