关于ETFE膜结构建筑——“水立方”的分析

 关于ETFE膜结构建筑——“水立方”的分析

膜结构是一种古老的结构型式，它具有轻盈，纤薄，柔软的质感，与传统的混凝土有明显的区别，常常能给人以耳目一新的艺术感受。 膜结构属于柔性材料，膜材本身的受弯刚度几乎为零，但通过不同的支撑体系可以使薄膜结构承受张力，从而形成具有一定刚度的稳定曲 面。膜结构能够从根本上克服传统结构在大跨度建筑上实现所遇到的 困难，可建造出巨大，明亮，无遮挡的可视大空间。膜结构突破了传 统的建筑结构形式，可形成各种自由空间曲面，不重复，多变化。这 也是薄膜结构更具有艺术性的一个原因。例如在上海世博会世博轴膜 屋面正是应用了这种特性，才建出了轻质大跨度的结构。除了这些在建筑结构上的特性，还有以下在物理与在实际生活上的特点。

<1>具有优良的力学特性。膜结构的受力为单纯受拉，膜材只承受沿 膜面的张力， 因而可充分发挥材料的受拉性能。    它是跨度重量比最大 的一种结构， 且单位面积的结构自重与造价不会随跨度的增加而明显 地增加。

<2>膜结构透光自洁，减少能源消耗，降低维护费用。膜结构是半透 明的织物，透光率一般可达    4％~16％，能够满足大跨度建筑在平时 使用时利用自然光的采光要求，    白天几乎不需要人工照明。但是冬季太阳光对于膜结构屋盖内部的气温升高效应不大，而夏天却相反，膜结构的室内气温比室外高出5—10 度，有时会使人感到明显的不适。 因此，膜结构多采用反射能力强的淡色材料。

<3>使用范围广，可拆卸，易运输。从气候条件看，它适用于广阔的 地域；从规模上看，可以小到花园小品，大到覆盖几万，几十万平方 米的建筑。膜结构可作巡回演出，展览等临时建筑，其拆卸和安装所 需时间短。

在中国有一个膜结构的完美体现——水立方。“水立方” 是世界上最大的膜结构工程， 除了地面之外， 外表都采用了膜结构———    ETFE 材料，蓝色的表面出乎意料的柔软但又很充实。    “水立方”不仅是一 幢优美和复杂的建筑，她还能激发人们的灵感和热情，丰富人们的生 活，为人们提供记忆的载体。因此设计中不仅利用水的装饰作用，同 时还利用其独特的微观结构。采用在整个建筑内外层包裹的ETFE 膜（乙烯 -四氟乙烯共聚物）是一种轻质新型材料，具有有效的热学性能和透光性，可以调节室内环境，冬季保温、夏季散热，而且还会避 免建筑结构受到游泳中心内部环境的侵蚀。更神奇的是，如果ETFE 膜有一个破洞，不必更换，只需打上一块补丁，它便会自行愈合，过 一段时间就会恢复原貌！这种膜结构的保温隔热构造不同于普通的 保温构造方式。 通常，建筑的保温隔热通过墙体附加保温隔热层来实 现， ETFE 膜结构的保温构造原理类似于中空玻璃幕墙，热量从室外 向室内传递要经过以下过程：室外空气→外层玻璃外表面→外层玻璃→外层玻璃内表面→中间空气层→内层玻璃外表面→内层玻璃→内 层玻璃内表面→室内空气。由于经过多层阻隔， 室外的热空气经过消 耗，从而达到隔热的效果。相同，当室外空气温度低于室内空气时， 室内温度较高的空气传出室外也会经历相似的过程，    从而有效的减少 了室内热量想歪散失，从而达到保温效果。这种材料的运用，明显可 以使建筑显得轻盈和通透，这也是其他材料无法媲美的。

而“水立方”结构几何体的基本模型是基于优化改良的多面体 组合建立起来的。 其几何体是这样形成的：    首先生成一个比水立方建 筑的的更大的多面体阵列，再把这个阵列围绕（0,0,0）——(1,1,1) 矢量轴旋转60°，在多面体阵列中切出    176.5389m× 176.5389m× 29.3789m 立方体的建筑外形。然后在立方体的内部挖去内部使用空 间，这样便切出了屋盖和墙体结构。多面体单元在两个切割平面上切 出的屋盖结构的上弦、下弦杆件和墙体结构内外表面弦杆，    两个切割 平面之间的多面体棱边便为结构的腹杆。“水立方” 也运用了新型的多面体空间钢架结构，这种新结构则由复杂的类WP 多面体单元填充的实体减去不需要的空间而得到，基本类WP多面体单元一个角点(即结构中的节点)上只有四条边    (即结构 中的杆件 )与之相连 ,而传统网架一个节点上至少有6根杆件与之相连 , 角点形式只有三种,一共只有四种边长，类WP 多面体阵列经旋转、 切割形成结构的屋面和墙面后,与表面上节点相连的杆件数最多为6根。这种几何构成的结构体系当杆件之间铰接时几何可变 ,不能承受外荷 载,因此多面体空间刚架结构的杆件之间必须刚接 ,才能形成结构承受 外力，其杆件内力除了与普通网架一样有轴力外 ,还有双向弯矩、双 向剪力和扭矩  ,与刚架杆件相似 ,因此称之为刚架。

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