膜結(jié)構(gòu)在混凝土模板中的應(yīng)用

付 茜 雅

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144)

膜結(jié)構(gòu)是21世紀具有代表性的建筑結(jié)構(gòu)形式之一，為現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)體系和建筑設(shè)計提供了較大發(fā)展空間。優(yōu)秀的膜結(jié)構(gòu)強度高、柔韌性好，同時厚度小、質(zhì)量輕，防火性、耐久性、氣密性均較強[1]，可單層、多層或充氣使用，可較好地保持曲面結(jié)構(gòu)。在建筑領(lǐng)域中既可作為結(jié)構(gòu)材料又可作為模板材料，充分發(fā)揮其抗拉強度高的特性。其透水不透漿的特性，作為模板時可提高模注混凝土強度，且適用于規(guī)模大或狹窄的施工場地。膜材優(yōu)良的物理性能及化學(xué)性能支撐著膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計，性能優(yōu)異的新型膜材的研發(fā)帶動著膜結(jié)構(gòu)在混凝土模板中的應(yīng)用日漸廣泛。

1 膜結(jié)構(gòu)

膜結(jié)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)，是由柔性膜材料為主體組成的結(jié)構(gòu)。膜材是由基材和涂層組合而成的一種涂層織物，增強纖維材料編織而成的基材決定其是否具有優(yōu)良的力學(xué)性能，涂層則保證著材料的氣密性、自潔性，并在一定范圍內(nèi)保護并支撐纖維，將附加在上面的荷載均勻地進行傳遞[2]。膜結(jié)構(gòu)隨著膜材的不斷發(fā)展，集建筑技術(shù)、材料工藝、設(shè)備管理技術(shù)等為一體，成為當(dāng)今結(jié)構(gòu)的重要分支[3]。

早期的膜結(jié)構(gòu)由帳篷結(jié)構(gòu)演變發(fā)展而來[4]，在發(fā)展初期這種結(jié)構(gòu)最明顯的優(yōu)點是不采用任何金屬、塑料等硬質(zhì)桿件，可在最大程度上避免因桿件破損導(dǎo)致內(nèi)部物質(zhì)受到損傷或破壞。發(fā)展至今，由于其具有包裝后體積較小，且包裝后形狀較為規(guī)則，便于儲存與運輸；對施工空間要求較少，需要的設(shè)備與儀器簡便；部分膜結(jié)構(gòu)采用充、排氣設(shè)備，無需支護結(jié)構(gòu)或需少量支護結(jié)構(gòu)，施工便捷，空間利用率高；有相對較少的單位面積造價等優(yōu)點，逐漸應(yīng)用于混凝土模板中。

2 膜結(jié)構(gòu)在混凝土模板中的應(yīng)用及優(yōu)勢

發(fā)展初期的膜結(jié)構(gòu)被用于搭設(shè)臨時性軍用建筑[5,6]，隨著研究的不斷深入逐漸被用于各種臨時展覽館、倉庫的建造。時至今日膜結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，生活領(lǐng)域中各類體育場館的建設(shè)[7]，軍事領(lǐng)域中的臨時急救站、醫(yī)療倉庫、臨時指揮部等，隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展也有學(xué)者正在研究如何使用膜結(jié)構(gòu)構(gòu)建大型的月球居住結(jié)構(gòu)[8]。

現(xiàn)如今膜結(jié)構(gòu)因其造價低、形狀可變、施工簡便、易運輸?shù)葍?yōu)勢逐漸被運用于混凝土模板中，多位專家學(xué)者對其進行研究，旨在將其運用于更多領(lǐng)域的現(xiàn)澆混凝土工程中。柔?；炷磷鳛橐环N新型組合結(jié)構(gòu)，有著普通混凝土無法比擬的優(yōu)點，可應(yīng)用于土坡開挖、基坑支護、邊坡加固等工程，也可用于鐵路加固、房屋軟基礎(chǔ)加固、擋土墻加固[9]，橋梁混凝土柱與地下工程等。在邊坡治理方面，柔?；炷林ёo被用于基坑開挖以及邊坡穩(wěn)定，是一種新型的支護擋土結(jié)構(gòu)同時也是一項國際上非常先進的邊坡治理技術(shù)，適用于開挖規(guī)模大或者施工場地狹窄的工程[10]。其優(yōu)勢在于柔性模板透水不透漿，可增大現(xiàn)澆混凝土的密度與強度；柔性模板面積大且整體性良好，可針對工程需要制作不同形狀、尺寸、厚度的模板，制作速度快、用料少、施工便利。在地下工程的支護方面，柔?；炷恋难芯刻幱谄鸩诫A段，主要是其在沿空留巷中的研究與應(yīng)用(見圖1)。柔模混凝土用于加固圍巖并與圍巖形成整體，不僅能對圍巖起到加固作用同時會與圍巖組成一個整體，共同承受位移與變形，維護巷道穩(wěn)定[11]。在基坑支護領(lǐng)域柔?；炷林ёo技術(shù)也是一項新技術(shù)，利用柔性模板制成的混凝土擋土墻抗?jié)B透力強，支護強度大、效果好，架設(shè)簡單方便，工程實用效果良好。膜材亦可制作成充氣膜結(jié)構(gòu)用于澆筑曲面較多的混凝土結(jié)構(gòu)或需水上澆筑的結(jié)構(gòu)，如浮式風(fēng)電的基礎(chǔ)部分(見圖2)，克服傳統(tǒng)模板曲面拼裝率低、運輸困難、支護結(jié)構(gòu)多、水中施工難度大、造價高等問題，澆筑完成后不進行拆除還可以為結(jié)構(gòu)提供浮力，有很大的應(yīng)用前景。

3 存在的問題

膜結(jié)構(gòu)作為混凝土模板時多與現(xiàn)澆混凝土結(jié)合成為柔?；炷潦褂茫嬖谳^為獨特的優(yōu)點，柔?；炷羷偠却?，膜結(jié)構(gòu)本身易于保持曲面，更加適用于曲面結(jié)構(gòu)，且膜結(jié)構(gòu)是柔性結(jié)構(gòu)體系，由于膜材特殊的結(jié)構(gòu)特性的限制，在使用時存在一些難以完善處理的問題，其中最突出的是變形問題。當(dāng)膜結(jié)構(gòu)用于混凝土充氣模板時，變形問題對澆筑出的結(jié)構(gòu)尺寸影響大，柔性結(jié)構(gòu)易發(fā)生變形，過大的變形會使膜材破裂，使結(jié)構(gòu)喪失承載力失去原有工作性能[12]，因此需要建立一個合理的膜結(jié)構(gòu)體系或研發(fā)剛度更大的新型膜材來解決以上問題，例如可在充氣膜結(jié)構(gòu)中增加拉筋，用于控制澆筑出的混凝土尺寸，可增加加強帶與加筋繩用于提高柔性膜材的抗拉強度，或是將充氣膜結(jié)構(gòu)劃分成多室結(jié)構(gòu)，減小單一充氣膜結(jié)構(gòu)的體積等。

4 結(jié)語

膜結(jié)構(gòu)特殊的材料性能使其在施工場地狹窄、開挖規(guī)模大或水上施工等施工條件下更適宜用作混凝土模板，膜結(jié)構(gòu)混凝土模板施工難度低、耗材量小等優(yōu)點也給工程帶來了更大的效益。但其變形問題是未來還需面對的最主要問題，一方面要進行新型膜材的研發(fā)以從材料本身解決剛度不足的問題，另一方面需要建立合理的膜結(jié)構(gòu)體系，在材料自身性能不足的情況下增加部分構(gòu)件使其達到使用要求。