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1、3.4 世博建筑中的新型建筑材料,視頻,主講：趙建華 重慶大學材料科學與工程學院 Email: ,3.4.1 膜結構材料,1 典型應用場館,世博軸,,世博軸是中國2010年上海世博會主入口和主軸線，地下地上各兩層，為半敞開式建筑。世博軸是世博會一軸四館五大永久建筑之一，是一個由商業(yè)服務、餐飲、娛樂、會展服務等多功能組成的大型商業(yè)、交通綜合體。 工程位于浦東世博園區(qū)中心地帶，總造價近30億，為鳥巢及水立方的總和。,,在全長1045米、寬約100米的世博軸上，由13根大型桅桿、數(shù)十根斜拉索和巨大的幕布巧妙組成了中國第一、世界罕見的索膜結構建筑。6個形似喇叭的“陽光谷”，其中最大的上面直徑99米，下
2、面直徑20米，其鋼結構由1700個單元構建而成，每個單元又由3個桿件和1個節(jié)點組成，節(jié)點誤差要小于5毫米。,日本館,場館主題:心之和、技之和展館面積:6000平方米展館位置:A片區(qū)展館愛稱“紫蠶島”，遠遠望去，日本館猶如一個巨大的紫蠶寶寶趴在黃浦江邊，極富個性的外觀宛如擁有生命的生命體。展館外觀的基調色為紅藤色，紅藤色由象征太陽的紅色與象征水的藍色交融而成，可以說是自然的顏色。展館的外壁會隨著日光的變化及夜晚的燈光變換各種“表情”，讓參觀者感受到一種動感。,視頻,日本館館標,為“微笑相聯(lián)”，日文“笑顔”，英文“Smile to Smile”。這一設計不僅充分體現(xiàn)了日本館所要傳遞的核心信息聯(lián)接，
3、更為重要的是表達了珍視“心靈的聯(lián)接”這一主旨。設計者用JAPAN的首字母“J”柔和的曲線勾勒出了相互聯(lián)接在一起的笑臉，呈現(xiàn)給人們充滿幸福笑容的美好未來社會。笑臉的色調選擇了朱鹮色，象征日中友好。,展示亮點,日本國家館分為過去、現(xiàn)在、未來3大展區(qū)，形態(tài)融合了日本傳統(tǒng)特色與現(xiàn)代風格，參觀者可以通過視覺、觸覺、聽覺等感受到日本館所傳遞的信息和魅力。 “過去”展區(qū)展示保護文化遺產(chǎn)的“精密復制”技術，參觀者可近距離鑒賞日本名作。 “現(xiàn)在”展區(qū)通過照片透視畫及實物展示、影像裝置呈現(xiàn)2020年的未來城市。 “未來”展區(qū)展示具有超高清及望遠功能的“萬能相機”、會演奏小提琴的“伙伴機器人”和實現(xiàn)客廳墻壁與電視機
4、一體化的“生活墻”。,,館外覆蓋超輕的發(fā)電膜，采用特殊環(huán)境技術，是一幢“像生命體那樣會呼吸、對環(huán)境友好的建筑”。,發(fā)電膜是什么,含太陽能發(fā)電裝置的超輕薄膜，用來發(fā)電，以達到零排放。,德國館,場館主題:和諧都市造型亮點:懸浮于空中的建筑展館面積:6000平米展館位置:C片區(qū) 開放狀的建筑外形輕盈而飄逸，似乎在向參觀者們發(fā)出真摯的邀請。“嚴思”、“燕燕”兩位特殊的虛擬講解員，將陪伴每一位參觀者穿行于各個展館。穿越了一條充滿典型德國都市畫面的“動感隧道”后，參觀者們便會踏入“和諧都市”內設計布置奇妙的體驗空間。有用燈光、色彩和聲響打造的“人文花園”、展示德國設計產(chǎn)品的“發(fā)明檔案館”和“創(chuàng)新工廠”、展
5、示各種德國發(fā)明的新型材料的“材料之園”。,“動力之源”展廳頂端懸掛著巨大的、表面浮動著多種圖像和色彩的金屬感應球。進入大廳的參觀者將被分為兩組一起呼喊。金屬球將移向呼聲更大更整齊的那組，并變化其球面的圖案和色彩。金屬球靜止后其表面會呈現(xiàn)地球、地球孕育種子、種子又變成花的生命誕生的過程。,展館由自然景區(qū)和展館主體組成，外墻包裹透明的銀色發(fā)光建筑膜，主體由四個頭重腳輕、變形劇烈、連成整體卻輕盈穩(wěn)固的不規(guī)則幾何體構成，闡釋了“和諧城市”的主題。,2，膜結構,膜結構(Membrane)是20世紀中期發(fā)展起來的一種新型建筑結構形式,是由多種高強薄膜材料(PVC或Teflon)及加強構件(鋼架、鋼柱或鋼索
6、)通過一定方式使其內部產(chǎn)生一定的預張應力以形成某種空間形狀,作為覆蓋結構,并能承受一定的外荷載作用的一種空間結構形式.,（1）類型,膜結構可分為充氣膜結構和張拉膜結構兩大類.充氣膜結構是靠室內不斷充氣,使室內外產(chǎn)生一定壓力差(一般在1030水柱之間),室內外的壓力差使屋蓋膜布受到一定的向上的浮力,從而實現(xiàn)較大的跨度.張拉膜結構則通過柱及鋼架支承或鋼索張拉成型,其造型非常優(yōu)美靈活.,（2）歷史,世界上第一座充氣膜結構建成于1946年，設計者為美國的沃爾特勃德（W.Bird），這是一座直徑為15的充氣穹頂。 1967年在德國斯圖加特召開的第一屆國際充氣結構會議，無疑給充氣膜結構的發(fā)展注入了興奮劑。
7、 隨后各式各樣的充氣膜結構建筑出現(xiàn)在1970年大阪世界博覽會上。其中具有代表性的有蓋格爾設計的美國館（137m7m8卵形），以及川口衛(wèi)設計的香腸形充氣構件膜結構。后來人們認為70年大阪博覽會是把膜結構系統(tǒng)地、商業(yè)性地向外界介紹的開始。,張拉形式膜結構的先行者是德國的奧托（F.Otto），他在1955年設計的張拉膜結構跨度在25m左右，用于聯(lián)合公園多功能展廳。由于張拉膜結構是通過邊界條件給膜材施加一定的預張應力，以抵抗外部荷載的作用，因此在一定初始條件（邊界條件和應力條件）下，其初始形狀的確定、在外荷載作用下膜中應力分布與變形以及怎樣用二維的膜材料來模擬三維的空間曲面等一系列復雜的問題，都需要有
8、計算來確定，所以張拉膜結構的發(fā)展離不開計算機技術的進步和新算法的提出。,過去人們習慣地把膜結構看作是個帳篷，而帳篷只能算是一個臨時性建筑--不夠牢固、不能防火、又不能保暖或隔熱。如今對采用膜結構的帳篷卻要刮目相看了，其中的關鍵問題就是材料。,（3）膜結構材料類型,膜結構所用膜材料由基布和涂層兩部分組成. 基布主要采用聚酯纖維和玻璃纖維材料; 涂層材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。,膜材分類,目前建筑膜材廣泛認可的標準是日本JISA-93所規(guī)定的A、B、C三類，是根據(jù)其防火性能的優(yōu)劣來劃分的。 A類 A類最好，以玻璃纖維織物為基材涂聚四氟乙烯（PTFE）而成； B類 B類次之，以玻璃纖維織物為基材涂
9、PVC而成； C類 C類是三類中最次的，以聚酯（滌綸）織物為基材涂PVC而成。 按涂層材料分，有聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、橡膠等。,（4）典型膜材及特點,PTFE建筑膜材,PTFE膜材是在超細玻璃纖維織物上涂以聚四氟乙烯樹脂而成的材料。這種膜材有較好的焊接性能，有優(yōu)良的抗紫外線、抗老化性能和阻燃性能。另外，其防污自潔性是所有建筑膜材中最好的，但柔韌性差，施工較困難，成本高。 在蓋格公司領導下，美國的杜邦公司、康寧玻纖公司、貝爾德建筑公司、化纖織布公司共同開發(fā)永久性膜材。其加工方法是把玻纖織物多次快速放入特氟隆熔體中，
10、使織物兩面皆有均勻的特氟隆涂層，使永久性的PTFE膜正式誕生。 中國目前差距大,玻纖PVC建筑膜材,這種膜材開發(fā)和應用得比較早，通常規(guī)定PVC涂層在玻璃纖維織物經(jīng)緯線交點上的厚度不能少于0.2mm，一般涂層不會太厚，達到使用要求即可。為提高PVC本身耐老化性能，涂層時常常加入一些光、熱穩(wěn)定劑，淺色透明產(chǎn)品宜加一定量的紫外吸收劑，深色產(chǎn)品常加炭黑做穩(wěn)定劑。另外對PVC的表面處理還有很多方法，可在PVC上層壓一層極薄的金屬薄膜或噴射鋁霧。 主要特點是強度低、彈性大、易老化、徐變大、自潔性差，但價格便宜，容易加工制作，色彩豐富，抗折疊性能好。,玻纖有機硅樹脂建筑膜材,有機硅樹脂具有優(yōu)異的耐高低溫、拒
11、水、抗氧化等特點，該膜材具有高的抗拉強度和彈性模量，另外還具有良好的透光性。目前這種膜材應用的不多，生產(chǎn)廠家也較少。,玻纖合成橡膠建筑膜材,合成橡膠（如丁腈橡膠，氯丁橡膠）韌性好，對陽光、臭氧、熱老化穩(wěn)定，具有突出的耐磨損性、耐化學性和阻燃性，可達到半透明狀態(tài)，但由于容易發(fā)黃，故一般用于深色涂層。,ETFE建筑膜材,由ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）生料直接制成。 ETFE不僅具有優(yōu)良的抗沖擊性能、電性能、熱穩(wěn)定性和耐化學腐蝕性，而且機械強度高，加工性能好。這種膜材透光性特別好，號稱“軟玻璃”，質量輕，只有同等大小玻璃的1%；韌性好、抗拉強度高、不易被撕裂，延展性大于400%；耐候性和耐化學腐
12、蝕性強，熔融溫度高達200；可有效的利用自然光，節(jié)約能源；良好的聲學性能。自清潔功能使表面不易沾污，且雨水沖刷即可帶走沾污的少量污物，清潔周期大約為5年。另外，ETFE膜可在現(xiàn)成預制成薄膜氣泡，方便施工和維修。 ETFE也有不足，如外界環(huán)境容易損壞材料而造成漏氣，維護費用高等，但是隨著大型體育館、游客場所、候機大廳等的建設，ETFE更突顯自己的優(yōu)勢。 這種膜材的研發(fā)和應用在國外發(fā)達國家也不過十幾年的歷史。,ETFE的典型應用,（5）膜結構材料的特點,膜結構材料的誕生給設計師創(chuàng)造出超出傳統(tǒng)建筑模式的更豐富的表現(xiàn)手段 ？？,a、 輕質：,張力結構自重小的原因在于它依靠預應力形態(tài)而非材料來保持結構的
13、穩(wěn)定性。從而使其自重比傳統(tǒng)建筑結構的小得多，但卻具有良好的穩(wěn)定性。其重量只是傳統(tǒng)建筑的三十分之一。建筑師可以利用其輕質大跨的特點設計和組織結構細部構件，將其輕盈和穩(wěn)定的結構特性有機地統(tǒng)一起來。,b、 透光性：,透光性是現(xiàn)代膜結構最被廣泛認可的特性之一。膜材的透光性可以為建筑提供所需的照度，這對于建筑節(jié)能十分重要。對于一些要求光照多且亮度高的商業(yè)建筑等尤為重要。通過自然采光與人工采光的綜合利用，膜材透光性可為建筑設計提供更大的美學創(chuàng)作空間。夜晚，透光性將膜結構變成了光的雕塑。,c、柔性：,張拉膜結構不是剛性的，其在風荷載或雪荷載的作用下會產(chǎn)生變形。膜結構通過變形來適應外荷載，在此過程中荷載作用方
14、向上的膜面曲率半徑會減小，直至能更有效抵抗該荷載。,張拉膜結構的獨特曲面外形使其具有強烈的雕塑感。膜面通過張力達到自平衡。負高斯膜面高低起伏具有的平衡感使體型較大的結構看上去像擺脫了重力的束縛般輕盈地飄浮于天地之間。無論室內還是室外這種雕塑般的質感都令人激動。,夜晚的燈光使膜結構具有強烈的雕塑感,d、 雕塑感：,e、 安全性：,按照現(xiàn)有的各國規(guī)范和指南設計的的輕型張拉膜結構具有足夠的安全性。輕型結構在地震等水平荷載作用下能保持很好的穩(wěn)定性。,f.自潔性 膜的表層光滑，具有彈性，大氣中的灰塵、化學物質的微粒極難附著與滲透，經(jīng)雨水的沖刷建筑膜可恢復其原有的清潔面層與透光性。 g.修補這種結構非常
15、方便 比如，射槍或者是尖銳的東西戳進去后，監(jiān)控的電腦會自動顯現(xiàn)出來。如果破了一個洞，只需用不干膠一貼就行了； h.施工周期短；,重慶大學的膜結構,3.4.2 透明混凝土,,意大利館,場館主題:人之城造型亮點:功能模塊，方便重組展館位置:C片區(qū)展館設計靈感來自上海的傳統(tǒng)游戲“游戲棒”，由20個不規(guī)則、可自由組裝的功能模塊組合而成，代表意大利20個大區(qū)。整座展館猶如一座微型意大利城市，充滿弄堂、庭院、小徑、廣場等意大利傳統(tǒng)城市元素。,展館采用新型材料透明混凝土，實現(xiàn)不同透明度的漸變，顯示建筑內外部的溫度、濕度等。,,在陽光燦爛的日子里走進意大利館，在館內就能感覺到光線從外墻透射進來，而到了晚上，場
16、館內部燈光穿越到場館外的街道，折射出正在涌入場館內的人們的身影。,透明混凝土磚成分有普通混凝土和玻璃纖維組成的，因此這種新型混凝土便可透過光線。 透明混凝土是由匈牙利建筑師阿隆 羅索尼奇發(fā)明，并通過展覽迅速在業(yè)界傳播。具建筑師本人說透明混凝土的靈感來自于他在布達佩斯看到的一件藝術作品，它是由玻璃和普通的混凝土做的，這兩者的結合啟發(fā)了他。,數(shù)以千計的玻璃纖維形成一個矩陣，平行排列在石塊（透明混凝土構成的）內外的兩個表面。在石塊較暗的表面，能清晰地看到較亮表面圖像的輪廓，甚至連顏色也能和原來保持一致。這種特別的效果，將會徹底顛覆你對混凝土的印象。,3.4.3 紙塑復合材料,芬蘭館,場館主題:“優(yōu)裕
17、、才智與環(huán)境”展館位置:C片區(qū)“冰壺”形展館宛若一座矗立于水中的島嶼，外墻使用鱗狀裝飾材料，看似由許多冰塊堆砌而成。來自芬蘭的自然風貌，如海島礁石、魚鱗、碧波倒影，還有木頭散發(fā)出的陣陣清香，種種自然元素經(jīng)過重新詮釋，以新的面貌呈現(xiàn)。美好生活的六大要素自由、創(chuàng)造力、創(chuàng)新、社區(qū)精神、健康與自然都完美地融合在建筑、空間和功能設計中。,,展館外觀 “冰壺”的外形靈感來源于芬蘭大自然。據(jù)介紹，在冰川時期，芬蘭還被埋在冰層之下，由于冰川的融化和流動，芬蘭地殼巖石上就形成一個洞穴，在這個渾然天成的洞穴深處留下了一塊光滑的圓石，被后人稱作“甌穴”，也就是現(xiàn)在芬蘭館“冰壺”的設計靈感。,“冰壺”的白色外墻采用了
18、一種新型紙塑復合材料，這種來自芬蘭的創(chuàng)新建材將通過上海世博會芬蘭館首次大規(guī)模應用和展示。 “冰壺”的“魚鱗外墻” 以標簽紙和塑料的邊角余料為主要原料，表面堅硬耐磨，水分含量低，自重輕，不褪色。,木塑復合材料（Wood-Plastic Composites,WPC）是國內外近年蓬勃興起的一類新型復合材料，是以無使用價值的木屑、竹粉、稻殼、農(nóng)作物秸稈等木質纖維為增強體或填料，以熱塑性塑料以及它們的回收再生料為基體，按一定比例混合，添加特制的助劑，經(jīng)過高溫、擠壓、成型等工藝而制成的一種新型綠色環(huán)保復合材料。主要用于建材、家具、物流包裝等行業(yè)。將塑料和木質粉料按一定比例混合后經(jīng)熱擠壓成型的板材，稱之為
19、擠壓木塑復合板材。是一種綠色環(huán)保材料。,（1） 環(huán)保優(yōu)勢,木塑材料結合了植物纖維和高分子材料的諸多優(yōu)點，能大量替代木材，可有效緩解我國森林資源貧乏、木材供應緊缺的矛盾，是一種極具發(fā)展前途的低碳、綠色、可循環(huán)材料,木塑復合材料的特點 ？？,首先是對森林資源的保護。,據(jù)相關資料分析：1噸木塑材料可折合木材2.5立方米，這大概是1畝土地上速生林1年的最大成材量。 目前我國木材年需求量大約在1億立方米左右，實際供應量僅有6千萬立方米，缺口高達4千萬立方米。 每生產(chǎn)1噸木塑材料，可減少1畝土地的森林砍伐。,其次是廢棄物利用。,木塑材料目前在國際上應用最廣泛的產(chǎn)品是托盤，歐洲和北美的木塑托盤已占了近一半的
20、市場份額。我國目前托盤年需求量約為1億個，預計到2015年將增長到2億個，按屆時木塑托盤能占有30的市場份額計，僅此一項每年就可消耗廢舊塑料100萬噸，廢棄植物下腳料150萬噸以上。,其他優(yōu)點？？,（2）防水、防潮。根本解決了木質產(chǎn)品對潮濕和多水環(huán)境中吸水受潮后容易腐爛、膨脹變形的問題，可以使用到傳統(tǒng)木制品不能應用的環(huán)境中。 （3）防蟲、防白蟻，有效杜絕蟲類騷擾，延長使用壽命。 （4）多姿多彩，可供選擇的顏色眾多。既具有天然木質感和木質紋理，又可以根據(jù)自己的個性來定制需要的顏色 （5）可塑性強，能非常簡單的實現(xiàn)個性化造型，充分體現(xiàn)個性風格。 （6）高防火性。能有效阻燃，防火等級達到B1級，遇火自熄，不產(chǎn)生,（7）可加工性好，可訂、可刨、可鋸、可鉆、表面可上漆。 （8）安裝簡單，施工便捷，不需要繁雜的施工工藝，節(jié)省安裝時間和費用。 （9）不龜裂，不膨脹，不變形，無需維修與養(yǎng)護，便于清潔，節(jié)省后期維修和保養(yǎng)費用。 （10）吸音效果好，節(jié)能性好，使室內節(jié)能高達30%以上。,
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