国外膜结构的应用与研究(二)

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     4.空气支承式膜结构

     韩国忠州世界武术节剧场由14个桁架柱支撑屋顶，三角形管桁架组成椭圆状压缩环。屋面采用透镜型PTFE气囊，面积为30米×53米。气囊内部的高度为5米，体积为5630立方米，内压350Pa。用索在气囊上部和下部作加劲，短向7根Φ24索，长向4根Φ24索，上弦落雪长向不设。上下索之间用Φ12联系索，可减小压缩环受力。这个结构跨度不大，但可取的是尝试了直接用气囊做屋盖结构的一种新形式。

     美国新泽西州某校园充气馆（见下图）宽58米，长117米，高24米，有四条跑道。该馆用自动控制系统保持温度。屋顶的膜夏天可轻松撤下，冬天重新安装。全天候用于足球和曲棍球训练（比赛）。该馆采用交叉索网系统，可以保障结构稳定。据悉，该馆可承受强台风和8千克/平方米的雪。

     5.伸缩式开合膜结构

     格鲁吉亚Batumi夏季音乐厅位于第比利斯，音乐厅呈椭圆状，147米×105米，9000座。固定的舞台屋盖为钢桁架系统，有3°倾斜，覆盖5500平方米，8°外倾的周边柱支承压缩环。7900平方米伸缩式膜屋顶跨度83米，29根径向索跨越压缩环和舞台口的弧形钢桁架，增加了柔软剂的单层PVC膜位于径向索下，膜收起过程沿径向索滑动进入膜库，冬季膜需要存储和密封在膜库里。膜库端15根索降低1.60米，形成折叠式的山脊和山谷线，用于排水并提高刚度。

     加拿大温哥华BCPlace体育馆于1986年建成，227米×186米，可容纳6万人，曾是世界上最大的气承式充气圆顶体育馆。因该馆膜材老化，2007年曾被大风吹坏。2010年奥林匹克冬季运动会后，该馆已更换为新的开合屋盖结构。混凝土结构上高达47.5米的36根桅杆支承36榀径向索桁架形成屋盖主结构。采用性能更好的PTFE纤维膜做成36个充气垫，沿下弦径向索滑动构成伸缩式屋顶，跨度70米，覆盖8500平方米。永久荷载作用下的气垫内压是500Pa，如果屋顶受到雪压将增加到2000Pa。收缩过程气垫首先放气，然后折叠缩回。最大担忧之一是收缩之前空气量不能完全放掉，为此上层膜设置70毫米直径管，以便排风机抽气，保证折叠到最小的尺寸。固定内环和伸缩式屋顶的过渡区是钢环桁架支承的玻璃顶，边缘有充气密封系统。

     波兰国家体育场（见下图）位于华沙，平面尺寸280米×245米，覆盖近7万平方木，5.5万座，为主办2012年欧洲杯足球赛而建。碗结构周围72根柱支承下压缩环，替代上压缩环的是斜杆。辐射布置索桁架的径向索互相交叉，增加倾斜，提高刚度。固定屋盖5.4万平方米，采用PTFE膜覆盖看台，内边缘10米宽为热增强玻璃屋顶4000平方米；外部上径向索连接到张力环，支承10米宽悬挑玻璃顶和悬挂伸缩式膜。内部下径向索只用4组索（每组3根），在草地上空对角线布置，使遮挡场地上空的结构数目最少。开合屋盖1.1万平方米，用PVC膜沿着60根内部上径向索跨越中央的枢纽和张力环之间，覆盖草坪。

     自从加拿大蒙特利尔“斜塔”体育馆伸缩式开合不成功后，这种形式已经很少采用。上面这3个伸缩式开合膜结构都是Schlaich事务所的作品，他们详细研究了合理的伸缩方式，并且都采用了先进的膜材，成功地实现了包括气垫在内的膜结构伸缩式开合。

     巴西首都巴西利亚新建的马内加林沙国家球场，70402座，用膜结构覆盖物面和墙面，也采用了伸缩式开合方式。固定屋面采用4万平方米TiO2/PTFE膜，伸缩式开合膜屋面为4.05万平方米PTFE网格膜，墙面是4000平方米PTFE膜。

     6.超大空间膜结构

      哈萨克斯坦KhanShatyr娱乐中心（见左图）位于阿斯塔纳市，那里有从 40oC到 40oC的极端气候。娱乐中心内游客可以购物、看电影及享受用餐，设有慢跑的路径、微型高尔夫。在最高的独立屋顶，有热带的沙滩和温暖的泳池。

     该结构长轴140米、短轴120米，中央三脚架高150米，屋顶表面积1.9万平方米。从高度70米～125米，成对使用192根38毫米直径径向索，辅以环向索抗扭，外表面使用ETFE完全透明膜气枕。索与膜需要相对较高的预应力以控制变形，约需提高10%～20%，控制索最大变形800毫米，铝框设计需适应变形。顶环直径20米，采用150毫米厚钢板，顶部结构设百叶保证通风。低温下ETFE会变硬，设计中须关注。

      膜结构在大型工程中应用多体现在体育场馆，展示了膜结构应用于大跨度屋盖结构的优势。KhanShatyr娱乐中心是用膜结构覆盖超大空间、构建人工环境的一个成功案例。国际上已有不少学者在探讨构建500米～1000米超大空间的可行性。我国也应该多专业联合开展探索性研究，以迎接未来的挑战。（待续）

      作者系北京工业大学空间结构研究中心主任、中国钢结构协会空间结构分会理事长