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膜结构的特点及其应用

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膜结构的特点及其应用
膜结构的起源
膜结构又叫张拉膜结构(Tensioned Membrane structure), 是以建筑织物,即膜材料为张拉主体,与支撑构件或拉索共同组成的结 构体系,它以其新颖独特的建筑造型,良好的受力特点,成为大跨度空 间结构的主要形式之一。
膜材料是指以聚酯纤维基布或PVDF、PVF、PTFE等不同的表面涂层,配以优质的PVC组成的具有稳定的形状,并可承受一定载荷的建筑纺织品。它的寿命因不同的表面涂层而异,一般可达成12?50年。
1917年有一位名为兰彻斯特的美国人建议利用新发明的电力鼓风机将膜布吹胀,作野战医院。像许多专利申请案一样,这只是一种构思,而没有真正成为使用的产品。1946年,有一位名为华特・贝尔德的人为美国军方做了一个直径 15m圆形充气的雷达罩,可以保护雷达不受气候侵袭,又可让电波无阻的通过,从而使相隔了19年的专利付诸实用。由此而衍生出了一个新的工业产业,在1956年以后美国一共建立了约50多家的膜结构公司,制造各种膜产品,用做体育设施、展览场、设备仓库、轻工业厂房等,不一而足。但多因设计不周全,或制作粗糙,或是业主维护不当,以致造成许多不幸事件,大多数的工厂亦因之倒闭。1960年间,德国斯图加特大学的弗赖・奥托先生,先后于1962和1965年发表了研究膜结构的成果,并同帐篷制造厂商合作,做了一些帐篷式膜结构和钢索结构,其中最受人注目的是1967年在蒙特利尔博览会的西德馆,其在欧洲,尤其是德国,可以说是开了膜结构构商业化的先河。1968年,美国纽约的建筑师布罗迪和哥伦比亚的大卫・盖格教授合力争取到了日本大阪世界博览会美国馆的设计权。原先的经费2500万美元,被一再消减到250万美元,此设计组承受了无比的挑战,在穷则变,变则通的情况下,将基地挖一大坑,将废土堆在四周,筑成围墙,其上浇注一混凝土压力环,将钢索网固定在环上,再将膜布固定在钢索网上,加以充气,就做成了9290m2的展览馆,从而开启了气撑式膜结构的新页。1968年到1987年之间,有 8座室内运动馆是以此方法设计建造的。
在大阪世博会,盖格公司成功地向世人推出气撑式膜结构的新设计技术,而受到建筑工程界一致认可后,又面临所使用的膜材料问题。这种膜材只有7年― 8年的寿命,在太阳紫外线及风、雨的交互作用下,膜布会变得硬脆、破裂,而失去结构性能。只有使用好的膜布材料,才能使这种大跨距的屋顶,成为永久性的建筑。正在此时,美国福特基金会下属的教育设施实验室给盖格公司一笔资金,用来开发此种永久性的建筑膜。在盖格公司领导下,同美国的杜邦公司、康宁玻纤公司、贝尔德建筑公司、化纤织布公,五家共同开发永久性的结构膜。产品很顺利地就制成了,化纤公司将康宁公司提供的玻璃纤维,先集成线再织成布纱,经过矽胶浸泡,先制成水密坯布,再多次快速放入特氟隆溶液中,使坯布两面皆有均匀的特氟隆涂层,永久性的PTFE膜正式诞生。经过加速气候实验,其物理稳定性确定后,盖格公司又设计各种结构配件及确定设计程序,以建造不同性质的膜结构。堪萨斯城的建筑师约翰・西弗率先使用此产品,在加州的拉・弗恩建了一座学生活动中心,另外,几平同时即1973年在圣太・克罗拉的加州分校办建了一座气撑游泳馆(活动屋顶)及学生活动中心,从此永久性膜结构便正式在美国风行。
1.关于结构膜
一般钢结构屋顶,是由桥梁支撑屋面板,上面覆盖防水、隔热层,这些屋面材料皆不承受结构力。但膜结构中的膜本身就承受活荷载包括风压、温度应力等,膜既是覆盖物,亦是结构的一部分。
以材质分类,结构膜有以下两种:
1)平面不织膜:由各种塑料,在加热液化状态下挤出的膜,它有不同厚度、透明度及颜色,最通用的是聚乙烯膜。亦有以聚乙烯和聚氯乙烯热熔后制成的复合膜,其抗紫外线及自洁性强,且使用年限可从7年延长到15年,此种膜因张力强度不大,而自跨度不大,属于半结构性的膜材。
2)织布合成膜:以聚酯丝织成的市心,双面涂以PVC树脂,再用热熔法覆盖上一层聚氟乙烯膜,制成复合膜,使用年限从 7年延长到15年。因布心的张力强度较大可以使用于多种的张啦力型结构,跨度可达8m-10m,在美、日、法等国皆生产多种品牌。
2.几种膜结构
与上述结构膜结合的结构大约有下述几类:
1)纯钢拱形结构
采用传统的梁柱系统,屋顶为圆拱式,柱梁间距一般为8m左右。
2)混凝土结构主体加钢拱
以上两种最简单的膜结构,依平面的形状,如方形、菱形等,可有许多变化,拱的间距依使用的膜材强度、设计荷载、风力等确定。
3)混凝土主体结构加钢索
脊素为上弯,位于膜布下面,谷索为下弯,位于膜上面。两种钢索的弯向相反张拉后造成相反方向的垂直力,使膜市受到垂直方向的张力,膜布中水平方向的张力直接张拉形成。
4)混凝土主体结构加钢柱
5)张拉式帐篷膜结构
6)大型(跨度在200m以上)气撑式膜结构
用扁钢作的钢索加上膜布,可以做成大跨度的巨型屋顶。这种建筑,结构简单,施工方便,经济效益高,无需维修。但因需常年维持封闭,进出较不便,现己不再新建,但仍不失为一种好的结构形式。由于膜结构需要精确的设计及剪裁,

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很细致,很全面

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索膜结构、技术汇总
1 索膜建筑语言表述特征
自从被尊为索膜建筑与结构技术先驱的德国建筑师弗赖・奥托(Frei Otto)第一次在1967年加拿大蒙特利尔博览会德国馆创造性地大规模成功运用了索膜建筑技术到今天,索膜建筑已经历了几次起伏,每一次的起伏都使当代高新技术更广泛地介入并将索膜建筑技术推向一个新高潮。索膜建筑之所以能得到今天这样广泛的应用,与近年来高新科技的发展对社会、环境、艺术和当代生活等方面的深刻影响不无关系,当今对技术的尊崇已成为一种时尚。
众所周知,罗杰斯(Rogers)和皮亚诺(Piano)的蓬皮杜中心设计第一次向世人展现了所谓后现代主义“高技派”建筑,而他们近年来在建筑的技术表现和索膜建筑方面的卓越实践,则在更高层次上达到了建筑与技术的高度和谐统一。当然,以往的所谓“高技派”和今天的“理性技术表现”实在不可同日而语。以往的“高技派”只是把”技术”作为一种符号,利用反叛“现代主义”所形成的“对比反差”实现他们构想的新理念,体现他们的建筑新思维。今天的“理性技术表现”才是真正把技术逻辑和技术手段作为建筑艺术表现的基础,在此基础上,对真实的技术逻辑加以升华和提炼,追求技术与艺术的完美结合。
索膜建筑所表达的“建筑语言特征”呈现明显的“理性技术表现”倾向,高耸的桅杆、异型空间钢结构体系、坚如射束的根根钢索、富于机械艺术表现魅力的钢制大型节点、充满张力自然曲线的变幻膜体以及其他技术可望而不可及的大跨度自由空间,都给人以艺术感染力和某种程度上的技术神秘感,使索膜建筑更富于强调理性技术逻辑的表现特征。
索膜建筑是伴随着当代电子、机械和化工技术的发展而逐步发展的,是现代高科技在建筑领域中的体现。随着现代科技的进一步发展,使人类面临着保护自然环境的使命,因此,天然材料和传统的古老建筑材料与技术必将被轻而薄且保温隔热性能良好的的高强轻质材料所取代。索膜建筑技术在这项变革中将扮演重要角色,其在建筑领域内更广泛的应用是可以预见的。
近年来,我国建筑市场对索膜建筑技术的需求明显有大幅度增长的趋势,国外各大著名索膜技术专业公司纷纷“登陆”我国,如英国的布罗・哈波尔德(Buro Happold)和兰德雷(Landrell)美国的盖格(Geiger)、伯戴尔(Birdair),日本的光行太羊(Taiyo Kogyo)以及一些索膜专业制作商,这些企业的“登陆”己经带动了我国索膜建筑事业的大发展,可谓前程似锦。
2 索膜建筑的分类
索膜建筑的分类众说纷纭,其实还是可以从结构方式上简单地概括为张拉式、骨架式、充气式三大类:
2.1张拉式:张拉式索膜建筑可谓索膜建筑的精华和代表。由于其建筑形象的可塑性和结构方式的高度灵活性和适应性,此种方式的应用极其广泛。有人又将张拉式再分为索网式、脊谷式等等。张拉式索膜体系富于表现力、结构性能强,但造价稍高,施工精度要求也高。
2.2骨架式:骨架式索膜建筑常在某些特定的条件下被采用,是由于其结构方式本身的局限性:骨架体系自平衡,膜体仅为辅助物,膜体本身的强大结构作用发挥不足等,有人将其称之为二次重复结构。骨架方式与张拉方式的结合运用,常可取得更富于变化的建筑效果。骨架式索膜体系建筑表现含蓄,结构性能有一定的局限性,造价低于张拉式体系。
2.3充气式:充气式索膜建筑历史较长,但因其在使用功能上明显的局限性,如形象单一、空间要求气闭等,使其应用面较窄。但充气式索膜体系造价较低,施工速度快,在特定的条件下又有其明显的优势。
3 索膜建筑的灵魂――预张力
索膜建筑之所以能满足大跨度自由空间的技术要求最关键的一点就是其有效的空间预张力系统。有人把索膜建筑称为“预应力软壳”,是预张力使“软壳”各个部分(索、膜)在各种最不利荷载下的内力始终大于零(永远处于拉伸状态),从而使“软壳”成为空间整体工作的结构媒体和建筑围合材料,双栖于建筑与结构两界。预张力在索膜建筑中的关键作用是:
1)使索膜建筑富有迷人的张力曲线和变幻莫测的空间;
2)使整体空间结构体系得以协同工作;
3)使体系得以覆盖大面积、大跨度无自由空间
4)使体系得以抵抗狂风、大雪等极不利荷载状况;
5)使膜体减少磨损、延长使用寿命,成为永久建筑;
6)使索膜建筑得以顺畅排水;
7)使索膜建筑成为“可上人屋面”,为检修提供便利条件。
应当指出的是:预张力不是在施工过程中可随意调整的“安装措施”,而是在设计初始阶段就需反复调整确定的,在设计与施工全过程中务必确保的核心与关键。从这个意义上讲,没有经过精心设计的适当预张力措施的膜体覆盖物,不属于索膜建筑范畴。
4 索膜建筑方案设计基本要素
4.1环境:建筑设计越来越注重环境,与整体环境的关系是否和谐早已成为人们评判建筑设计成功与否的关键。索膜建筑在空间和平面布局上的高度灵活性,使其往往与周边环境极其自然地融为一体。有意识地去运用索膜建筑的自由形态以形成空间上聚聚合合、若分若离的多层次变换,是专业索膜建筑师应具备的基本修养。
4.2对比与协调:同一般建筑设计一样,“对比与协调”同样是索膜建筑师

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膜结构的裁剪制作方法
1.裁剪方法简介 
  膜结构的裁剪拼接过程无论如何都是会有误差的,这是因为首先用平面膜片拼成空间曲面就一定会有误差,其次膜布是各向异性非线性材料,在把它张拉成曲率变化多端的空间形状时,不可避免的会与初始设计形状有出入。迄今为止,已建立了很多种方法来处理这一问题。很难评价哪个方法的精确度一定就高,但还是有几个标准可以用来判断这些裁剪方法是否实用。那就是可靠性、灵活性和完成时间。
2.膜结构交互式裁剪过程
裁剪缝的布置
布置膜结构表面裁剪缝时要考虑以下几个因素:
1)表面曲率
  以前的裁剪方法都无法给出曲面任一点处的曲率。而本软件因为采用的是曲面膜单元,所以可以得到每个单元的曲率。如果相邻单元曲率相差很大,说明在这个位置,曲面扭曲的很严重,如果裁剪缝在此处不切断重新开始,那么裁剪膜块的边界在此处就会有很大的弧形。从相邻单元曲率的变化趋势,可以判断出测地线的大致走向。
2)膜材料的幅宽
  找形分析过程中的平面网格划分时,就要考虑到膜材料的幅宽。尽量使一块膜布中包含的膜单元是完整的,否则还要通过插值计算确定膜块边界点的位置。
3)边界的走向
  如果边界比较平直,可以考虑用一个膜块的长边作为这条边界。否则只能用多个膜块的短边拼接成这条边界。
4)美观
  因为膜材料具有透光性,实际结构中可以清楚地看见焊缝,所以裁剪缝的布置一定要规则、合理,最好能形成一些漂亮的图案以增加结构的美感。如果膜表面设置有压索或脊索, 那么最好使裁剪缝与压索或脊索重合,使索不至于打乱焊缝的图案布置。

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膜结构起源和发展
1917年有一位名为兰彻斯特的美国人建议利用新发明的电力鼓风机将膜布吹胀,作野战医院。像许多专利申请案一样,这只是一种构思,而没有真正成为使用的产品。1946年,有一位名为华特・贝尔德的人为美国军方做了一个直径 15m圆形充气的雷达罩,可以保护雷达不受气候侵袭,又可让电波无阻的通过,从而使相隔了19年的专利付诸实用。由此而衍生出了一个新的工业产业,在1956年以后美国一共建立了约50多家的膜结构公司,制造各种膜产品,用做体育设施、展览场、设备仓库、轻工业厂房等,不一而足。但多因设计不周全,或制作粗糙,或是业主维护不当,以致造成许多不幸事件,大多数的工厂亦因之倒闭。1960年间,德国斯图加特大学的弗赖・奥托先生,先后于1962和1965年发表了研究膜结构的成果,并同帐篷制造厂商合作,做了一些帐篷式膜结构和钢索结构,其中最受人注目的是1967年在蒙特利尔博览会的西德馆,其在欧洲,尤其是德国,可以说是开了膜结构构商业化的先河。1968年,美国纽约的建筑师布罗迪和哥伦比亚的大卫・盖格教授合力争取到了日本大阪世界博览会美国馆的设计权。原先的经费2500万美元,被一再消减到250万美元,此设计组承受了无比的挑战,在穷则变,变则通的情况下,将基地挖一大坑,将废土堆在四周,筑成围墙,其上浇注一混凝土压力环,将钢索网固定在环上,再将膜布固定在钢索网上,加以充气,就做成了9290m2的展览馆,从而开启了气撑式膜结构的新页。1968年到1987年之间,有 8座室内运动馆是以此方法设计建造的。
在大阪世博会,盖格公司成功地向世人推出气撑式膜结构的新设计技术,而受到建筑工程界一致认可后,又面临所使用的膜材料问题。这种膜材只有7年― 8年的寿命,在太阳紫外线及风、雨的交互作用下,膜布会变得硬脆、破裂,而失去结构性能。只有使用好的膜布材料,才能使这种大跨距的屋顶,成为永久性的建筑。正在此时,美国福特基金会下属的教育设施实验室给盖格公司一笔资金,用来开发此种永久性的建筑膜。在盖格公司领导下,同美国的杜邦公司、康宁玻纤公司、贝尔德建筑公司、化纤织布公,五家共同开发永久性的结构膜。产品很顺利地就制成了,化纤公司将康宁公司提供的玻璃纤维,先集成线再织成布纱,经过矽胶浸泡,先制成水密坯布,再多次快速放入特氟隆溶液中,使坯布两面皆有均匀的特氟隆涂层,永久性的PTFE膜正式诞生。经过加速气候实验,其物理稳定性确定后,盖格公司又设计各种结构配件及确定设计程序,以建造不同性质的膜结构。堪萨斯城的建筑师约翰・西弗率先使用此产品,在加州的拉・弗恩建了一座学生活动中心,另外,几平同时即1973年在圣太・克罗拉的加州分校办建了一座气撑游泳馆(活动屋顶)及学生活动中心,从此永久性膜结构便正式在美国风行。
1.关于结构膜
一般钢结构屋顶,是由桥梁支撑屋面板,上面覆盖防水、隔热层,这些屋面材料皆不承受结构力。但膜结构中的膜本身就承受活荷载包括风压、温度应力等,膜既是覆盖物,亦是结构的一部分。
以材质分类,结构膜有以下两种:
1)平面不织膜:由各种塑料,在加热液化状态下挤出的膜,它有不同厚度、透明度及颜色,最通用的是聚乙烯膜。亦有以聚乙烯和聚氯乙烯热熔后制成的复合膜,其抗紫外线及自洁性强,且使用年限可从7年延长到15年,此种膜因张力强度不大,而自跨度不大,属于半结构性的膜材。
2)织布合成膜:以聚酯丝织成的市心,双面涂以PVC树脂,再用热熔法覆盖上一层聚氟乙烯膜,制成复合膜,使用年限从 7年延长到15年。因布心的张力强度较大可以使用于多种的张啦力型结构,跨度可达8m-10m,在美、日、法等国皆生产多种品牌。
2.几种膜结构
与上述结构膜结合的结构大约有下述几类:
1)纯钢拱形结构
采用传统的梁柱系统,屋顶为圆拱式,柱梁间距一般为8m左右。
2)混凝土结构主体加钢拱
以上两种最简单的膜结构,依平面的形状,如方形、菱形等,可有许多变化,拱的间距依使用的膜材强度、设计荷载、风力等确定。
3)混凝土主体结构加钢索
脊素为上弯,位于膜布下面,谷索为下弯,位于膜上面。两种钢索的弯向相反张拉后造成相反方向的垂直力,使膜市受到垂直方向的张力,膜布中水平方向的张力直接张拉形成。
4)混凝土主体结构加钢柱
5)张拉式帐篷膜结构
6)大型(跨度在200m以上)气撑式膜结构
用扁钢作的钢索加上膜布,可以做成大跨度的巨型屋顶。这种建筑,结构简单,施工方便,经济效益高,无需维修。但因需常年维持封闭,进出较不便,现己不再新建,但仍不失为一种好的结构形式。由于膜结构需要精确的设计及剪裁,以达到理想的效果,大卫、盖格和哥伦比亚大学的同僚迈克、马克麦克和约塞夫、赖特共同开发了非线性钢索计算程式,为气撑式大型膜屋顶工程设计奠定了基础。自1973年至1978年,在世界各地一连建造了12座气撑式膜结构大型室内体育馆,与同时期落成的其他球场比较,这些膜结构的体育馆不但价格便宜,而且施工快。面积40000m2的银顶球场的屋顶只用了11.5个月即全部完成。为世界最大之室内体育馆。
7)钢索穹顶
1980年左右,盖格先生又创造

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国内膜结构实例
一、体育建筑:
1、青岛颐中体育场罩篷
青岛颐中体育场为我国第一个自行设计和安装、采用整体张拉式索膜结构体育场工程。罩篷是由60个锥形膜单元组成的脊谷式张拉膜结构,长轴266米,由86米长的直线段和两端半径为90米的半圆弧组成,短轴180米;立柱顶点标高42.5米,内环索标高约36.5米,篷盖悬挑沿周边均约40米;膜覆盖面积(投影面积)约30,000平方米,可容纳6万名观众。
整个篷盖由钢结构支撑系统、钢索、膜组成的一个典型索膜张拉体系,每个单元由一个立柱支撑,通过谷索、脊索、内外边索的张拉作用成形。
膜材料选用法国 FERRARI 1302 T。
2、义乌市会展体育中心体育场
义乌市体育场膜结构篷盖由两片沿主看台对称布置的梭状索膜结构体系组成,总覆盖面积约16,000平方米;它们是由钢桁架(脊)、谷索、边索、上拉索及灯光塔架共同组成的空间张拉膜结构体系。每片膜篷盖由大小不等的13个波浪式膜单元组成,形成自然曲面单元;钢桁架与谷索一端与看台钢筋混凝土框架外环柱连接,另一端与主内边索相连,主内边索再由上拉索与两边的灯光塔架连接。通过一定的手段张紧谷索,来完成向体系内部施加所需的预应力,使整个体系产生足够的刚度,以抵御外部荷载作用,并能很好地控制结构体系的位移和变形。
主内边索矢高40米,灯光塔架高60米,钢桁架向内最大悬挑49米,向外悬挑6.3米;内外边索中预应力分别为110KN和45KN,谷索中预应力70KN;最不利工况下主内边索最高点向上位移302mm,向下位移208mm。
膜材料选用FERRARI 1302T 。
3、秦皇岛体育中心体育馆
秦皇岛体育馆可容纳约5,400个观众。屋盖系统中间为一跨度85.86米的钢拱架支撑双层膜结构体系,膜覆盖面积约3,100平方米;两翼为钢桁架网壳金属板结构。
本工程双层膜屋面系统是通过中央顶升桁架一次顶升同时完成,即内外层膜同时达到其各自的设计位置及应力状态,对设计、制作、施工等过程的精度要求很高。
膜材选用德国FR-1000型。
二、演出场馆
1、 长沙世界之窗大剧院
长沙世界之窗大剧院的建筑平面近似为扇形,膜后端部与已有的建筑物山墙连接,整体膜结构部分由5个跨度不等、高度不等的双伞状单元组成,最大跨度为86.58米,柱最高点标高28米,总长54米,膜覆盖面积约为6,100平方米。
膜单元由二根内排柱顶起,二顶点之间布置脊索;膜单元之间相互连接,其上压以谷索,谷索两端与外排柱相连接,再通过外拉索引向锚座;锚座所受的最大拉力约为1200KN,根据当地施工条件,锚座基础选定为斜拉锚杆;外排柱最大压力约600KN,与基础销接连接;内排柱最大压力约为950KN,预应力状态下约550KN,并选定了通过顶升10个内柱(二排)的方法来给体系施加整体预张应力,这种柱称做"杰克"(JACK)柱。
本工程采用美国SHELTER-RITE 9032 型TEDLAR膜材料,为白色不透明材料。满足设计强度、耐火、耐久、自洁等各项性能指标。
2、深圳华侨城欢乐谷中心表演场
深圳华侨城欢乐谷中心表演场是用于表演、演出等综合性的文化娱乐设施。结构布置平面呈圆形,钢柱、钢拱梁和外拉索的支座分别位于直径为63米、86米和98米的同心圆上,膜水平投影面积约5,800平方米。整个建筑是由15个锥形膜单元组成,每个锥形膜单元的顶点由一根钢柱支撑,从而形成脊谷式膜单元布置,脊索和谷索相间布置形成膜体的支撑和起伏,并传递主要的风荷载和活(雪)荷载。为增加建筑效果,中心环向左偏离圆心8M,且有一定倾角;柱顶标高从左至右依次增加0.6M,整个形状似一银白色的外星飞蝶。
膜体布置内边界在直径为10米的刚性中心环上,中心环由15根吊索悬起拉向各柱顶,整个体系的竖向荷载通过中心环经过吊索传至15根F610×14mm的钢柱上,再在柱顶部转换成30根外拉索拉向外锚座。外边界连接在15根F325×8mm的钢拱梁上,通过设置在弧梁中间的外拉索与外锚座相连。
膜材料选用德国FR-1000,具有不透光(根据功能需要选定的)、自洁、阻燃等特性。
3、大连金石滩影视艺术中心
大连金石滩影视艺术中心为大连模特学校学生表演场及日常训练场。本工程为骨架式双层膜结构,主体膜结构为半个椭球钢网壳上面直接覆盖膜材料,椭球网壳平面长轴60米、短轴45米、高16米,放在倾斜的钢筋混凝土环梁上面并与预埋钢板焊接;环梁最低点标高3米,最高点标高10米;为提高其保温隔热性能,本工程采用了双层膜,膜层间距475mm,外层膜展开面积约3,200平方米,膜体在加工厂整体焊接完成,现场一次安装到位。
内外层膜分别选用法国 FERRARI PRECONTRAINT 502、1202 T。
三、展览场馆
中国国际高新技术成果交易中心
位于深圳新中心区、深南路和益田路交会处的中国国际高新技术成果交易中心,膜覆盖面积为2500平方米的,此建筑成为展区空间序列的主旋律,营造出了颇有美感的空间环境,并与深圳新中心区渗透着开放理念的城市设计原则相吻合,更重要的是这一空间很好地将平面上各建筑完美的结合起来,成为交易中心整体建筑的点睛之笔、未来新市区城市景观的重要组成部分。该工程从设计到交付使用仅用了3个月的时间。
四、会所
青岛馥香谷会所

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我将网上的膜结构的相关文章进行了收集,希望对大家有用!感谢大家的支持!

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