半球形气膜建筑与钢缆设置研究.docx

球形气承式膜结构（充气膜）穹顶建筑与钢缆设置研究分析
焦亮

自古罗马时期，球形或半球形的屋顶就已有很成功的应用，最典型的就是各种神殿建筑大多使用这种建筑形式。以前，长度为43米（142英尺）直径的球形顶大约需要十年以上的时间才能完工。砌体的形成和放置穹顶非常耗时,但由于使用奴隶劳动的成本非常低，因而那一时期建设如此巨大的工程一般不会有什么问题。现如今，建设更大直径的穹顶的需求量越来越大，很多应用于此方面的研究成果也不断开发出来。比如建设直径100米（300英尺）的穹顶如果有足够的量经济支持的情况下，并排除各种其他困难的情况下现实起来已不是问题。应用新操作方法,建设直径小于80米（260英尺）穹顶的建设成本已经大大降低了。
1976年位于西雅图的穹顶一直是1996年以前世界上最大的穹顶，采用了水泥薄壳结构，其结构超净空，共65000个座位，造价为平均1000美元一个座位。其造价与其他结构、相同跨度的建筑形式比非常的经济。
早在1940年以前，由于经济效率的原因，充气式（气承式）膜结构建造穹顶的技术不断被推广应用。应用此项技术一个跨度80米（260英尺）的穹顶可以在两到三个月的时间内，建造完成。气承式膜结构已成为速度和效率都非常高的建筑穹顶的方法。对于跨度超过80米（260英尺）的穹顶由于建筑膜材应力数值的限制尚没有推广应用。不过应用气承式膜结构（充气膜结构）建造大跨度穹顶已经成为一个非常有效和经济的建立方式。
目的
气膜建筑和罗马神殿的构造模式类似，需要钢网在径向和纵向的网格间隔尺寸相等，这样水平和垂直方向的力将被有效分配。架设于气膜建筑外部的钢缆网格将用于控制充气建筑形成后的变形量，此系统的应用使建造较大直径穹顶建筑成为可能。这篇文章的主要研究内容就是基于现有气膜建筑材料的情况，如何在低高跨比值穹顶的气膜建筑中使用、设计和安装放射状外部钢缆辅助系统(图1.1)或网格状钢缆辅助系统(图1.2)。将铺设两种不同钢缆网格系统的气膜建筑，进行不同环境下测试，观测不同应力作用下气膜建筑膜材的变形和钢网所受张力大小变化情况。使用空间尺寸变化分析法进行标志点变形数据比较，以指导未来气膜建筑的构建。目前为止最大的穹顶建造直径约为80米（260英尺）。如果使用了加载有网格钢缆系统的气膜建筑构造技术，相信可以胜任于建造直径100米（300英尺）的气膜穹顶。一般可接受的安全系数的条件下，建筑膜材抗拉强度只能承受小于50米（170英尺）的曲率半径的拉力。这里介绍的研究成果，将表明使用带钢网系统的气膜建筑技术可以用构建直径240米（800+英尺）以上大直径低高跨比值的建筑穹顶。

这一模形展示给大家的是一种应用了网格状钢缆辅助系统的气膜建筑。此系统能够修正气膜建筑的变形问题，从而可以实现气膜建筑安全的应用于超大直径穹顶。模型还可以表现出，钢网系统可以实现减少气膜建筑局部应力过大的问题，通过减少气膜建筑的曲率半径，使气膜建筑形成自我调节的应力系统。建筑膜结合应用钢网系统使超大跨度气膜建筑屋顶结构成为可能，而且其整体造价非常经济、建设时间也非常短。
背景
球形穹顶的建筑发展已有很长的历史了，古罗马时期的神殿和教堂很多都是圆球体的，最大的直径能够达到38米（142英尺）。
2.1气承式膜结构
上世纪70年代开始，随着大家对气膜建筑认识的深入，气膜建筑应用于小跨度的穹顶数量的增长速度非常快。在膜材料技术的不断升级和人员成本的增加的条件下，气膜建筑的建造的经济性优势越来越明显，很多项目由于使用气膜建筑结构形式大大的减少了费用和总体成本。气膜建筑的施工机械也非常简单，只需要吊车和叉车即可。借助机械的条件下，整体施工只需要10-15个工人就可以完成。对于直径小于60米（180英尺）的项目可以使用两台吊车同时使用。使用两组同时施工的条件下，可以使很短的时间内即可完成施工，节省大量的费用。
气膜建筑制造的大跨度建筑可以很好的控制屋顶雨雪的流向和流动效率是其又一个超过传统建筑结构的优点。

穹顶直径对比图

2.2膜结构材料和物理特性
对于气膜建筑来说，建筑膜材和钢缆的强度非常重要。膜材必须能够承受和钢缆一起传导到圈梁和基础的张力。膜材是平织方式纤维织物作为抗拉强度的主要材料，其外部的PVC涂层作为保护层来保理论上聚脂纤维的寿命和强度。纤维织物编织的非常紧密，PVC涂层通过刮涂的方式与纤维层结合，防止其由于光照和腐蚀而老化。PVC和热的四氟乙烯通过不同的轧轨紧密的贴合在聚脂纤维的表面，使之永久的组合在一起。加工好的PVDF膜按照克重的不同进行分类。通常膜材构成为0.23千克/米2（7盎司/码2）的聚脂纤维需要0.92至1.358千克/米2（27-40盎司/码2）的PVC涂层。一般膜材是打成卷进行运输，通过裁切机裁成构筑建筑所需要的膜片，用高频焊接机焊接形成一个整