國外膜結(jié)構的應用與研究(二)

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     4.空氣支承式膜結(jié)構

     韓國忠州世界武術節(jié)劇場由14個桁架柱支撐屋頂，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，長向4根Φ24索，上弦落雪長向不設。上下索之間用Φ12聯(lián)系索，可減小壓縮環(huán)受力。這個結(jié)構跨度不大，但可取的是嘗試了直接用氣囊做屋蓋結(jié)構的一種新形式。

     美國新澤西州某校園充氣館（見下圖）寬58米，長117米，高24米，有四條跑道。該館用自動控制系統(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練（比賽）。該館采用交叉索網(wǎng)系統(tǒng)，可以保障結(jié)構穩(wěn)定。據(jù)悉，該館可承受強臺風和8千克/平方米的雪。

     5.伸縮式開合膜結(jié)構

     格魯吉亞Batumi夏季音樂廳位于第比利斯，音樂廳呈橢圓狀，147米×105米，9000座。固定的舞臺屋蓋為鋼桁架系統(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，膜收起過程沿徑向索滑動進入膜庫，冬季膜需要存儲和密封在膜庫里。膜庫端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年曾被大風吹壞。2010年奧林匹克冬季運動會后，該館已更換為新的開合屋蓋結(jié)構?；炷两Y(jié)構上高達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。采用性能更好的PTFE纖維膜做成36個充氣墊，沿下弦徑向索滑動構成伸縮式屋頂，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。收縮過程氣墊首先放氣，然后折疊縮回。最大擔憂之一是收縮之前空氣量不能完全放掉，為此上層膜設置70毫米直徑管，以便排風機抽氣，保證折疊到最小的尺寸。固定內(nèi)環(huán)和伸縮式屋頂?shù)倪^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)。

     波蘭國家體育場（見下圖）位于華沙，平面尺寸280米×245米，覆蓋近7萬平方木，5.5萬座，為主辦2012年歐洲杯足球賽而建。碗結(jié)構周圍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5.4萬平方米，采用PTFE膜覆蓋看臺，內(nèi)邊緣10米寬為熱增強玻璃屋頂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），在草地上空對角線布置，使遮擋場地上空的結(jié)構數(shù)目最少。開合屋蓋1.1萬平方米，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”體育館伸縮式開合不成功后，這種形式已經(jīng)很少采用。上面這3個伸縮式開合膜結(jié)構都是Schlaich事務所的作品，他們詳細研究了合理的伸縮方式，并且都采用了先進的膜材，成功地實現(xiàn)了包括氣墊在內(nèi)的膜結(jié)構伸縮式開合。

     巴西首都巴西利亞新建的馬內(nèi)加林沙國家球場，70402座，用膜結(jié)構覆蓋物面和墻面，也采用了伸縮式開合方式。固定屋面采用4萬平方米TiO2/PTFE膜，伸縮式開合膜屋面為4.05萬平方米PTFE網(wǎng)格膜，墻面是4000平方米PTFE膜。

     6.超大空間膜結(jié)構

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

     該結(jié)構長軸140米、短軸120米，中央三腳架高150米，屋頂表面積1.9萬平方米。從高度70米～125米，成對使用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。索與膜需要相對較高的預應力以控制變形，約需提高10%～20%，控制索最大變形800毫米，鋁框設計需適應變形。頂環(huán)直徑20米，采用150毫米厚鋼板，頂部結(jié)構設百葉保證通風。低溫下ETFE會變硬，設計中須關注。

      膜結(jié)構在大型工程中應用多體現(xiàn)在體育場館，展示了膜結(jié)構應用于大跨度屋蓋結(jié)構的優(yōu)勢。KhanShatyr娛樂中心是用膜結(jié)構覆蓋超大空間、構建人工環(huán)境的一個成功案例。國際上已有不少學者在探討構建500米～1000米超大空間的可行性。我國也應該多專業(yè)聯(lián)合開展探索性研究，以迎接未來的挑戰(zhàn)。（待續(xù)）

      作者系北京工業(yè)大學空間結(jié)構研究中心主任、中國鋼結(jié)構協(xié)會空間結(jié)構分會理事長