史學巖

(國電龍源電力技術工程有限責任公司，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格，針對封閉貯煤場的研究已經是迫在眉睫的任務.

煤場封閉的形式主要有鋼結構封閉和膜結構封閉.鋼結構一般有網(wǎng)架結構、裄架結構等形式.膜結構是現(xiàn)代建筑工程建設中的一種新型結構形式，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 氣承式膜結構技術

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

氣膜建筑在我國國內發(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，氣膜結構已經廣泛應用于體育場館、展覽中心、交通設施的等建筑中.

在煤炭行業(yè)，氣膜儲煤場國外已有較多的應用案例，僅在北美就有多個儲煤棚采用了充氣膜結構，并正常運行了數(shù)十年[3]，國內近些年來剛開始應用.據(jù)了解，目前國內有少數(shù)洗煤廠和燃煤電站的儲煤場采用氣承式膜結構煤場封閉.內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)構成.基材起承受傳遞負載的作用，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構的建筑形式，即膜材料外部加設勁索，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攤到基礎上.加設了斜向網(wǎng)格勁索的氣承式膜結構剛性變大，能允許的膜內壓力可達1.5～3.0大氣壓，可抵抗150英里/時的強風和250 kg/m2的雪荷載[6]，使膜建筑的穩(wěn)定性得到了提高.

2 氣承式膜結構組成

氣承膜結構系統(tǒng)的必需系統(tǒng)包括通風系統(tǒng)、智能監(jiān)測系統(tǒng)、出入系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)等.

2.1 膜結構通風系統(tǒng)

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

通風系統(tǒng)的設計需要有足夠的安全度，當風機或電源出現(xiàn)故障時，控制設備應能啟動備用風機及電源，以使通風系統(tǒng)能夠連續(xù)充氣，保持預先設定的工作內壓.

2.2 膜結構智能監(jiān)測系統(tǒng)

智能監(jiān)測系統(tǒng)是氣膜結構的“大腦”，是由PLC控制系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、風速傳感系統(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)進行數(shù)據(jù)分析，處理后通過變頻控制器發(fā)布指令，調整風機運行頻率，進而調節(jié)膜內壓力.

智能監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測內容多樣，根據(jù)工程需求設置相應的監(jiān)測設備.智能監(jiān)測系統(tǒng)既可以監(jiān)測室外的溫度、濕度、風力、降水量、車輛進出、室外安全等信號，也可以檢測室內的溫度、濕度、出風量、瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度、測量煤炭的地表溫度和內部溫度等.

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

2.3 膜結構出入系統(tǒng)

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

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

車輛進出通道外側和內部設有車輛感應裝置及聯(lián)動裝置，當貨車駛向通道并到達指定距離時，系統(tǒng)自動關起駛入通道門，相關一側通道門自動打開，直至車輛駛入通道中的車輛感應區(qū)域，當駛入通道門完全關閉后，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，駛出通道門自動關閉.

2.4 膜結構錨固系統(tǒng)

氣承式膜結構自重較輕，且膜結構內部有長期穩(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，在使用期間還應能夠抵抗通常情況下的內壓荷載及作用力.

錨固基礎一般頂部標高高于地面，是為了充分考慮膜底排水和防水的問題.氣膜基礎預埋件采用預制鋁合金槽鑄件，安裝時將膜邊埋入槽內，底部一般用直徑大于18 mm的橡膠棒或尼龍繩固定，然后在槽內插入木楔塊即可，操作簡單，安裝速度快.

2.5 膜結構防火性能

封閉式儲煤場儲存的介質是易燃易爆的煤炭，膜結構應具有足夠的防火防爆的安全性能.目前，膜結構建(構)筑物相關的消防設計、施工安裝和驗收等方面尚無針對性的國家及行業(yè)標準、規(guī)范.

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

3 氣承式膜結構的優(yōu)點

目前世界經濟正在走向全球化，建筑科技面臨的一個發(fā)展趨勢就是材料開發(fā).膜結構建筑的開發(fā)與應用，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)，使膜結構建筑呈現(xiàn)以下特點：

3.1 良好的經濟性，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、柱等支撐構件及土質基礎的要求也較低，在設計過程中主要考慮的是抗拔力，可以建在較差的地質條件下，節(jié)省了大量人力、物力和財力的投入.通過內設智能監(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

膜結構可以利用工廠生產的特點，做成標準化的產品.膜結構的加工、制作、安裝都較容易，相對于必須在現(xiàn)場施工的鋼結構，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，室內不需要輔助照明，能大大減少室內照明的能量消耗[9].即使室內照明，膜材料具有獨特的發(fā)散光特性，在結構內部產生均勻的漫射光，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.氣膜結構內部無結構件，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)境以及空氣質量能達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設備造成破壞.

3.7 施工安全性高

長時間的高空作業(yè)量比鋼結構要小很多.

4 工程應用中的注意事項

4.1 膜結構的加工制作

氣膜結構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構[10]，所以在膜結構安裝前應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，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)域對應，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進行整體吊裝，將不同的模塊通過壓鑄鋁板進行壓接連接.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?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注意天氣情況，保證整個安裝過程中無4級以上大風和大雨.確認膜面完全密閉后，便可以啟動送風系統(tǒng)對膜結構進行送風，知道膜面達到設計形狀為止.

4.3 膜結構后期保養(yǎng)

膜結構的后期維護和保養(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

膜結構是一種全新的生態(tài)型建筑，設計集合了結構力學、精細化工與材料科學、計算機技術、建筑學等.氣承式膜結構相對于傳統(tǒng)建筑，具有極大的經濟優(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)領域應用較少，僅應用于封閉式儲煤棚工程，考慮到膜結構自身特性，還可以考慮應用于以下一些工業(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

我國對張拉膜結構投入的精力和研究較多，氣承式膜結構相對較少，目前氣承膜結構有許多需要研究和改進的地方，比如如何合理設置內壓和預張力，強度如何進一步提高，穩(wěn)定性如何加強.相信以后結合新型智能技術，像氣膜結構這種無梁無柱的建筑將會更大的發(fā)揮其優(yōu)勢.