形狀、氣候和天氣

同向彎曲是指在物體任何點上彎曲趨勢都是相同的,球體是最形象化的典型模型。通過最小表面積實現(xiàn)對最大體積的覆蓋,氣泡或氣球成為對空間最高效限定的代表。但是,使氣枕完全模擬成氣球的形狀卻并不現(xiàn)實。嚴格的曲率半徑、最小的膜面荷載都只是理想化的狀態(tài)。曲率半徑的增加雖然加大了膜面應(yīng)力,但材料所需量隨之減少,同時表面趨于平坦的氣枕可更好的應(yīng)對風(fēng)荷載,由此產(chǎn)生的震動也會被膜面吸收而不致影響整個結(jié)構(gòu)體。此外,防止氣枕泄氣后積水殘留也是頂棚曲率設(shè)計必須考慮的因素之一。頂棚越是趨于平坦,積水的可能性就越小。因此,無論規(guī)模大小、荷載組合方式如何,氣枕的設(shè)計原則都是在材料厚度一定的情況下保證材料隆起曲率最小。通常情況下,氣枕中心點高度范圍應(yīng)為其跨度的6%-20%。

同大多數(shù)材料一樣,ETFE會隨溫度的變脹冷縮。但它的彈性范圍卻很有限。從屈服條件來看,在10~12N/mm2的壓強下,材料便會出現(xiàn)延展。在張拉力的作用下,膜材受溫度變化影響更大。季節(jié)的變化促使這種情況的發(fā)生,一旦膜材所受應(yīng)力超過其屈服極限,將最終導(dǎo)致膜面松懈塌陷。考慮到膜材的這個特性,除非規(guī)模很小,張拉膜結(jié)構(gòu)一般不采用ETFE膜材。與此相反,具有自行調(diào)節(jié)機制的氣枕式膜結(jié)構(gòu)卻可以避免上述情況的發(fā)生。當溫度超過70℃,ETFE膜材將損失一定強度。因此在非常炎熱的氣候條件下應(yīng)用ETFE膜材必須謹慎對待。如果單從溫度條件考慮,大型氣枕更適用于溫帶或寒冷地區(qū),小型氣枕則適用于炎熱的環(huán)境。但是,溫度并非是決定氣枕大小的關(guān)鍵性因素。當風(fēng)吹過薄膜制成的大體積氣枕,其表面溫度將降至與風(fēng)環(huán)境相同的溫度。此時,因為冷卻后膜面強度提升,氣統(tǒng)剛性圍護結(jié)構(gòu)相比,ETFE氣枕結(jié)構(gòu)釋放風(fēng)能的方式使其每平方米風(fēng)荷載設(shè)計值得以相對降低。

阻尼延伸的屬性同樣有利于節(jié)點構(gòu)造。與玻璃幕墻不同,ETFE氣枕邊框不必像幕墻窗框一樣,需應(yīng)對來自氣壓、溫度、天氣及結(jié)構(gòu)引發(fā)的任何變化,因為這些現(xiàn)象不會集中出現(xiàn)在氣枕邊緣。就像烤黃油面包一樣,能量會被整個柔軟的面所吸收,這將減少甚至無需傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中采用的活動連接。許多建筑問題都是由于不同種材料或結(jié)構(gòu)連接失效所引發(fā)的,保溫性能在這些連接點往往無法得到滿足。以玻璃為例,它是我們生活中常用的建筑材料,但玻璃系統(tǒng)的實際設(shè)計壽命只有15~20年,因為玻璃墊層及雙層玻璃間的密封物會隨時間老化,不僅保溫性能會隨之降低,同時也會導(dǎo)致空氣及雨水的滲漏。與之相反,由于ETFE具有延展性,而且氣枕體積遠遠大于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成單位,大量連接構(gòu)件從中解放出來,連接件的減少勢必大大延長氣枕結(jié)構(gòu)的使用壽命。