5.薄膜结构(中)
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
主要特点： • 屋面为双层，其间有热空气循环以融雪， • 设有风速、雪压、织物变形及钢索拉力记录仪，并与
中央计算机相连接，形成屋面状态自动控制系统。
9/114
（2）气肋式 (Inflated Membrane Structure)
由管状构件组成，可传递一定的横向力，其作用 如同梁、拱、空间构架等。
• 在结构受力上，Tensairity结构是一种自支撑， 自平衡的结构体系。对边界约束的要求很低。
20/114
Tensairity工程应用
停车场的外景图
2004年在瑞士蒙特勒建成世界上 第一座Tensairity结构。该停车场由十 二根Tensairity梁组成主要受力构件， 其中最大跨度为28m。
索穹顶的施工过程就是 结构的成形过程，同时也是 结构各杆件建立预应力的过 程。当索穹顶结构中的杆件 被提升至各自的设计位置后， 杆件中的预应力即达到设计 值。
44/114
佐治亚穹顶
Georgia Dome, Atlanta, Georgia, 1992
椭圆形平面，是世界上 最大的索膜结构。
PTFE膜材覆面，屋盖 用钢量仅30kg/m2。
7/114
充气膜结构事故
1. Silver Dome，Pontiac, 1975 1975年，金属护板被风吸起;
244m×183m
1918958年6年在以暴后风，雪美天国气建中造，的融大雪型设体育馆没再采用过气承式 备膜有结一构半，未对发于挥有作些用已，建导成致的7体块育馆，其膜材达到使用年 P限TF需E板改撕建裂时，，屋也面不下再垂考3虑0m采。用气承式膜结构。
Elevation
11/114
2008年奥运会鸟巢顶上的气肋式膜结构
• 长33m，跨度20m， 室内高度10m
• 从设计到竣工只用 了12天
12/114
（3）气枕式 (Air Cushion Membrane Structure)
由若干气囊状构件与钢框架组成。 主要用于ETFE膜材。
13/114
5/114
加拿大BC体育场
B.C. Place Stadium, Canada, 1983 190 m x 231 m
• 当时世界最大。 • 由双层PTFE膜材和双向稳定索
系统构成。 • 矢高27m，内压240N/m2。
6/114
思考：稳定索的作用？
• 增加膜表面曲率、减小膜内力； • 提高膜结构抵抗局部荷载的能力 • 降低环梁的弯矩。
• 刚性边界、柔性边界
• f/L: 1/8~1/12
• 景观类建筑
LP
HP LP
27/114
鞍 形 膜 结 构 的 支 承 方 式
28/114
伞形膜结构
• 高点支承设计 立柱、飞柱、悬吊
• 高点应力释放 设置脊索、可浮动
29/114
沙特哈吉国际机场
The Haj Terminal，1982
the largest roof structure in the
“全张力体系”或“张力集成体 系”
一组不连续的受压构件与连
续的受拉单元组成的自支承、
自应力的空间网格结构。
41/114
David Geiger & Cable Dome
盖格 (1935—1989)，美国工程师。创造性地把 B.Fuller提出了“张拉整体”概念运用到以索、膜 与压杆组成的“索穹顶”（cable dome）设计上。
15/114
张弦充气结构 (TENSAIRITY)
• TENSAIRITY®=Tension+Air+Integrity • Tensairity结构是由低内压充气梁、柔性索、刚性杆件上
弦所组成的轻型混合结构体系
受压: 充气支承结构
受拉：螺旋型索
低压圆管
16/114
充 气 梁 的 工 作 原 理
（4）混合式
通过将充气膜结构与索结构相结合，形成的 新型、高效结构系统。
14/114
日本熊本市公园穹顶
Park Dome Kumamoto, 1997
混合充气膜结构形式。 膜结构直径107m，中心
部分设置高 14m的圆锥 形钢结构中心环。
中心环与周围的环状桁架 之间由上下各48根钢索连接 并覆盖以膜材。
world 430,000 m2
30/114
脊谷式膜结构
• 跨中设计
注意排水问题
• 边跨设计
设置加劲索
圣迭戈会议中心, 1991
丹佛国际机场, 1994
31/114
圣迭戈会议中心
San Diego Convention Center, 1990
Membrane: PTFE Membrane covered area: 8 400 m2 Membrane Span: 91.5m Mast Height: 27 m
椭圆抛物面，由大小两个穹顶组成，跨度230×176m。 采用张拉整体桁架体系(Tensegric Truss)，由边长4m的
方形网格单元组成。单元高度2m。 PTFE膜材覆面，采用带弹簧的立杆体系支承。
36/114
弹簧-立杆体系 Spring-Strut System
应力自动维持。当膜材因徐变导致应力降低时，可通过弹簧立杆自 动调节；因此设计时不需施加很大的预张力，也不需二次张拉。
形状适应性。当在风荷载作用下膜面鼓起时，弹簧立杆体系也可随 之伸长，避免索应力松弛，维持体系的形状稳定性。
37/114
山口穹顶
38/114
迪拜酒店
The Arabian Tower Hotel,
Dubai 1999
高320米，采 用双层PTFE 膜，是世界 上最高的膜 结构建筑。
39/114
32/114
拱支式膜结构
• 拱的设计
拱是主要受力构件，为膜材提供了连续的支承点
• 索网设计
通常在拱与边缘构件之间布有索网，对膜加强。
Span: 46m
White Dragon Dome, 1990
M&G Research Laboratory , 1991
33/114
不同的拱支承方式
34/114
适用于可快速拆装的临时性建筑。 内部气压通常为2～7个大气压。
10/114
1970大阪博览会富士馆
The Fuji Exhibition Hall at Osaka Expo’70
由16个气胀式拱构成， 每个拱直径为4m，长度为 72m，连接在直径为50m的钢 筋混凝土环梁上。
Section
停车场的夜景图
Tensairity梁吊装就位
支座节点
21/114
“Skier”桥
“Skier”桥日景图
“Skier”桥安装就位
2005年在法国的阿尔卑斯地区，建成了世界上第一座使 用Tensairity体系的桥梁。该桥跨度52m，由两个Tensairiy梁 并列放置，其上弦刚性构件使用的材料是木材。
《大跨空间结构》之
5.薄膜结构 (中)
Membrane Structures
主讲人：钱宏亮 哈尔滨工业大学
§5.3 膜结构选型
膜结构 空气支承式 骨架支承式 整体张拉式 索系支承式
1/114
1.充气式膜结构
Pneumatic Structures
充气膜结构是靠膜内外的气压差来抵抗外荷载 并维持形状稳定的。
25/114
2.整体张拉式膜结构
Tension Membrane Structures
用桅杆或拱等刚性构件提供吊点，将钢索和薄膜 悬挂起来，通过张拉索对膜施加预张力，使膜材绷紧 形成形状稳定的结构。
曲面构成
张拉式膜结构
受力特点
鞍形
伞形
脊谷式
拱支式
26/114
鞍形膜结构
• 由四个不共面的角点和连接 角点的边缘构件围合而成； HP
4.索系支承式膜结构
Cable-Supported Membrane Structures
由空间索系作为主要承重结构，在索系上敷设 张紧的膜材，此时膜材主要起围护作用。
Cable Dome
Mast-Supported "Domes"
40/114
Buckminster Fuller & Tensegrity
240m×192m
45/114
Geiger 体系
改进：
1）将脊索由辐射状布置 改为联方形网格的形式；
2）取消起稳定作用的谷 索，斜索和压杆的布置也 作了相应调整。
Levy 体系
优点： 1）膜单元呈菱形双曲抛
物面，可自然绷紧成形 2）整体空间作用加强，
在不对称荷载或局部荷载 作用下刚度有较大提高。
• 富勒 (1895—1983)
2000多项发明专利，25本著作。
• 设计科学 (Design Science)
人类的发展需求与全球的资源、 发展中的科技水平结合在一起，用 最高效的手段解决最多的问题。 R.B. Fuller，1895-1983
• Tensegrity (Tensile + integrity)
22/114
气承式膜结构的发展与创新
气承式膜结构 落伍了吗？
1970
1988 真正的主动控制结构 特别适合于超大跨度建筑
1997
23/114
不同形式的充气 膜结构
24/114
悬浮结构 ②
③
①
① Expo’02 ,Switzerland ② 深圳龙岗商业中心方案 ③ 08奥运主体育场方案
2. Metro Dome, Minneapolis, 1982
1981年在施工过程中融雪设备 尚未使用时，因雪载发生过两次 空气泄漏；1982年在投入正常使 用后又因雪载发生过空气外泄。
215m×180m
8/114
东京棒球馆
Tokyo Dome – “Big Egg”, 1988
膜材：PTFE 跨度：202 m 内压：300N/m2
5.可开启式膜结构
Retractable Membrane Structures
49/114
50/114
海洋穹顶
Ocean Dome, Miyazaki, Japan, 1993
100m300m
世界上最大的室内水上公园。 可开启屋面采用PTFE膜材，固定屋面采用钛合金板。
51/114
1%的大气压可产生 1kN/m2的均布压力
气承式 充
气
气肋式
膜 结
气式
构
混合式
2/114
（1）气承式 （Air-supported Membrane Structure） 由膜材围合成相对密闭的建筑空间，通过
对室内充气形成气压差来抵抗荷载、维持形状 稳定。
室内外气压差通常为200～300N/m2。
3.骨架支承式膜结构
Frame-Supported Membrane Structures
膜材作为覆面材料，支承在钢结构骨架上。 优点是，造型自由，可跨越较大跨度。
• 膜的作用： – 降低屋面自重； – 增大支承骨架的网格尺寸； – 形成明亮通透的室内空间效果。
35/114
山口穹顶
Yamaguchi Dome, Japan, 2001
3/114
气承式膜建筑系统
为确保安全性和舒适性，除膜材蒙皮外，
充气膜建筑还包括若干起辅助作用的智能控
制系统。
增氧系统
室外大气
控压系统
空气净化系统
备用能源系统
湿度控制系统 照明控制系统
内部气压
温度控制系统 制冷采暖系统
4/114
气承式膜结构的优点
• 易于建造、抗震性能好 • 对地质条件依赖小、要求低 • 易于营造相对独立的小环境
Ocean Dome, Miyazaki, Japan, 1993 - Interior view
Open Time: 10 min
52/114
卢森堡网球场
Rothenbaum Tennis Stadium, German，1993
46/114
千年穹顶
Millennium Dome, Greenwich, UK, 1999
Membrane: PTFE Covered area: 100 000 m2 Dome Height: 50m Mast Height: 100 m Span: 320m
47/114
千年穹顶施工过程
48/114
17/114
张弦充气结构的工作原理
下弦柔性索承担了结构中的拉力，上弦刚性杆件承担 了结构中的压力，实现了拉压分离。
18/114
19/114
Tensairity结构的特点
• 和张弦桁架相比，使用充气梁替换了撑杆，使得 上弦刚性杆件的稳定性大大提高。
• 与气肋式膜结构比较，Tensairity梁的内气压很 小，但是其承载力可以达到张弦桁架的承载力。
Geiger 体系
Levy 体系
42/114
汉城奥运会体操馆和击剑馆
Olympic Gymnastics Arena & Fencing Arena, Seoul, 1986 体操馆，D=120m
击剑馆，D=93m
43/114
索穹顶结构的施工张拉过程
1-安装拉环、竖杆和环索 2-张拉最外圈斜索 3、4-张拉第二、三圈斜索 5-张拉完毕
中央计算机相连接，形成屋面状态自动控制系统。
9/114
（2）气肋式 (Inflated Membrane Structure)
由管状构件组成，可传递一定的横向力，其作用 如同梁、拱、空间构架等。
• 在结构受力上，Tensairity结构是一种自支撑， 自平衡的结构体系。对边界约束的要求很低。
20/114
Tensairity工程应用
停车场的外景图
2004年在瑞士蒙特勒建成世界上 第一座Tensairity结构。该停车场由十 二根Tensairity梁组成主要受力构件， 其中最大跨度为28m。
索穹顶的施工过程就是 结构的成形过程，同时也是 结构各杆件建立预应力的过 程。当索穹顶结构中的杆件 被提升至各自的设计位置后， 杆件中的预应力即达到设计 值。
44/114
佐治亚穹顶
Georgia Dome, Atlanta, Georgia, 1992
椭圆形平面，是世界上 最大的索膜结构。
PTFE膜材覆面，屋盖 用钢量仅30kg/m2。
7/114
充气膜结构事故
1. Silver Dome，Pontiac, 1975 1975年，金属护板被风吸起;
244m×183m
1918958年6年在以暴后风，雪美天国气建中造，的融大雪型设体育馆没再采用过气承式 备膜有结一构半，未对发于挥有作些用已，建导成致的7体块育馆，其膜材达到使用年 P限TF需E板改撕建裂时，，屋也面不下再垂考3虑0m采。用气承式膜结构。
Elevation
11/114
2008年奥运会鸟巢顶上的气肋式膜结构
• 长33m，跨度20m， 室内高度10m
• 从设计到竣工只用 了12天
12/114
（3）气枕式 (Air Cushion Membrane Structure)
由若干气囊状构件与钢框架组成。 主要用于ETFE膜材。
13/114
5/114
加拿大BC体育场
B.C. Place Stadium, Canada, 1983 190 m x 231 m
• 当时世界最大。 • 由双层PTFE膜材和双向稳定索
系统构成。 • 矢高27m，内压240N/m2。
6/114
思考：稳定索的作用？
• 增加膜表面曲率、减小膜内力； • 提高膜结构抵抗局部荷载的能力 • 降低环梁的弯矩。
• 刚性边界、柔性边界
• f/L: 1/8~1/12
• 景观类建筑
LP
HP LP
27/114
鞍 形 膜 结 构 的 支 承 方 式
28/114
伞形膜结构
• 高点支承设计 立柱、飞柱、悬吊
• 高点应力释放 设置脊索、可浮动
29/114
沙特哈吉国际机场
The Haj Terminal，1982
the largest roof structure in the
“全张力体系”或“张力集成体 系”
一组不连续的受压构件与连
续的受拉单元组成的自支承、
自应力的空间网格结构。
41/114
David Geiger & Cable Dome
盖格 (1935—1989)，美国工程师。创造性地把 B.Fuller提出了“张拉整体”概念运用到以索、膜 与压杆组成的“索穹顶”（cable dome）设计上。
15/114
张弦充气结构 (TENSAIRITY)
• TENSAIRITY®=Tension+Air+Integrity • Tensairity结构是由低内压充气梁、柔性索、刚性杆件上
弦所组成的轻型混合结构体系
受压: 充气支承结构
受拉：螺旋型索
低压圆管
16/114
充 气 梁 的 工 作 原 理
（4）混合式
通过将充气膜结构与索结构相结合，形成的 新型、高效结构系统。
14/114
日本熊本市公园穹顶
Park Dome Kumamoto, 1997
混合充气膜结构形式。 膜结构直径107m，中心
部分设置高 14m的圆锥 形钢结构中心环。
中心环与周围的环状桁架 之间由上下各48根钢索连接 并覆盖以膜材。
world 430,000 m2
30/114
脊谷式膜结构
• 跨中设计
注意排水问题
• 边跨设计
设置加劲索
圣迭戈会议中心, 1991
丹佛国际机场, 1994
31/114
圣迭戈会议中心
San Diego Convention Center, 1990
Membrane: PTFE Membrane covered area: 8 400 m2 Membrane Span: 91.5m Mast Height: 27 m
椭圆抛物面，由大小两个穹顶组成，跨度230×176m。 采用张拉整体桁架体系(Tensegric Truss)，由边长4m的
方形网格单元组成。单元高度2m。 PTFE膜材覆面，采用带弹簧的立杆体系支承。
36/114
弹簧-立杆体系 Spring-Strut System
应力自动维持。当膜材因徐变导致应力降低时，可通过弹簧立杆自 动调节；因此设计时不需施加很大的预张力，也不需二次张拉。
形状适应性。当在风荷载作用下膜面鼓起时，弹簧立杆体系也可随 之伸长，避免索应力松弛，维持体系的形状稳定性。
37/114
山口穹顶
38/114
迪拜酒店
The Arabian Tower Hotel,
Dubai 1999
高320米，采 用双层PTFE 膜，是世界 上最高的膜 结构建筑。
39/114
32/114
拱支式膜结构
• 拱的设计
拱是主要受力构件，为膜材提供了连续的支承点
• 索网设计
通常在拱与边缘构件之间布有索网，对膜加强。
Span: 46m
White Dragon Dome, 1990
M&G Research Laboratory , 1991
33/114
不同的拱支承方式
34/114
适用于可快速拆装的临时性建筑。 内部气压通常为2～7个大气压。
10/114
1970大阪博览会富士馆
The Fuji Exhibition Hall at Osaka Expo’70
由16个气胀式拱构成， 每个拱直径为4m，长度为 72m，连接在直径为50m的钢 筋混凝土环梁上。
Section
停车场的夜景图
Tensairity梁吊装就位
支座节点
21/114
“Skier”桥
“Skier”桥日景图
“Skier”桥安装就位
2005年在法国的阿尔卑斯地区，建成了世界上第一座使 用Tensairity体系的桥梁。该桥跨度52m，由两个Tensairiy梁 并列放置，其上弦刚性构件使用的材料是木材。
《大跨空间结构》之
5.薄膜结构 (中)
Membrane Structures
主讲人：钱宏亮 哈尔滨工业大学
§5.3 膜结构选型
膜结构 空气支承式 骨架支承式 整体张拉式 索系支承式
1/114
1.充气式膜结构
Pneumatic Structures
充气膜结构是靠膜内外的气压差来抵抗外荷载 并维持形状稳定的。
25/114
2.整体张拉式膜结构
Tension Membrane Structures
用桅杆或拱等刚性构件提供吊点，将钢索和薄膜 悬挂起来，通过张拉索对膜施加预张力，使膜材绷紧 形成形状稳定的结构。
曲面构成
张拉式膜结构
受力特点
鞍形
伞形
脊谷式
拱支式
26/114
鞍形膜结构
• 由四个不共面的角点和连接 角点的边缘构件围合而成； HP
4.索系支承式膜结构
Cable-Supported Membrane Structures
由空间索系作为主要承重结构，在索系上敷设 张紧的膜材，此时膜材主要起围护作用。
Cable Dome
Mast-Supported "Domes"
40/114
Buckminster Fuller & Tensegrity
240m×192m
45/114
Geiger 体系
改进：
1）将脊索由辐射状布置 改为联方形网格的形式；
2）取消起稳定作用的谷 索，斜索和压杆的布置也 作了相应调整。
Levy 体系
优点： 1）膜单元呈菱形双曲抛
物面，可自然绷紧成形 2）整体空间作用加强，
在不对称荷载或局部荷载 作用下刚度有较大提高。
• 富勒 (1895—1983)
2000多项发明专利，25本著作。
• 设计科学 (Design Science)
人类的发展需求与全球的资源、 发展中的科技水平结合在一起，用 最高效的手段解决最多的问题。 R.B. Fuller，1895-1983
• Tensegrity (Tensile + integrity)
22/114
气承式膜结构的发展与创新
气承式膜结构 落伍了吗？
1970
1988 真正的主动控制结构 特别适合于超大跨度建筑
1997
23/114
不同形式的充气 膜结构
24/114
悬浮结构 ②
③
①
① Expo’02 ,Switzerland ② 深圳龙岗商业中心方案 ③ 08奥运主体育场方案
2. Metro Dome, Minneapolis, 1982
1981年在施工过程中融雪设备 尚未使用时，因雪载发生过两次 空气泄漏；1982年在投入正常使 用后又因雪载发生过空气外泄。
215m×180m
8/114
东京棒球馆
Tokyo Dome – “Big Egg”, 1988
膜材：PTFE 跨度：202 m 内压：300N/m2
5.可开启式膜结构
Retractable Membrane Structures
49/114
50/114
海洋穹顶
Ocean Dome, Miyazaki, Japan, 1993
100m300m
世界上最大的室内水上公园。 可开启屋面采用PTFE膜材，固定屋面采用钛合金板。
51/114
1%的大气压可产生 1kN/m2的均布压力
气承式 充
气
气肋式
膜 结
气式
构
混合式
2/114
（1）气承式 （Air-supported Membrane Structure） 由膜材围合成相对密闭的建筑空间，通过
对室内充气形成气压差来抵抗荷载、维持形状 稳定。
室内外气压差通常为200～300N/m2。
3.骨架支承式膜结构
Frame-Supported Membrane Structures
膜材作为覆面材料，支承在钢结构骨架上。 优点是，造型自由，可跨越较大跨度。
• 膜的作用： – 降低屋面自重； – 增大支承骨架的网格尺寸； – 形成明亮通透的室内空间效果。
35/114
山口穹顶
Yamaguchi Dome, Japan, 2001
3/114
气承式膜建筑系统
为确保安全性和舒适性，除膜材蒙皮外，
充气膜建筑还包括若干起辅助作用的智能控
制系统。
增氧系统
室外大气
控压系统
空气净化系统
备用能源系统
湿度控制系统 照明控制系统
内部气压
温度控制系统 制冷采暖系统
4/114
气承式膜结构的优点
• 易于建造、抗震性能好 • 对地质条件依赖小、要求低 • 易于营造相对独立的小环境
Ocean Dome, Miyazaki, Japan, 1993 - Interior view
Open Time: 10 min
52/114
卢森堡网球场
Rothenbaum Tennis Stadium, German，1993
46/114
千年穹顶
Millennium Dome, Greenwich, UK, 1999
Membrane: PTFE Covered area: 100 000 m2 Dome Height: 50m Mast Height: 100 m Span: 320m
47/114
千年穹顶施工过程
48/114
17/114
张弦充气结构的工作原理
下弦柔性索承担了结构中的拉力，上弦刚性杆件承担 了结构中的压力，实现了拉压分离。
18/114
19/114
Tensairity结构的特点
• 和张弦桁架相比，使用充气梁替换了撑杆，使得 上弦刚性杆件的稳定性大大提高。
• 与气肋式膜结构比较，Tensairity梁的内气压很 小，但是其承载力可以达到张弦桁架的承载力。
Geiger 体系
Levy 体系
42/114
汉城奥运会体操馆和击剑馆
Olympic Gymnastics Arena & Fencing Arena, Seoul, 1986 体操馆，D=120m
击剑馆，D=93m
43/114
索穹顶结构的施工张拉过程
1-安装拉环、竖杆和环索 2-张拉最外圈斜索 3、4-张拉第二、三圈斜索 5-张拉完毕