氣承式膜結(jié)構(gòu)在煤場封閉中的應(yīng)用

史學(xué)巖

(國電龍源電力技術(shù)工程有限責(zé)任公司，北京 100039)

我國早期的儲煤形式多為露天儲煤，露天儲煤的一次性投資較小，但煤炭暴露在空氣中極易污染周圍的環(huán)境，在裝卸作業(yè)過程中產(chǎn)生的煤粉揚塵是燃煤電廠最主要的大氣顆粒物污染源.隨著國家大氣環(huán)境污染治理要求的日益嚴(yán)格，針對封閉貯煤場的研究已經(jīng)是迫在眉睫的任務(wù).

煤場封閉的形式主要有鋼結(jié)構(gòu)封閉和膜結(jié)構(gòu)封閉.鋼結(jié)構(gòu)一般有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、裄架結(jié)構(gòu)等形式.膜結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑工程建設(shè)中的一種新型結(jié)構(gòu)形式，可分為四大類：整體張拉式膜、骨架支承式膜、索系支承式膜與空氣支承式膜.[1]

1 氣承式膜結(jié)構(gòu)技術(shù)

氣承式膜結(jié)構(gòu)的基本原理是在高分子復(fù)合膜材形成的密閉空間內(nèi)部注入空氣，并保持一定密閉空間內(nèi)外壓差，借助內(nèi)壓保持膜材張力并抵抗外荷載、維持結(jié)構(gòu)形態(tài)的一種形式.

氣膜建筑在我國國內(nèi)發(fā)展較晚，但發(fā)展速度很快.我國最早建成的氣膜建筑是1980年建成的上海工業(yè)展覽館[2].目前，氣膜結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于體育場館、展覽中心、交通設(shè)施的等建筑中.

在煤炭行業(yè)，氣膜儲煤場國外已有較多的應(yīng)用案例，僅在北美就有多個儲煤棚采用了充氣膜結(jié)構(gòu)，并正常運行了數(shù)十年[3]，國內(nèi)近些年來剛開始應(yīng)用.據(jù)了解，目前國內(nèi)有少數(shù)洗煤廠和燃煤電站的儲煤場采用氣承式膜結(jié)構(gòu)煤場封閉.內(nèi)蒙古巴彥淖爾氣膜式儲煤棚是我國第一個氣膜式儲煤棚，2012年投入使用，至今仍運行良好[4].

氣膜建筑的膜材料是由基材(玻璃纖維或聚酯纖維織物)和涂層(聚氯乙烯PVC、聚四氟乙烯PTFE等聚合物)構(gòu)成.基材起承受傳遞負(fù)載的作用，涂層起保護基材、耐火防潮等作用[5].

目前，工程上一般采用勁索包裹外膜結(jié)構(gòu)的建筑形式，即膜材料外部加設(shè)勁索，勁索的布置方式有斜向交叉布置、縱橫向索網(wǎng)布置等，勁索的材料有非金屬纜繩或鋼絲繩，一般使用鋼絲繩.

斜向布置的鋼纜是傳力系統(tǒng)，通過斜向鋼纜將力均勻傳遞并分?jǐn)偟交A(chǔ)上.加設(shè)了斜向網(wǎng)格勁索的氣承式膜結(jié)構(gòu)剛性變大，能允許的膜內(nèi)壓力可達(dá)1.5～3.0大氣壓，可抵抗150英里/時的強風(fēng)和250 kg/m2的雪荷載[6]，使膜建筑的穩(wěn)定性得到了提高.

2 氣承式膜結(jié)構(gòu)組成

氣承膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的必需系統(tǒng)包括通風(fēng)系統(tǒng)、智能監(jiān)測系統(tǒng)、出入系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)等.

2.1 膜結(jié)構(gòu)通風(fēng)系統(tǒng)

氣膜結(jié)構(gòu)的通風(fēng)系統(tǒng)是建筑的核心系統(tǒng)，包括工頻風(fēng)機、變頻風(fēng)機、過濾設(shè)備及排氣孔等.根據(jù)建筑物的容積、體型、外荷載等情況，計算得出合理的風(fēng)機功率，通過合理的內(nèi)壓可以使索與膜面獲得比較均勻的預(yù)應(yīng)力.通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機由智能檢測系統(tǒng)實現(xiàn)自動運行控制，隨著室內(nèi)氣壓的高低，可自動減少或加大送風(fēng)量，維持室內(nèi)氣壓穩(wěn)定安全.在實際運行過程中，如果膜材有局部的細(xì)小損壞，通風(fēng)系統(tǒng)會聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)送風(fēng)量，進(jìn)行氣壓補償，保證氣膜結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)安全.

通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計需要有足夠的安全度，當(dāng)風(fēng)機或電源出現(xiàn)故障時，控制設(shè)備應(yīng)能啟動備用風(fēng)機及電源，以使通風(fēng)系統(tǒng)能夠連續(xù)充氣，保持預(yù)先設(shè)定的工作內(nèi)壓.

2.2 膜結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測系統(tǒng)

智能監(jiān)測系統(tǒng)是氣膜結(jié)構(gòu)的“大腦”，是由PLC控制系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、風(fēng)速傳感系統(tǒng)等組成，安裝在膜面的壓力傳感器將采集到的壓力值實時傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)，通過PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，處理后通過變頻控制器發(fā)布指令，調(diào)整風(fēng)機運行頻率，進(jìn)而調(diào)節(jié)膜內(nèi)壓力.

智能監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測內(nèi)容多樣，根據(jù)工程需求設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備.智能監(jiān)測系統(tǒng)既可以監(jiān)測室外的溫度、濕度、風(fēng)力、降水量、車輛進(jìn)出、室外安全等信號，也可以檢測室內(nèi)的溫度、濕度、出風(fēng)量、瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度、測量煤炭的地表溫度和內(nèi)部溫度等.

封閉儲煤場的防爆性能至關(guān)重要，煤場的瓦斯?jié)舛韧ㄟ^在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測和自動報警，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^安全值時，裝置自動報警，連鎖通風(fēng)系統(tǒng)，開啟排風(fēng)風(fēng)機將瓦斯排出.

2.3 膜結(jié)構(gòu)出入系統(tǒng)

氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)外氣壓差一般保持在250～500 Pa，人員及車輛進(jìn)出必然會引起內(nèi)外壓差的大幅變動，為保障良好的氣密性，進(jìn)出通道采用雙層氣密門布置.

為最大程度降低氣承式膜結(jié)構(gòu)內(nèi)外壓差變化，出入系統(tǒng)中人員進(jìn)出通道采用氣密平開門，車輛進(jìn)出通道采用氣密提升門，都是雙層互鎖氣密門.

車輛進(jìn)出通道外側(cè)和內(nèi)部設(shè)有車輛感應(yīng)裝置及聯(lián)動裝置，當(dāng)貨車駛向通道并到達(dá)指定距離時，系統(tǒng)自動關(guān)起駛?cè)胪ǖ篱T，相關(guān)一側(cè)通道門自動打開，直至車輛駛?cè)胪ǖ乐械能囕v感應(yīng)區(qū)域，當(dāng)駛?cè)胪ǖ篱T完全關(guān)閉后，通道門的聯(lián)動裝置啟動，自動開啟另一扇通道門，車輛駛出其通道后，駛出通道門自動關(guān)閉.

2.4 膜結(jié)構(gòu)錨固系統(tǒng)

氣承式膜結(jié)構(gòu)自重較輕，且膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部有長期穩(wěn)定的壓力差，因此錨固系統(tǒng)具有足夠的抵抗能力的同時，在使用期間還應(yīng)能夠抵抗通常情況下的內(nèi)壓荷載及作用力.

錨固基礎(chǔ)一般頂部標(biāo)高高于地面，是為了充分考慮膜底排水和防水的問題.氣膜基礎(chǔ)預(yù)埋件采用預(yù)制鋁合金槽鑄件，安裝時將膜邊埋入槽內(nèi)，底部一般用直徑大于18 mm的橡膠棒或尼龍繩固定，然后在槽內(nèi)插入木楔塊即可，操作簡單，安裝速度快.

2.5 膜結(jié)構(gòu)防火性能

封閉式儲煤場儲存的介質(zhì)是易燃易爆的煤炭，膜結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的防火防爆的安全性能.目前，膜結(jié)構(gòu)建(構(gòu))筑物相關(guān)的消防設(shè)計、施工安裝和驗收等方面尚無針對性的國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范.

膜材的防火性能可按照建筑材料及制品的規(guī)定進(jìn)行測試和確定.氣承式膜結(jié)構(gòu)的膜材為阻燃材料，可達(dá)到B1級防火要求，熔后收縮，無滴落物[7].儲煤場須設(shè)置消防應(yīng)急門，內(nèi)部須配有消防水炮系統(tǒng)加以輔助.

3 氣承式膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

目前世界經(jīng)濟正在走向全球化，建筑科技面臨的一個發(fā)展趨勢就是材料開發(fā).膜結(jié)構(gòu)建筑的開發(fā)與應(yīng)用，可以擺脫對鋼材、混凝土等傳統(tǒng)材料的依賴，由于高性能膜材的出現(xiàn)，使膜結(jié)構(gòu)建筑呈現(xiàn)以下特點：

3.1 良好的經(jīng)濟性，成本低

氣膜儲煤場無梁無柱，無需剛性支撐，這是超越其他建筑的最大特色.氣膜儲煤場大大減少了鋼材和混凝土的使用量，僅混凝土基礎(chǔ)的造價就可降低60%[8].因膜體自重較輕，支座反力較小，對墻、柱等支撐構(gòu)件及土質(zhì)基礎(chǔ)的要求也較低，在設(shè)計過程中主要考慮的是抗拔力，可以建在較差的地質(zhì)條件下，節(jié)省了大量人力、物力和財力的投入.通過內(nèi)設(shè)智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)無人化管理，即可保證安全生產(chǎn)也大大減少了人員巡視等費用.

3.2 安裝快速，節(jié)省時間

膜結(jié)構(gòu)可以利用工廠生產(chǎn)的特點，做成標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品.膜結(jié)構(gòu)的加工、制作、安裝都較容易，相對于必須在現(xiàn)場施工的鋼結(jié)構(gòu)，氣膜的膜材裁剪熱合以及勁索的加工制作均在工廠完成，膜片通過熱合加工成膜單元，將膜單元制作好后再打卷運輸?shù)浇ㄔO(shè)現(xiàn)場施工、起膜.膜材運到現(xiàn)場后，一般只需要十天左右就可以安裝完成.

3.3 獨特的光學(xué)特性，節(jié)能

膜材料是半透明的織物，可濾除大部分紫外線，對自然光有反射和透射能力.外界光線條件好時，室內(nèi)不需要輔助照明，能大大減少室內(nèi)照明的能量消耗[9].即使室內(nèi)照明，膜材料具有獨特的發(fā)散光特性，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生均勻的漫射光，無陰影，無眩光，做到了節(jié)能高效.

3.4 不燃性、耐腐蝕性和自潔性

膜材的基材，也就是玻璃纖維或聚酯纖維織物，本身具有極高的不燃性，且化學(xué)性能穩(wěn)定，耐腐蝕，抗臟污.在基材上涂有薄膜防護涂層，也增強了膜建筑的抗腐蝕及抗污能力.氣膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部無結(jié)構(gòu)件，煤塵無法沉積，降低了爆炸的危險.

3.5 密封性好，環(huán)保

氣膜煤場封閉具有良好的全封閉環(huán)保體系，完全符合環(huán)保要求，能大大減少煤塵引起的環(huán)境污染問題，對周邊環(huán)境以及空氣質(zhì)量能達(dá)到立竿見影的改善效果.

3.6 抗震性好

極輕的自重保證了氣膜建筑的抗震安全，即使出現(xiàn)意外塌膜也不會對昂貴的生產(chǎn)設(shè)備造成破壞.

3.7 施工安全性高

長時間的高空作業(yè)量比鋼結(jié)構(gòu)要小很多.

4 工程應(yīng)用中的注意事項

4.1 膜結(jié)構(gòu)的加工制作

氣膜結(jié)構(gòu)要求要有良好的氣密性，膜材料加工精度要求較高，因此在制作過程中要加強質(zhì)量管理，保證制作精度，裁剪過程中盡量避免膜體因折疊和彎曲而產(chǎn)生膜面褶皺.尖銳物件會破壞膜面，膜面一旦遭到破壞就會危害到整個建筑結(jié)構(gòu)[10]，所以在膜結(jié)構(gòu)安裝前應(yīng)注意鋼纜與膜材料接觸的部位要打磨光滑，確保連接處無毛刺、棱角、焊接表面凸點等，提前完成鋼纜的防銹、防火涂層的施工，以免污染膜面.加工制作過程要精細(xì)，如果制作過程中加工粗糙，會出現(xiàn)因為工藝缺陷造成金屬節(jié)點連接件銹蝕的問題.

4.2 現(xiàn)場施工的注意事項

在現(xiàn)場安裝主體膜時，每塊膜單元與場地區(qū)域?qū)?yīng)，按照確定的順序展開膜材，每塊膜材采用多點整體提升技術(shù)進(jìn)行整體吊裝，將不同的模塊通過壓鑄鋁板進(jìn)行壓接連接.特別注意要確保模塊與模塊之間的密封工藝，否則會出現(xiàn)膜單元連接熱合工藝不當(dāng)?shù)膯栴}.

在主體膜地面整體連接后，斜向索網(wǎng)開始安裝，按照索網(wǎng)編號用索夾依次連接.同時，在膜面安裝施工時應(yīng)注意天氣情況，保證整個安裝過程中無4級以上大風(fēng)和大雨.確認(rèn)膜面完全密閉后，便可以啟動送風(fēng)系統(tǒng)對膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行送風(fēng)，知道膜面達(dá)到設(shè)計形狀為止.

4.3 膜結(jié)構(gòu)后期保養(yǎng)

膜結(jié)構(gòu)的后期維護和保養(yǎng)十分重要，在現(xiàn)場要加強管理，每月定期檢查和維護，防止意外發(fā)生，一旦發(fā)現(xiàn)膜材有破損要及時修補.

5 發(fā)展前景

膜結(jié)構(gòu)是一種全新的生態(tài)型建筑，設(shè)計集合了結(jié)構(gòu)力學(xué)、精細(xì)化工與材料科學(xué)、計算機技術(shù)、建筑學(xué)等.氣承式膜結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)建筑，具有極大的經(jīng)濟優(yōu)勢，自重較輕，節(jié)能環(huán)保性好，施工便捷，綜合使用效益較高，具有強大的生命力，但目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較少，僅應(yīng)用于封閉式儲煤棚工程，考慮到膜結(jié)構(gòu)自身特性，還可以考慮應(yīng)用于以下一些工業(yè)場地.

5.1 物料堆放場地

(1)露天煤場及其他物料堆放場

(2)需要封閉治理的物料堆放場地

5.2 對于鹽霧較大或有腐蝕性的環(huán)境區(qū)域

我國對張拉膜結(jié)構(gòu)投入的精力和研究較多，氣承式膜結(jié)構(gòu)相對較少，目前氣承膜結(jié)構(gòu)有許多需要研究和改進(jìn)的地方，比如如何合理設(shè)置內(nèi)壓和預(yù)張力，強度如何進(jìn)一步提高，穩(wěn)定性如何加強.相信以后結(jié)合新型智能技術(shù)，像氣膜結(jié)構(gòu)這種無梁無柱的建筑將會更大的發(fā)揮其優(yōu)勢.