ETFE--柔性结构之自行调节能力

日期:2021-09-07

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无论从材料属性还是结构来看,ETFE气枕式膜结构都可谓是一种柔性结构。同众多建筑材料强调材料强度不同,ETFE膜材展现的是其延展能力。同钢材、水泥或玻璃相比,ETFE23.5N/mm2的低应力条件下就会屈服。但事实也表明,从延展至最终撕裂,ETFE胶可延他至原在尺4倍。因此ETFE膜非常适合充气结构,通过注入气体撑起膜面并保持膜面紧绷。虽然其内部气压值只维持在200~600Pa之间,相当于0.2%-0.6%的汽车轮胎内气压,但这已足以保障膜面抵御外来的风雪荷载。虽然来自气枕内部的预应力与外部活荷载均临近ETFE膜的屈服点但ETFE材料的抗拉能力与延展性能杜绝了破坏的发生。这意味着ETFE气枕式膜结构要远强于由木材、钢铁、铝材或其他建筑材料组成的结构体系.

1968,雷诺·班汉姆通过与既有结构的对比描述了充气式膜结构的性能,“建筑就像处在内外环境之间的衔接体,在某种程度上,一旦我们意识到这些已有建筑发生这样的情况(水的声音、瓦片纷飞、窗子吱吱作响),便可认定这些衔接出现了故障。但充气式结构却具有自行调节、修复的能力。如果它不发生颤动或吱吱作响,反而意味着出现了故障。膜材自行调节功能与那些办公大楼上的玻璃幕墙相比可谓是真正生态意义上的‘皮肤’。”

在班汉姆实验性的小型充气穹顶中,他补充道:“充气的美在于支撑体间会直接产生连锁性的反应。任何来自该穹顶结构内外的轻微触动——甚至是大声说话——都会引发膜面的一系列反应。这与任何来自昂贵计算机的预都无关,仅仅是由于内外存在压差造成的。这种使用者与建筑物之间的关系,看似是各行其道实则息息相关。

虽然班汉姆特指的是气承式充气结构,但他对于自行调节膜的论述同样适用于气枕式膜结构。充气后,ETFE气枕的内部压力、表面张力与膜面曲率达成某种形式上的平衡。并非是依靠材料自身强度承载压力,ETFE气枕通过形变吸收能量、缓冲速度,与材料不同,气枕的这种形变是可逆的。当荷载加大,气枕将会变硬,膜材曲率增高,从而更好地承载压力。膜材与气枕协调形变最终促成了一套主动完善的自行调节系统。

充气后的ETFE气枕重量约为传统密闭式结构的百分之一,从而极大减少了基础所需承担的固有荷载。规格化生产的普通玻璃,其最大跨度只有1.5m,而单向承载的ETFE气跨度可达3~5m,双向承载高达1m。足够大的跨度模数保证了在无需二级支撑结构的情况下,主体结构即可形成对气枕的支撑。除了满足跨度和承载力的需求,主体结构还需考虑变形及扭曲等。ETFE气枕即便是在通常结构的支撑情况下,也会产生变形和偏移,因此为了消除这种形变,膜材与结构主体应设计成柔性连接。