膜结构水立方的分析

建筑结构选型结课论文

姓名：谢昆柱

学号：1401102-07

所在院系：建筑与城市规划学院

学科专业：城乡规划

指导教师：张弘

日期：二零一六年十二月二十五日

对于膜结构建筑——“水立方”的分析

膜结构在国内的应用晚于国外近50年，但近十几年来，膜结构在国内的应用发展速度高于世界任何地区。目前，膜结构已广泛应用于大型体育馆，展览中心，航空和铁路交通，文化娱乐等公共建筑中。

膜结构是一种古老的结构型式，它具有轻盈，纤薄，柔软的质感，与传统的混凝土有明显的区别，常常能给人以耳目一新的艺术感受。膜结构属于柔性材料，膜材本身的受弯刚度几乎为零，但通过不同的支撑体系可以使薄膜结构承受张力，从而形成具有一定刚度的稳定曲面。膜结构能够从根本上克服传统结构在大跨度建筑上实现所遇到的困难，可建造出巨大，明亮，无遮挡的可视大空间。膜结构突破了传统的建筑结构形式，可形成各种自由空间曲面，不重复，多变化。这也是薄膜结构更具有艺术性的一个原因。例如在上海世博会世博轴膜屋面正是应用了这种特性，才建出了轻质大跨度的结构。除了这些在建筑结构上的特性，还有以下在物理与在实际生活上的特点。

<1>具有优良的力学特性。膜结构的受力为单纯受拉，膜材只承受沿膜面的张力，因而可充分发挥材料的受拉性能。它是跨度重量比最大的一种结构，且单位面积的结构自重与造价不会随跨度的增加而明显地增加。

<2>膜结构透光自洁，减少能源消耗，降低维护费用。膜结构是半透明的织物，透光率一般可达4％~16％，能够满足大跨度建筑在平时

使用时利用自然光的采光要求，白天几乎不需要人工照明。但是冬季太阳光对于膜结构屋盖内部的气温升高效应不大，而夏天却相反，膜结构的室内气温比室外高出5—10度，有时会使人感到明显的不适。因此，膜结构多采用反射能力强的淡色材料。

<3>使用范围广，可拆卸，易运输。从气候条件看，它适用于广阔的地域；从规模上看，可以小到花园小品，大到覆盖几万，几十万平方米的建筑。膜结构可作巡回演出，展览等临时建筑，其拆卸和安装所需时间短。

综上所述，膜结构建筑外观雅致飘逸，空间开阔灵秀，结构轻盈，透光阻燃，经久自洁，安装快捷，节能建耗，造价适中，维修简便。但是膜结构也有缺点，主要就是耐久性较差，早期的织物薄膜不仅强度低而且只有5~10年的寿命，因此膜结构常常被认为只能用于临时性建筑。虽然由于近年来高强，防火，透光，耐久性好，性能稳定的膜材的出现和应用，膜结构的设计寿命可达20年以上。而膜结构存在的另一个问题是，由于薄膜张力的连续性，局部的破坏就会造成整个膜结构垮掉。此外，膜材隔声和隔热效果较差，也限制了膜结构的应用范围。

在中国有一个膜结构的完美体现——水立方。“水立方”是世界上最大的膜结构工程，除了地面之外，外表都采用了膜结构———ETFE 材料，蓝色的表面出乎意料的柔软但又很充实。“水立方”不仅是一幢优美和复杂的建筑，她还能激发人们的灵感和热情，丰富人们的生活，为人们提供记忆的载体。因此设计中不仅利用水的装饰作用，同

时还利用其独特的微观结构。采用在整个建筑内外层包裹的ETFE膜（乙烯-四氟乙烯共聚物）是一种轻质新型材料，具有有效的热学性能和透光性，可以调节室内环境，冬季保温、夏季散热，而且还会避免建筑结构受到游泳中心内部环境的侵蚀。更神奇的是，如果ETFE 膜有一个破洞，不必更换，只需打上一块补丁，它便会自行愈合，过一段时间就会恢复原貌！这种膜结构的保温隔热构造不同于普通的

保温构造方式。通常，建筑的保温隔热通过墙体附加保温隔热层来实现，ETFE膜结构的保温构造原理类似于中空玻璃幕墙，热量从室外向室内传递要经过以下过程：室外空气→外层玻璃外表面→外层玻璃→外层玻璃内表面→中间空气层→内层玻璃外表面→内层玻璃→内层玻璃内表面→室内空气。由于经过多层阻隔，室外的热空气经过消耗，从而达到隔热的效果。相同，当室外空气温度低于室内空气时，室内温度较高的空气传出室外也会经历相似的过程，从而有效的减少了室内热量想歪散失，从而达到保温效果。这种材料的运用，明显可以使建筑显得轻盈和通透，这也是其他材料无法媲美的。

而“水立方”结构几何体的基本模型是基于优化改良的多面体组合建立起来的。其几何体是这样形成的：首先生成一个比水立方建筑的的更大的多面体阵列，再把这个阵列围绕（0,0,0）——(1,1,1)矢量轴旋转60°，在多面体阵列中切出176.5389m×176.5389m×29.3789m立方体的建筑外形。然后在立方体的内部挖去内部使用空间，这样便切出了屋盖和墙体结构。多面体单元在两个切割平面上切出的屋盖结构的上弦、下弦杆件和墙体结构内外表面弦杆，两个切割

平面之间的多面体棱边便为结构的腹杆。

“水立方”也运用了新型的多面体空间钢架结构，这种新结构则由复杂的类WP多面体单元填充的实体减去不需要的空间而得到，基本类WP多面体单元一个角点(即结构中的节点)上只有四条边(即结构中的杆件)与之相连,而传统网架一个节点上至少有6根杆件与之相连,角点形式只有三种,一共只有四种边长，类WP多面体阵列经旋转、切割形成结构的屋面和墙面后,与表面上节点相连的杆件数最多为6根。

这种几何构成的结构体系当杆件之间铰接时几何可变,不能承受外荷载,因此多面体空间刚架结构的杆件之间必须刚接,才能形成结构承受外力，其杆件内力除了与普通网架一样有轴力外,还有双向弯矩、双向剪力和扭矩,与刚架杆件相似,因此称之为刚架。

以上是我对膜结构的一些了解和案例分析，从这个过程中我体会到了膜结构的魅力以及膜结构在我国的迅速发展，但是在网上也看到很多因为没有精确了解膜结构的破坏事故，像三亚美丽之冠膜结构的破坏，江苏宜兴某一公共建筑膜结构的破裂。所以我们应该用科学的眼观，严谨的态度去贯彻膜结构各类技术指标，做到强风吹却不破的标准！