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1、材料科学与人类文明材料科学与人类文明3.4 世博建筑及新型建筑材料3.4.1 膜结构材料1 典型应用场馆n世博轴是中国世博轴是中国2010年年上海世博会主入口和上海世博会主入口和主轴线，地下地上各主轴线，地下地上各两层，为半敞开式建两层，为半敞开式建筑。世博轴是世博会筑。世博轴是世博会一轴四馆五大永久建一轴四馆五大永久建筑之一，是一个由商筑之一，是一个由商业服务、餐饮、娱乐、业服务、餐饮、娱乐、会展服务等多功能组会展服务等多功能组成的大型商业、交通成的大型商业、交通综合体。综合体。n工程位于浦东世博园工程位于浦东世博园区中心地带，总造价区中心地带，总造价近近30亿，为鸟巢及水亿，为鸟巢及水立方
2、的总和。立方的总和。n在全长在全长1045米、米、宽约宽约100米的世博米的世博轴上，由轴上，由13根大根大型桅杆、数十根型桅杆、数十根斜拉索和巨大的斜拉索和巨大的幕布巧妙组成了幕布巧妙组成了中国第一、世界中国第一、世界罕见的罕见的索膜结构索膜结构建筑建筑。6个形似喇个形似喇叭的叭的“阳光谷阳光谷”，其中最大的上面其中最大的上面直径直径99米，下面米，下面直径直径20米，其钢米，其钢结构由结构由1700个单个单元构建而成，每元构建而成，每个单元又由个单元又由3个杆个杆件和件和1个节点组成，个节点组成，节点误差要小于节点误差要小于5毫米。毫米。日本馆n场馆主题场馆主题:心之和、心之和、技之和技之
3、和展馆面积展馆面积:6000平方平方米米展馆位置展馆位置:A片区片区展馆爱称展馆爱称“紫蚕岛紫蚕岛”，远远望去，日本馆犹远远望去，日本馆犹如一个巨大的紫蚕宝如一个巨大的紫蚕宝宝趴在黄浦江边，极宝趴在黄浦江边，极富个性的外观宛如拥富个性的外观宛如拥有生命的生命体。展有生命的生命体。展馆外观的基调色为红馆外观的基调色为红藤色，红藤色由象征藤色，红藤色由象征太阳的红色与象征水太阳的红色与象征水的蓝色交融而成，可的蓝色交融而成，可以说是自然的颜色。以说是自然的颜色。展馆的外壁会随着日展馆的外壁会随着日光的变化及夜晚的灯光的变化及夜晚的灯光变换各种光变换各种“表情表情”，让参观者感受到一种让参观者感受到
4、一种动感。动感。展示亮点 n日本国家馆分为过去、现在、未来日本国家馆分为过去、现在、未来3大展区，形大展区，形态融合了日本传统特色与现代风格，参观者可以态融合了日本传统特色与现代风格，参观者可以通过视觉、触觉、听觉等感受到日本馆所传递的通过视觉、触觉、听觉等感受到日本馆所传递的信息和魅力。信息和魅力。n“过去过去”展区展示保护文化遗产的展区展示保护文化遗产的“精密复制精密复制”技术，参观者可近距离鉴赏日本名作。技术，参观者可近距离鉴赏日本名作。n“现在现在”展区通过照片透视画及实物展示、影像展区通过照片透视画及实物展示、影像装置呈现装置呈现2020年的未来城市。年的未来城市。n“未来未来”展区
5、展示具有超高清及望远功能的展区展示具有超高清及望远功能的“万万能相机能相机”、会演奏小提琴的、会演奏小提琴的“伙伴机器人伙伴机器人”和实和实现客厅墙壁与电视机一体化的现客厅墙壁与电视机一体化的“生活墙生活墙”。n馆外覆盖超轻的馆外覆盖超轻的发电膜发电膜，采用特殊环境技，采用特殊环境技术，是一幢术，是一幢“像生命体那样会呼吸、对环像生命体那样会呼吸、对环境友好的建筑境友好的建筑”。发电膜是什么发电膜是什么 n含太阳能发电装置的超轻薄膜，用来发电，含太阳能发电装置的超轻薄膜，用来发电，以达到零排放以达到零排放。德国馆德国馆n场馆主题场馆主题:和谐都市和谐都市造型亮点造型亮点:悬浮于空中的建筑悬浮于
6、空中的建筑展馆面积展馆面积:6000平米平米展馆位置展馆位置:C片区片区n开放状的建筑外形轻盈而飘逸，似乎在向参观者们发出真挚的邀请。开放状的建筑外形轻盈而飘逸，似乎在向参观者们发出真挚的邀请。“严严思思”、“燕燕燕燕”两位特殊的虚拟讲解员，将陪伴每一位参观者穿行于各两位特殊的虚拟讲解员，将陪伴每一位参观者穿行于各个展馆。穿越了一条充满典型德国都市画面的个展馆。穿越了一条充满典型德国都市画面的“动感隧道动感隧道”后，参观者们便后，参观者们便会踏入会踏入“和谐都市和谐都市”内设计布置奇妙的体验空间。有用灯光、色彩和声响打内设计布置奇妙的体验空间。有用灯光、色彩和声响打造的造的“人文花园人文花园”
7、、展示德国设计产品的、展示德国设计产品的“发明档案馆发明档案馆”和和“创新工厂创新工厂”、展示各种德国发明的新型材料的展示各种德国发明的新型材料的“材料之园材料之园”。n“动力之源动力之源”展厅顶端悬挂着巨大的、表面浮动展厅顶端悬挂着巨大的、表面浮动着多种图像和色彩的金属感应球。进入大厅的参着多种图像和色彩的金属感应球。进入大厅的参观者将被分为两组一起呼喊。金属球将移向呼声观者将被分为两组一起呼喊。金属球将移向呼声更大更整齐的那组，并变化其球面的图案和色彩。更大更整齐的那组，并变化其球面的图案和色彩。金属球静止后其表面会呈现地球、地球孕育种子、金属球静止后其表面会呈现地球、地球孕育种子、种子又
8、变成花的生命诞生的过程。种子又变成花的生命诞生的过程。n展馆由自然景区和展馆主体组成，外墙包展馆由自然景区和展馆主体组成，外墙包裹透明的裹透明的银色发光建筑膜银色发光建筑膜，主体由四个头，主体由四个头重脚轻、变形剧烈、连成整体却轻盈稳固重脚轻、变形剧烈、连成整体却轻盈稳固的不规则几何体构成，阐释了的不规则几何体构成，阐释了“和谐城市和谐城市”的主题。的主题。n德国馆外墙使用的是一种网状的、透气性德国馆外墙使用的是一种网状的、透气性能良好的革新性建筑布料，表层织入一种能良好的革新性建筑布料，表层织入一种金属性银色材料。这种材料对太阳辐射具金属性银色材料。这种材料对太阳辐射具有极高的反弹力，同时网
9、状透气性织布结有极高的反弹力，同时网状透气性织布结构又能防止展馆内热气的积聚，由此减轻构又能防止展馆内热气的积聚，由此减轻展馆内空调设备的负担。据悉，德国馆使展馆内空调设备的负担。据悉，德国馆使用了用了1.2万平方米这种外墙材料。在世博会万平方米这种外墙材料。在世博会结束后，这些布料将被再利用，如改制成结束后，这些布料将被再利用，如改制成小块遮阳罩，或加工成手提包等小块遮阳罩，或加工成手提包等2，膜结构 n膜结构膜结构(Membrane)是是20世纪中期发展起来世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式的一种新型建筑结构形式,是由多种高强薄是由多种高强薄膜材料膜材料(PVC或或Teflon)及加强
10、构件及加强构件(钢架、钢架、钢柱或钢索钢柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状定的预张应力以形成某种空间形状,作为覆作为覆盖结构盖结构,并能承受一定的外荷载作用的一种并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式空间结构形式.（1）类型）类型n膜结构可分为膜结构可分为充气膜结构充气膜结构和和张拉膜结构张拉膜结构两两大类大类.充气膜结构是靠室内不断充气充气膜结构是靠室内不断充气,使室内使室内外产生一定压力差外产生一定压力差(一般在一般在1030水柱水柱之间之间),室内外的压力差使屋盖膜布受到一定室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力的向上的
11、浮力,从而实现较大的跨度从而实现较大的跨度.张拉膜张拉膜结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型,其造型非常优美灵活其造型非常优美灵活.（2）历史）历史n世界上第一座充气膜结构建成于世界上第一座充气膜结构建成于1946年，设计者年，设计者为美国的沃尔特为美国的沃尔特勃德（勃德（W.Bird），这是一座直径），这是一座直径为为15的充气穹顶。的充气穹顶。n1967年在德国斯图加特召开的第一届国际充气结年在德国斯图加特召开的第一届国际充气结构会议，无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂。构会议，无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂。n随后各式各样的充气膜结构建筑出现在随后
12、各式各样的充气膜结构建筑出现在1970年大年大阪世界博览会上。其中具有代表性的有盖格尔设阪世界博览会上。其中具有代表性的有盖格尔设计的美国馆（计的美国馆（137m7m8卵形），以及川口卫卵形），以及川口卫设计的香肠形充气构件膜结构。后来人们认为设计的香肠形充气构件膜结构。后来人们认为70年大阪博览会是把膜结构系统地、商业性地向外年大阪博览会是把膜结构系统地、商业性地向外界介绍的开始。界介绍的开始。n张拉形式膜张拉形式膜结构结构的先行者是德国的奥托的先行者是德国的奥托（F.Otto），他在），他在1955年年设计设计的张拉膜结的张拉膜结构跨度在构跨度在25m左右，用于联合公园多功能左右，用于联合
13、公园多功能展厅。由于张拉膜结构是通过边界条件给展厅。由于张拉膜结构是通过边界条件给膜材施加一定的预张应力，以抵抗外部荷膜材施加一定的预张应力，以抵抗外部荷载的作用，因此在一定初始条件（边界条载的作用，因此在一定初始条件（边界条件和应力条件）下，其初始形状的确定、件和应力条件）下，其初始形状的确定、在外荷载作用下膜中应力分布与变形以及在外荷载作用下膜中应力分布与变形以及怎样用二维的膜材料来模拟三维的空间曲怎样用二维的膜材料来模拟三维的空间曲面等一系列复杂的问题，都需要有计算来面等一系列复杂的问题，都需要有计算来确定，所以张拉膜结构的发展离不开计算确定，所以张拉膜结构的发展离不开计算机技术的进步和
14、新算法的提出。机技术的进步和新算法的提出。n过去人们习惯地把膜结构看作是个帐篷，过去人们习惯地把膜结构看作是个帐篷，而帐篷只能算是一个临时性建筑而帐篷只能算是一个临时性建筑-不够牢固、不够牢固、不能防火、又不能保暖或隔热。如今对采不能防火、又不能保暖或隔热。如今对采用膜结构的帐篷却要刮目相看了，其中的用膜结构的帐篷却要刮目相看了，其中的关键问题就是材料。关键问题就是材料。（3）膜结构材料类型）膜结构材料类型n膜结构所用膜材料由基布基布和涂层涂层两部分组成.n基布基布主要采用聚酯纤维和玻璃纤维材料;n涂层材料涂层材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。膜材分类膜材分类 n目前建筑膜材广泛认可的标准是日本目
15、前建筑膜材广泛认可的标准是日本JISA-93所规定的所规定的A、B、C三类，是根据其防火性能的优劣来划分的。三类，是根据其防火性能的优劣来划分的。A类类A类最好，以玻璃纤维织物为基材涂聚四氟乙烯类最好，以玻璃纤维织物为基材涂聚四氟乙烯（PTFE）而成；）而成；B类类B类次之，以玻璃纤维织物为基材涂类次之，以玻璃纤维织物为基材涂PVC而成；而成；C类类C类是三类中最次的，以聚酯（涤纶）织物为基材涂类是三类中最次的，以聚酯（涤纶）织物为基材涂PVC而成。而成。n按涂层材料分，有聚四氟乙烯（按涂层材料分，有聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯）、聚偏氟乙烯（PVDF）、）、聚氟乙烯聚氟乙烯（PVF）、
16、聚氯乙烯（）、聚氯乙烯（PVC）、聚）、聚氨酯（氨酯（PU）、橡胶等。）、橡胶等。（4）典型膜材及特点PTFE建筑膜材建筑膜材nPTFE膜材是在超细玻璃纤维织物上涂以聚四氟膜材是在超细玻璃纤维织物上涂以聚四氟乙烯树脂而成的材料。这种膜材有较好的焊接性乙烯树脂而成的材料。这种膜材有较好的焊接性能，有优良的抗紫外线、抗老化性能和阻燃性能。能，有优良的抗紫外线、抗老化性能和阻燃性能。另外，其防污自洁性是所有建筑膜材中最好的，另外，其防污自洁性是所有建筑膜材中最好的，但柔韧性差，施工较困难，成本高。但柔韧性差，施工较困难，成本高。n在盖格公司领导下，美国的杜邦公司、康宁玻纤在盖格公司领导下，美国的杜邦公司、康宁玻纤公司、贝尔德建筑公司、化纤织布公司共同开发公司、贝尔德建筑公司、化纤织布公司共同开发永久性膜材。其加工方法是把玻纤织物多次快速永久性膜材。其加工方法是把玻纤织物多次快速放入特氟隆熔体中，使织物两面皆有均匀的特氟放入特氟隆熔体中，使织物两面皆有均匀的特氟隆涂层，使永久性的隆涂层，使永久性的PTFE膜正式诞生。膜正式诞生。n中国目前差距大中国目前差距大玻纤玻纤PVC建筑膜材建筑膜材n这种
