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對風荷載,由此產生的震動也會被膜面吸收而不致影響整個結構體。此外,防止氣枕泄氣后積水殘留也是頂棚曲率設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,一旦膜材所受應力超過其屈服極限,將最終導致膜面松懈塌陷。考慮到膜材的這個特性,除非規(guī)模很小,張拉膜結構一般不采用ETFE膜材。與此相反,具有自行調節(jié)機制的氣枕式膜結構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鍵性因素。當風吹過薄膜制成的大體積氣枕,其表面溫度將降至與風環(huán)境相同的溫度。此時,因為冷卻后膜面強度提升,氣統(tǒng)剛性圍護結構相比,ETFE氣枕結構釋放風能的方式使其每平方米風荷載設計值得以相對降低。

阻尼延伸的屬性同樣有利于節(jié)點構造。與玻璃幕墻不同,ETFE氣枕邊框不必像幕墻窗框一樣,需應對來自氣壓、溫度、天氣及結構引發(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)結構中采用的活動連接。許多建筑問題都是由于不同種材料或結構連接失效所引發(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)結構組成單位,大量連接構件從中解放出來,連接件的減少勢必大大延長氣枕結構的使用壽命。