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浅谈充气膜结构在校园体育场馆中的应用

发布时间:2021年10月26日 点击数:1051

一、充气膜结构发展概况



充气膜结构做为一种新型的空间建筑, 特别对于需要大面积大空间的作业区, 它比任何建筑更具有优势, 因此它可广泛应用在需要大跨度作业空间。充气膜结构是一个相对密闭的空间结构, 与传统空间结构建筑不一样的是它通过风机向结构内部鼓风送气, 使膜结构内外保持一定的压力差, 以保证膜结构体系的刚度, 维持所设计的形状。同时压力控制系统可使结构维持一定的内外压, 保证结构稳定性。由于在结构跨度中不需任何支撑, 因此适用于超大跨度建筑, 一般用于大型体育馆、大跨度厂房、仓库等。

膜结构摆脱了古老的马戏帐篷的形象, 在第二次世界大战后开始尝试充气膜结构的形式。最初的尝试是在美国的军用设施中实现的。1970年, 日本大阪世博会 (EXPO’70) 为膜结构发展提供了契机, 展馆宜采用轻结构体系。由David Geiger完成结构设计的美国馆, 首次建成了大跨低轮廓 (小矢高) 气承式膜, 平面为139m×78m椭圆, 矢高只有6.1m, 对于矢高非常低的穹顶来说, 风荷载对穹顶的风吸作用分布比较均匀, 没有异常影响, 在膜结构的设计上非常有利。这个性质为促进以后的低矢高充气膜结构的发展奠定了基础。该馆在椭圆受压圆环内侧张拉具有钢索补强的膜材, 膜材为有聚氯乙烯涂层的玻璃纤维布, 室内气压与室外气压相比稍高一些而形成膨胀的屋面膜结构。1988年, 日本建成东京穹顶 (Toyko Dome) 。此后便在日本掀起了膜结构及穹顶结构的建设热。东京穹顶是一个多功能的运动场馆, 可进行棒球比赛、美式橄榄球比赛等, 并可进行各种大型集会及节日活动。所采用的膜材料为聚四氟乙烯涂层的玻璃纤维永久膜材, 此结构采用最先进的自动控制技术来维持屋顶的正常运行, 是机械, 电子, 土建相结合的智能建筑。

二、充气膜结构风雨操场

“气承式”充气膜结构是现代建筑结构形式中的一种, “气承式”是指用空气支撑的建筑。将设计、制作成型的建筑膜体, 固定在基础梁的周边, 自动化供风系统向室内充气至200pa左右正压, 靠压力差使膜结构体稳定以抵抗外界风、雨、雪荷载, 因无需任何梁、柱支撑, 可获得最大使用空间。充气体育馆的三层膜结构保温技术, 相当于传统三七墙的保温K值, 制冷和供暖的能耗只用传统建筑的三分之一, 因此, 充气膜结构建筑已成为世界上最节能的建筑形式。充气体育馆室内压力为自动化控制, 略高于室外, 因此, 空气密度大、相对含氧量高, 所以, 欧美国家将充气体育馆普遍应用于学校和居民社区体育馆。

1、充气膜结构风雨操场的意义

现今雾霾天气频发, 多地区中小学更是取消了正常的室外活动和体育课, 然而运动的减少对生长发育期的少年儿童十分不利, 仅在室内进行活动远达不到锻炼效果。同时由于PM2.5无孔不入且无法有效通风, 室内空气质量也不容乐观。

如何让学生在雾霾和雨雪天气也能正常参加运动健身成为体育教学的一大难题。然而, 充气膜结构在校园中应用的提出将有效的解决上述问题, 可以建成充气膜结构风雨操场、体育馆等为学生营造一个健康舒适的健身环境。

2、充气膜结构风雨操场的优势

(1) 空气净化, 有效过滤PM2.5。在室内的正压环境下课隔绝污染, 智能供风系统加载空气净化模块后可有效去除PM2.5等污染物, 并保证风雨操场内充足的新风量, 保证场内空气质量达到每人每小时20-30m3新风量的要求。

(2) 有效抵御风、雨、雪天气。在北美和欧洲等发达国家, 充气膜结构建筑已被安全应用了近半个世纪。整体外形的曲面结构的设计, 是风阻最小的建筑。在北美为抗飓风, 采用钢绳网与基础连接有效提高了膜结构建筑的抗风能力。在高寒地区增加融雪系统的设计, 可有效抵御雪荷载。充气建筑的膜材料具有良好的阻燃防火性能, 达到北美和欧洲的防火标准。面对火灾可能给人身带来的伤害, 充气建筑是最安全的建筑之一。供风系统设备一备一用, 配套自动启动的发电系统, 在双路断电的情况下也可确保安全使用。

(3) 抗震能力强。面对地震给建筑带来灾难性的危害, 充气膜结构建筑具有绝对优势。即使在灾区电网停止供电的情况下, 备用发电机也可保障正常运转。可有效保护人身安全。作为校园风雨操场, 这一结构可以在地震中保护师生生命安全, 必要的时候还可以作为城市救灾情况下的避难场所、指挥部和临时救护医院。

(4) 大跨度、大空间。气承式充气膜结构建筑, 从根本上克服了传统结构形式在实现无支撑的大跨度上所遇到的困难和挑战。因此, 可创造出巨大的无遮挡的大跨度空间, 可有效利用建筑的使用面积。目前可做成150米×300米×30米的连续无柱大空间, 可覆盖从高尔夫练习场到几个足球场大的面积, 满足校园内操场的使用面积。

(5) 节能。充气膜结构建筑是北美和欧洲公认的节能建筑, 可实现以极少的资源消耗而获得极大的建筑空间。良好的保温技术, 使维护结构和穹顶均达到了传统建筑三七墙的保温系数, 达到了以最节能的方式实现了室内运动场的舒适环境。借助充气膜结构的自动供风系统解决空调送风, 既减少了室内空调设备的投资, 也节省了日常设备的能耗。因此, 充气膜结构建筑具备了卓越的节能效果。只需用传统结构体育场馆的近20%至25%的空调能耗, 就可达到相同面积体育场馆的制冷和供暖效果。充气膜结构以最节能的方式创造了舒适的室内运动环境。

(6) 环保。建筑用膜材料, 是采用精细化工、纺织和复合工艺技术生产。所有原材料符合北美及欧洲标准, 对人身体无任何负作用。为提高建筑膜材的化学结合力和结构稳定性, 用PVDF氟涂层做膜材表面处理, 确保不会与大气中的污染因素起反应。因而, 使膜材形成良好的表面封闭。膜材阻燃防火、延长使用寿命抗老化、耐紫外线、耐酸碱、耐磨损和具有自动清洁等性能。膜材料本身可以回收利用, 在建造和拆除过程中几乎没有建筑垃圾和环境污染。

(7) 建造迅速。充气膜结构实现了建筑的工业化生产, 同期进行基础施工。对于半永久性的充气建筑, 运抵现场后安装只需一周时间完成。

(8) 重量轻、造价低。



充气膜结构建筑每平米自重约3公斤, 可以建在楼顶将闲置的平台建设为全天候使用的充气运动场, 有效节省了土地, 并且, 彻底解决了楼顶保温和防水。

充气膜结构省去了传统结构的刚性支撑费用, 其基础也只是承受膜体的上浮力, 对地基承载力无任何要求。充气建筑的综合造价只用传统建筑结构造价的30%至40%。

膜材料本身具有自洁、高强。耐久、耐火等性能, 根据选用不同的膜材, 使用年限在10~30年之间, 使用期限内膜材料是免维护的, 即便在使用过程中有局部破损, 很容易修补且无需太多费用, 且膜结构一次建成后不再需要装修费用。

三、膜结构的发展前景

随着雾霾天气的出现, 将充气膜结构应用于校园中将具有很明显的社会意义, 同时由于膜结构具有丰富多彩的造型、优异的建筑特性、结构特性、和适宜的经济性等其他传统建筑无法比拟的优势, 膜结构必定将越来越广泛地应用于人们的日常生活中, 具有广阔的前景。

参考国外经验并结合中国的具体情况, 最能发挥膜结构优势的应用领域有:

(1) 需要自然采光的公共建筑, 如体育馆、训练房、游泳馆、展览厅等, 膜材的透光性能很好的解决采光问题, 又可节约能源, 并给人一种处于大自然环境中的感觉。

(2) 轻巧而美观的膜结构用于敞开或半敞开建筑物的遮蔽屋盖尤为适宜。近年来在足球、田径等比赛的体育场中, 越来越多的看台挑蓬都采用膜结构。国外很多露天剧院的舞台、博览会的展览馆也都以膜材作为顶盖。在我国广大地区的农贸市场也可大力推广膜结构。

(3) 各种类型的生产厂房与仓库, 其尺寸都比较规则, 因而可采用膜结构并加以定型化、商品化。这种建筑有运输、拆装方便的优点, 对于紧急救灾或灾后重建也十分有利。

(4) 在改造原有建筑物时, 膜结构的自重轻是很大的优点, 可以用来代替传统屋盖, 它也可用来连接毗邻的房屋, 例如在商场、广场、校园中, 这将有效地扩大其建筑空间。

四、结语

随着我国经济的迅猛发展和人民文化生活的不断丰富, 膜结构建筑将以其更鲜明的特点得到越来越广泛地应用。中国在膜结构的材料、设计与施工中已建立了一定的基础, 需各方面配合, 努力开拓, 膜结构将会得到更大的发展空间。

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