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气膜建筑的基本概念

大跨度气膜建筑是利用气膜结构为主体的建筑系统。气膜结构作为大跨度建筑结构的一种,采用了高强度柔性薄膜材料,利用空气压力支撑膜体来覆盖大跨度空间。其原理是:将膜材固定于地面基础结构周边,利用供风系统让室内气压上升到一定压力后,使屋顶内外产生压力差以抵抗外力,由于利用气压来支撑,无需任何梁、柱,所以可得到更大的完全净空的建筑空间。经过60 多年的发展,大跨度气膜建筑已经形成了一套完整的理论体系和技术标准。

    威尼斯人是国内气膜建筑系统及技术的领导者,在气膜建筑领域拥有许多专利和独有技术,有近10多年的建筑经验。

气膜建筑空气支撑原理

    气膜建筑是用特殊的建筑膜材做外壳,配备一套智能化的机电设备在气膜建筑内部提供空气的正压把气膜建筑主体支撑起来的一种建筑结构系统。一套完整的气膜建筑还包括了照明系统和门禁系统,如下图所示。
 由图1 可以看出:整个建筑没有受弯、受扭和受压的构件,内部无需任何框架或梁、柱支撑,目前可以实现180米的跨度。

 图2 给出了大气压力与空气含氧量之间关系的曲线。由图可以看出随着大气压力的升高,空气的含氧量是递增的。因此气膜内外的气压差不仅不会对人体有任何不良的影响,相反,由于气膜内空气含氧量大于气膜外空气含氧量,因而,在气膜建筑内进行运动,其空气环境对人们是有帮助的。

    通常气膜内外气压差约为250~500Pa,约0.0025~0.005个大气压(1大气压=106Pa)。

气膜建筑主要优点:

◆更大跨度的轻型建筑空间  由于膜材自重极轻,每平米自重3 公斤以下。利用气压来支撑不需要内部梁、柱,所以能够轻松实现100 米以上的大跨度净空空间,最大跨度180 米,这是传统建筑结构无法做到的。由于膜结构建筑特殊的结构原理。导致在风载荷作用下,主要受力为上扬力。即使是在屋顶加层,也不会给原建筑增加承重。扩大了体育场馆的建造范围,有效利用原有建筑面积。

    ◆ 更低的建筑成本  建筑膜材造价低廉,双层膜比传统的轻体建筑复合保温板的价格低约30%,但仅比单层膜高出30%左右。由于膜建筑屋面重量仅为常规钢质屋面的1/30,这同时降低了墙体和基础的造价。

    据有关资料估计,用2010年温哥华第21届冬奥会主会场场馆与我国传统的大跨度钢结构或钢混结构建筑相比(比如鸟巢、水立方、首都大剧院等),该场馆建筑成本仅为传统建筑成本的1/5-1/6。

    ◆ 更高的建筑灵活性  膜体安装简单快捷,可以作为临时或季节性建筑,并可以和其他常规结构建筑相连接。连接处均可进行气密性设计。功能分区明显,避免其他活动对运动的影响。方便运动与观光的有机结合。气膜建筑基础处理简单,迁移的损耗非常小。拆装方便,可以很容易地建成季节性建筑。解决露天场馆因为“雨、晒、冷、雪”等导致部分时间不能营业的难题。

◆ 更环保的施工过程  在膜体的制作和施工过程中均没有建筑垃圾输出。现场无噪声,无环境污染。钢和混凝土为主体的建筑无时无刻不在消耗着宝贵的地球资源,制造了大量的建筑垃圾,气膜结构可实现以极少的资源消耗而获得极大的建筑空间。

◆ 更节能的环保建筑  气膜材料表面涂有一种名叫PVDF的涂层,该涂层具有100%防紫外线功能,它具有较高的热反射率和散热率,在夏天,它不象传统建筑那样吸热,减少了阳光热量的导入。另一方面,由于内外膜之间中空保温材料的作用,又有效地阻止了空气调节系统送入气膜建筑内的冷气(或者暖气)与外界的热量交换。这样,大大地减少了制冷或者供暖设备对电能的消耗。

    据美国专家计算,与传统建筑相比,气膜建筑的制冷(供暖)能耗仅为传统建筑的10%-25%,总体节能75%以上。

    ◆ 更短的施工周期  膜工程中所有设计和制作均在工厂内完成,在现场只进行安装作业。与传统建筑相比,施工难度低、周期缩短1/2 以上。现场施工时间不超过一周,是最节省现场施工管理的建筑形式。

    ◆ 拆卸、搬迁方便  气膜建筑的柔性特点及其简约性使之拆卸、搬迁变得可行和方便。当某处土地使用时间到期时,可拆迁到另一处重新安装,仅有地面材料无法利用,经济价值利用率可达70~80%。

    ◆ 可设计成自然采光  普通膜材的透光率是5%,半透光膜材的透光率可达25~30%。使用半透光膜材,白天可以利用自然光,大大节省照明费用。

    ◆ 自我清洁 不用打扫  气膜外部的 PVDF涂层具有 “自我清洁”的功能,灰尘不易粘在其表面上,只要下大雨,就可以将粘在气膜表面的灰尘冲洗掉,从而保持原来干净的外观,并能延长膜材的寿命。

◆ 防风 防雪 防火 防震 安全性高  中等(0.6mm)强度的建筑膜材,其抗拉强度已经和常用的建筑外钢板相当,且损坏的膜材可以很容易的修补。

    利用了斜向网状钢缆稳定系统,使气膜建筑可以抵御大风及大雪的灾害。传统建筑遇到地震,存在建筑材料因倒塌、下落,砸压建筑物内人员的重大安全隐患。气膜建筑因其重量轻,就不存在这个危险。如果因地震而导致基础开裂发生漏气,气膜建筑的上部结构下落到距离地面2米高度所需要的时间大约30分钟,有充足的时间保证在气膜建筑内活动的人员从容地疏散。

    供风系统机电设备“一用一备”,功能齐备,在最恶劣的情况下也能保证建筑的正常运转

    膜材达到B1级防火要求,符合国家消防标准。

    ◆ 更智能的控制方式  气膜建筑采用智能化机电控制系统,实现人性化操作管理。

    A 由PC自动维护系统控制气膜建筑正常运行各项指标。

    B 中央控制系统根据外界风、雪环境变化自动调节建筑内部压力。

    C 人性化设计,新风、温度、灯光等根据内部使用变化进行调节

    D 所有机电设备集成化设计,可实现手机远程控制。

    ◆ 不晃眼的泛光照明 气膜建筑膜材具有很好的光反射性和较低的光吸取。利用内衬膜的反光性,提供均匀、无晃眼照明效果,充分考虑场馆运动之需要。

 采用两种类型灯光:立柱式照明和吊灯式照明

    ◆ 优异的通风效果 犹如室外大自然一样   通风系统沿用了最科学的地面通风设计,采用置换通风原理,通风效能系数大大高于普通通风,在改善室内空气质量的同时,向内部提供超静气流,实现非常适合于室内运动的通风效果,不会对运动产生任何影响。气膜建筑系统将建筑的充气、室内的通风及空调进行一体化设计,不需要另设内部管道,不仅有效节约能源,还可以根据建筑内的人数来设定通风次数每小时8-26 次的通风次数保证场馆内空气的绝对新鲜度。气膜建筑系统优异的通风效果让运动者在室内运动时也和室外一样舒适自如。

    ◆ 富含氧量 有益运动  由于气膜建筑内部压力大于外部压力,因而气膜建筑内空气含氧量大于传统建筑内空气含氧量,更适宜进行体育运动。

    ◆ 临时建筑 易于报建  目前我国还没有把气膜建筑纳入建筑规范来管理,各地政府在建筑审批时,都是按照临时建筑报建,不需要按照传统建筑那样办理正规报建手续。

    ◆ 穹顶成为巨大的投影屏幕  气膜建筑内部无梁无柱,配以洁白的内膜结构,可形成一个巨大的投影屏幕,最适用于喜庆婚典及其它学问演出活动的场所。

◆ 独特的外观 标志性建筑  气膜建筑造型新颖美观,外形与颜色可与周边环境融为一体。根据需要,外观可以做成七彩条式。夜晚在内部照明系统作用下,气膜可以透射出自然柔和的光辉,形成独特的景观效应,一眼看上去令人产生陶醉的感觉,可成为当地的标志性建筑和景观。

    ◆ 经久耐用  膜材是由织物基材(聚脂长丝)和多层涂层复合而成的薄膜材料,表面经过特殊处理,其抗拉强度相当于同样厚度钢板的抗拉强度。国产材料保守地说,一般可以使用12-18年。

膜材概况

    用于气膜建筑的膜材是一种具有高强度、柔韧性好的薄膜材料,是由纤维编织成织物基材,再在基材两面以树脂为涂层材料加工固定而成的材料。薄膜中心的织物基材分为聚脂纤维和玻璃纤维两种,而作为涂层使用的树脂有聚氯乙烯树脂(PVC),在物理、力学性能上,织物基材和涂层分别影响气膜建筑的下列功能:

(1)织物基材:抗拉强度、抗撕裂强度、耐热性、耐久性、防火性等;

(2)涂层材料:耐候性、防污性、加工性、耐水性、透光性等。

膜材的选用: 用于建筑膜结构的膜材,依涂层材不同大致可分为PVC 膜与PVDF膜,膜材的正确选定应考虑其建筑的规模大小、用途、形式,使用年限及预算等综合因素后决定。

PVC 膜(PVC-Coated Polyester)

    PVC 膜材在材料及加工上都比PTFE 膜便宜,且具有材质柔软,易施工的优点。但在强度、耐用年限、防火性等性能上较PTFE 膜差。PVC 膜材是由聚脂纤维织物加上PVC 涂层(聚氯乙烯)而成,一般建筑用的膜材,是在PVC 涂层材的表面处理上,涂以数micron 厚的亚克力树脂(acrylic),以改善防污性。但是,经过数年之后就会变色、污损、劣化。一般PVC膜的耐用年限,依使用环境不同在5-8年。为了改善PVC膜材的耐侯性,近年来已研发出以氟素系树脂于PVC 涂层材的表面处理上做涂层,以改善其耐侯性及防污性的膜材。

PVDF膜

PVDF 是二氟化树脂(Polyvinylidene Fluoride)的略称,在PVC 膜表面处理上加以PVDF 树脂涂层的材料称为PVDF 膜。PVDF 膜与一般的PVC 膜比较,耐用年限改善至10~20年左右。

PVDF--最经久耐用的膜材

膜材声学、保温、采光特性

(1)声学特性

单层膜材的隔音能力只有10dB(分贝),因此,单层膜的气膜建筑只适用于对隔音要求不太高的活动场所。双层膜的气膜建筑隔音能力可以提高到30dB(分贝)。如果在膜体内加装吸音棉或者对内衬采用声学吸音结构设计,则可以进一步提高其隔音能力。

(2)保温特性

单层膜材料气膜建筑的保温性能大致相当于夹层玻璃的保温性,双层膜气膜建筑的保温性能比单层的提高了45%。如果在两层膜材之间加装保温棉,其保温效果基本上与传统建筑的保温效果相同。

(3)采光特性

膜材本身透光而不透明,在白天,可以将直接照射的太阳光柔化为漫射光照亮室内,使得室内采光均匀、柔和、不产生眩光,如果加装保温棉或者避光材料,可以完全屏蔽外界的光线。

配套系统

基础锚固与连接系统

    气膜建筑膜体的下沿与基础梁的连接,用专用的钢质夹具压边,用镙栓连接到基础梁中预埋的锚杆上,再将钢缆稳定(应力控制)系统连接到锚杆上。

    备用电源  为了保证气膜建筑全天候地工作,配备一台功率相匹配的燃油发电机组。当市电停电时,由控制系统(或者人工)启动。

    制冷与供暖系统  根据用户对制冷、供暖的不同需要和气膜建筑面积的大小,灵活配备中央空调系统或者分体空调系统,北方地区还可以利用地热、用锅炉自烧热水等方式供暖。

    照明系统  根据用户不同的使用目的,设计悬吊二次反射式照明系统(无眩光)或者悬吊直射式照明系统(有眩光)。

    门禁系统  根据气膜建筑的不同用途,在人员入口处配置旋转门或者气锁门,也可在设备入口处配置大型平开运输门(简称汽车门),另外配置若干个应急疏散门(简称应急门)。旋转门、气锁门、汽车门均采用高强度材料特别订制,既坚固耐用又气派堂皇。气锁门是双层门,有一个压力平衡室,还采用了自动电磁闭合装置,有效地防止了气体的泄漏。依据国家安全规范设计的应急门还配备有应急照明装置等应急配件。

新风调节系统

    一般配备两台主风机,室内需要新风时,两台风机同时运转,保证新风量的供应,满足室内人员呼吸新鲜空气的需要;室内没有人活动时,只开一台主风机,提供足够的内外气压差,保证气膜建筑正常工作,同时,为用户尽量节省电能。另外配备一台备用风机,当主风机发生故障时,启动备用风机。

1、新风节能系统:

2、PM2.5控制

PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物,也称为可入肺颗粒物。它的直径还不到人的头发丝粗细的1/20。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分,但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比,PM2.5粒径小,富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远,因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

该新风系统可以有效去除空气中的入肺颗粒物,通过实时监控PM2.5含量,控制新风换气率,时刻提供优质空气。

智能控制系统

    智能控制系统将新风调节系统、制冷与供暖系统、备用发电机组、室内外环境监测系统集成于一体,对气膜建筑进行全方位的智能化控制,如果能配备一台PC机,还可以实现无人值守的手机远程控制。可以根据内部温度、外部风速等参数,对风机的速度、制冷和供暖量进行调节。在节能的前提下,达到最佳的舒适状态。

    监控系统的监控对象为气膜建筑内的主要机械设备、电器设备、配电设备、这些设备包括如下,但不限于以下设备:

1、鼓风机      2、通风机      3、空气净化系统      4、空调系统 

5、照明系统    6、在线监测仪表(风压、风量、电流、温湿度、氧气、二氧化碳浓度等)

气膜建筑的应用

膜建筑的应用范围很广,主要有:
体育产业:网球馆、羽毛球馆、综合训练馆、游泳馆、高尔夫练习馆;
旅游学问:演艺馆、婚庆喜宴馆、会议中心、儿童乐园、博物馆、展览馆;
工业环保:垃圾及污染物处理场、建筑工地无尘施工、密封的无尘车间、需要收集气体的化工车间;
其他:军事设施、仓储等

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