膜构知识库
折叠开合式膜结构屋盖建筑简介
从20世纪60年代至今，全世界已建成了200多座开合式屋盖建筑。开合式屋盖使这些建筑“晴天是室外，雨天变室内”，一年365天不受刮风下雨天气的影响。那么什么是开合式屋盖呢？下面就随小编来了解一下吧。
开合式屋盖是通过机械与自动化技术，使得建筑物的屋盖可以选择打开或关闭的一种结构形式。开合屋盖又可分为刚性开合屋盖和折叠开合式膜结构屋盖两类，前者以网壳、网架等刚性结构作为屋面结构；后者屋面结构采用张拉膜、支承结构由钢、铝合金等可折叠的金属杆系组成，通过可折叠杆系的收放将膜材折叠收起或者展开来实现屋盖的开合。折叠开合式膜屋盖糅合了折叠结构和开合结构的特点。从已完工的工程来看，其工程项目大到体育场馆，小到游泳池，跨度由几米到四五十米不等，应用比较广泛。
折叠开合式膜结构屋盖采用膜材有许多优点：1）自重轻，屋面重量的降低，使下部的支撑结构和基础的断面尺寸也可以相应缩小，在造价及安全性方面都有优越性；2）减少能源消耗，节省费用，膜材透光率取决于材质和涂层，使用范围从几乎全透明到完全不透明，一般建筑膜材的透光率在15%左右，所以即使在屋盖闭合时也可充分利用自然光，可减少人工照明；3）施工速度快。
1.构成
折叠开合式膜结构屋盖除了覆面膜结构可折叠外，膜的支承结构可采用折叠结构。结构的部分杆件需要以一定的方式连接形成锁铰。折叠结构根据展开成型后的稳定平衡方式可分为结构几何自锁式、结构构件自锁式以及结构外加自锁式。应用到建筑上，采用结构外加自锁式会有更高的安全储备，并可以满足大跨度的要求。杆件只有在折叠状态下应用为零。折叠结构边界位置需附加约束才能形成静定或超静定结构。
此外，折叠结构也可以采用索、杆组成的张拉整体结构体系。在这种结构体系中需要给索施加预张力以提供结构刚度，杆件则受压。
2.组成体系
折叠开合式膜结构屋盖一般由建筑体系、机械体系和电气体系三部分组成。
1）建筑体系
如上所述，屋面采用膜材，同时配以金属杆件、索作支承结构。如此构成的屋架可以实现大跨度、覆盖大空间的目的。
2）机械体系
主要分为传动机械和施工机械。前者一般由轨道、滑轮滑架、绞盘、千斤顶等构成，较常见的是钢结构屋架与滑轮用螺栓相连，搭在钢梁上。钢梁铺设轨道，滑轮可以带动钢屋架沿轨道行驶。而施工机械则主要是起重机、吊车、塔吊等，用于折叠结构的安装与拆卸。
3）电气体系
主要是用来控制开合屋盖的正常运行、制动、安全性检测等方面的控制体系。通过计算机系统，所有设备和装置在建筑物的中央管理系统控制下顺利运行。
3.开合方式
折叠开合式膜结构屋盖的开合方式有很多种，主要有水平伸缩折叠、剪式折叠、上下折叠和径向折叠四种。
1）水平伸缩折叠
屋盖水平分为几段，通过单向或者双向平移伸缩重叠搭接形成开合，钢构架可以在平面的两个方向进行拉伸折叠，当钢结构完全展开时，膜材分两个方向布置，一是沿侧面呈垂直布置，一端接地，一端接钢构架；另一方向是沿顶面呈水平布置作为覆面，膜两端均接构件。
2）剪式折叠
杆件通过采用剪式单元形成空间网格，并采用外加自锁式形成结构。膜材通常预先与杆件相接。
3）上下折叠
通过吊起或落下膜而形成屋盖的开合。如加拿大蒙特利尔奥林匹克体育场。在膜平面外有26根主索，他们一端与屋面膜上的26个控制点连接，另一端则接在高168米的悬臂钢筋混凝土主塔上，当屋盖闭合时，膜面预应力的施加是通过悬臂主塔上的千斤顶对主索进行张拉，提高膜面26个控制点并形成高点而实现，混凝土屋盖锚点和主塔控制点的拉索处共装有43个绞盘，通过绞盘对索进行固定和放松来实现屋面开合。
4）径向折叠
适用于圆形屋盖，索系呈辐射式布置，在圆形平面中心设有中心拉环，通过索对膜材的径向收放可以形成屋盖的开合。
4.折叠开合式膜屋盖与刚性开合屋盖的比较
从20世纪60年代至今，使用膜材为覆盖的开合结构中比较有名的就是加拿大蒙特利尔奥林匹克体育馆。自1961年美国建成了刚性开合的匹兹堡穹顶以后，这种以刚性单元为开合屋盖的大跨度建筑一直被采用并流行至今。其主要原因是：
1）折叠的膜结构屋盖刚度偏小，而刚性开合屋盖刚度大，在各种荷载作用下有较好的安全性。
2）网格型折叠结构在开合时仍需要人工和机械，而刚性屋盖的开合则已实现自动化。
3）膜材本身的强度和耐久性不足，容易在开合过程中出现撕裂。
尽管刚性开合屋盖可以克服折叠开合屋盖的这些缺陷，但不足之处就是屋盖的重量过大。可见折叠开合式膜结构屋盖相对于刚性开合屋盖具有重量轻的优点，能大大减轻下部结构与基础的压力，从而使整个结构轻量化。而建筑膜材的强度及耐久性能也能随着科技的发展得到进一步的提升。