基本信息
- 項目名稱：
- “膜數(shù)之家”應急性臨時用房的探索與研究
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 面對自然災害和其他特殊情況時，人們需要一種區(qū)別于“應急居住設施”的“臨時用房”以，滿足其在較長時間內(nèi)對于居住的需求。本研究對現(xiàn)有各類臨時用房的安全性、可操作性、舒適度以及經(jīng)濟性等指標進行分類比較，在此基礎上提出“膜”數(shù)之家的設計方案。該方案基于模數(shù)化設計，采用充氣膜為主的自支撐結(jié)構(gòu)，融入可變表皮、移動底盤和人性化設計等理念，實現(xiàn)了易建造、低成本、舒適化、能回收、高耐候等特征，并通過實驗驗證了這些特性，進而在應用方案的基礎上進行了一系列著眼于社會效益的拓展研究。
- 詳細介紹：
- 一、“膜”“術(shù)”之家理念提出之背景 設計開始必須闡明兩個概念——應急性設施與臨時性住宅。 無論何種災害，應急性賑災棚成為首先要解決的問題，像體育館之類的大面積場所則被用來建簡易棚屋。然而人們不可能在那樣根本無隱私可言的地方長住。而臨時住房又不是一兩個月就能建好的，于是人們首先搬進便攜式房屋，接著住進更長久些的臨時住房。經(jīng)過一兩年，當對寓所和房屋的修繕陸續(xù)完成，臨時住宅的居民們就可以搬回到原來的寓所中去了。無論是自然災害還是人為災難，這個過程都是差不多的。只要是涉及建筑與施工，建筑師就會在其中扮演各種角色。但眼下，帳篷成品卻是災區(qū)居民的的最佳選擇。如果建筑師們能夠積極參與，我們就能夠設計出更結(jié)實耐用、更舒適、更適于居住的臨時房屋?；谏鲜銮闆r，我們進行了一系列的設計研究。 首先，材料要便宜、容易取得；房屋要便于組裝，對普通人來說不成為難題；房屋不能做到多舒適，但應滿足基本的居住需求，這一點至關重要。同時應該斟酌材料與技術(shù)的使用，一旦住戶搬走，這些房屋就能得到回收和再利用，要考慮自己動手來改善建筑的性能。 二、“膜”數(shù)之家的設計理念解析 1、模數(shù)化設計 （1）模數(shù)起源 module(模數(shù))一詞源出拉丁語modulus，原意是小尺度。模數(shù)作為統(tǒng)一構(gòu)件尺度的最小基本單位，在古代建筑中就已應用。在古希臘羅馬建筑中五種古典柱式的高度與柱底直徑成倍數(shù)關系。中國宋代《營造法式》規(guī)定的大木作制度，木構(gòu)件尺寸都用材份來度量；清工部《工程做法》用斗口作為木構(gòu)建筑基本模數(shù)。1920年，美國人A?F?比米斯首次提出利用模數(shù)坐標網(wǎng)格和基本模數(shù)值來預制建筑構(gòu)件。第二次世界大戰(zhàn)期間，德國人E?諾伊費特提出了著名的“八分制”，瑞典人貝里瓦爾等提出了綜合性模數(shù)網(wǎng)格和以10厘米為基本模數(shù)值的模數(shù)理論。當時建筑工業(yè)化尚處在初始階段，用預制件裝配的建筑因造價過高而難于推廣。 第二次世界大戰(zhàn)后，工業(yè)化體系建筑蓬勃興起，建筑模數(shù)受到重視。至60年代，建筑模數(shù)有三種理論：比米斯模數(shù)、勒?柯布西耶模數(shù)、雷納級數(shù)。這些理論對現(xiàn)代建筑模數(shù)數(shù)列中的疊加原則、倍數(shù)原理、優(yōu)選尺寸等都起過作用。從70年代起，國際標準化組織房屋建筑技術(shù)委員會(ISO/TC59)陸續(xù)公布了有關建筑模數(shù)的一系列規(guī)定。建筑模數(shù)協(xié)調(diào)體系已成為國際標準化范圍內(nèi)的一種質(zhì)量標準。 （2）模數(shù)應用 ① 模數(shù)數(shù)列：在建筑設計中要求用有限的數(shù)列作為實際工作的參數(shù)，它是運用疊加原則和倍數(shù)原理在基本數(shù)列基礎上發(fā)展起來的。中國《建筑模數(shù)協(xié)調(diào)統(tǒng)一標準》(GBJ2-86)中的模數(shù)數(shù)列表，包括基本模數(shù)、擴大模數(shù)和分模數(shù)，各有適用范圍。本設計中基本模數(shù)仍為100mm，分模數(shù)為1/10M。 ② 模數(shù)化網(wǎng)格。由三向直角坐標組成的、三向均為模數(shù)尺寸的模數(shù)化空間網(wǎng)格，在水平和垂直面上的投影稱為模數(shù)化網(wǎng)格。網(wǎng)格的單位尺度是基本模數(shù)或擴大模數(shù)。網(wǎng)格的三個方向或同一方向可以采用不同的擴大模數(shù)。網(wǎng)格的基本形式有基本模數(shù)化網(wǎng)格和擴大模數(shù)化網(wǎng)格兩種。本設計擬運用100mm的基本單位網(wǎng)格。 ③ 定位原則。在網(wǎng)格中每個構(gòu)件都要按三個方向借助于邊界定位平面和中線（或偏中線）定位平面來定位。所謂邊界定位是指模數(shù)化網(wǎng)格線位于構(gòu)件的邊界面，而中線（或偏中線）定位是指模數(shù)化網(wǎng)格線位于構(gòu)件中心線（或偏中心線）。 ④ 公差和接縫。公差是兩個允許限值之差，包括制作公差、安裝公差、就位公差等。接縫是兩個或兩個以上相鄰構(gòu)件之間的縫隙。在設計和制造構(gòu)件時，應考慮到接縫因素。本設計中力求將接縫因素做到最小程度，控制在mm級別上。 （3）模數(shù)意義 模數(shù)設計是建筑設計標準化，施工機械化、裝配化，構(gòu)件生產(chǎn)工廠化的必由之路。模數(shù)化不僅可以節(jié)約建筑材料，其對施工速度的影響更是不可估量。最早的例子見于英國倫敦的“水晶宮”，這幢先驅(qū)代表性的建筑正是采用了模數(shù)化、定型化、裝配化的概念，才能在8個月左右就竣工?？梢哉f，模數(shù)應用是建筑技術(shù)現(xiàn)代化的標志，也是技術(shù)和藝術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。而作為一種臨時性、應急性的住宅，施工周期短，速度快，就必然要求必須以模數(shù)化、定型化進行設計與操作，從而達到大規(guī)模生產(chǎn)、快速建造和裝配以及能夠方便拆卸和回收的目的。 2、自支撐結(jié)構(gòu) （1）自支撐結(jié)構(gòu) 在設計的最初，出于對現(xiàn)狀應急性住宅內(nèi)部居住環(huán)境的改進，必須對外維護結(jié)構(gòu)進行適當改進。同時為了簡化整個應急性住宅的結(jié)構(gòu)，應避免維護結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的分離。因此，產(chǎn)生了充氣膜結(jié)構(gòu)作為支撐和維護體系的設想。 （2）膜結(jié)構(gòu) 首先我們給充氣膜結(jié)構(gòu)下個定義，即在膜結(jié)構(gòu)中，利用空氣壓力給膜以張力并以此來抵抗外力作用的結(jié)構(gòu)稱為充氣膜結(jié)構(gòu)。 第二次世界大戰(zhàn)后開始嘗試充氣膜結(jié)構(gòu)的形式。最初的嘗試是在美國的軍用設施中實現(xiàn)的。根據(jù)美國軍隊的雷達穹頂、兵營、倉庫等的建造經(jīng)驗。沃爾特?巴德認識到了充氣膜結(jié)構(gòu)的合理性。1957年，他把自家房屋的游泳池的罩蓬做成了充氣膜結(jié)構(gòu)，并且在美國的生活雜志上作了介紹。自此，這種結(jié)構(gòu)始為世人所熟知。 根據(jù)力學性質(zhì)的不同對充氣膜結(jié)構(gòu)進行大的分類的話，可分為膜片型結(jié)構(gòu)和構(gòu)件式充氣結(jié)構(gòu)。 膜片型的充氣膜結(jié)構(gòu)是固定覆蓋寬闊建筑面積的膜材的周邊，使膜面內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生氣壓差，從而在膜面產(chǎn)生張力。最典型的膜片型結(jié)構(gòu)的例子是向裁剪成穹頂形的膜面內(nèi)部送入空氣使之鼓起形成我們通常所說的空氣穹頂。周邊牢固固定的兩層膜之間充氣的充氣膜結(jié)構(gòu)，它的各種力學性質(zhì)和空氣穹頂基本相同。這些結(jié)構(gòu)我們稱為空氣支持結(jié)構(gòu)(air-supported structure)，簡稱為氣承式膜結(jié)構(gòu)。 構(gòu)件式充氣膜結(jié)構(gòu)：對管狀膜進行充氣使之膨脹，橫向架設可以得到粱即充氣粱。彎曲的管狀膜充氣膨脹后形成拱即充氣拱。把這些數(shù)量眾多的充氣粱和充氣拱并列綁扎起來，就可以創(chuàng)造出獨具特色的建筑空聞。有時候并列起來的充氣粱或充氣拱并不是互相獨立的構(gòu)件式充氣膜結(jié)構(gòu)，而是用隔壁區(qū)分開的連續(xù)的氣墊，這種形式也經(jīng)常用到。構(gòu)件式充氣膜結(jié)構(gòu)，稱為空氣膨脹膜結(jié)構(gòu)(air-inflated structure)，簡稱氣脹式膜結(jié)構(gòu)。 （3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化 上述的這些充氣膜結(jié)構(gòu)中，膜的內(nèi)部與外部氣壓之間。有必要使之產(chǎn)生氣壓差，而氣承式膜結(jié)構(gòu)與氣脹式膜結(jié)構(gòu)所需要的氣壓差的數(shù)值有很大差異。通常氣承式膜結(jié)構(gòu)無論建筑物的規(guī)模有多大，所需要的氣壓差約為0.002--0.010kg/cm2即20-100mm水柱，也就是說此氣壓差的范圍不隨建筑物規(guī)模的變化而變化。與此相對，氣脹式充氣膜結(jié)構(gòu)所需要的氣壓差為01～1kg/cm2即1000-10000mm水柱。 考慮到實際中的應用，本設計中的結(jié)構(gòu)采用構(gòu)件式充氣膜結(jié)構(gòu)，用隔壁區(qū)分開，形成連續(xù)的構(gòu)件形式，隔壁區(qū)設計加入加強肋，使結(jié)構(gòu)成為雙重支撐，以應付更為惡劣的外部環(huán)境和突發(fā)的各種事件。同時，為了增加內(nèi)部使用空間，舍棄原本膜結(jié)構(gòu)中更為合理的拱形形式，采用直線型設計。 3、可變性表皮 本設計的支撐結(jié)構(gòu)采用充氣膜自支撐，并利用隔壁區(qū)加入加強肋。考慮到較長時間的使用需要，擬用雙層表皮進行維護。除了膜結(jié)構(gòu)本身已經(jīng)形成的透光性的維護表皮外，最外層增加一層可變色不透光的pvc夾網(wǎng)布，可以根據(jù)外界環(huán)境進行更換和拆卸。譬如需要對住宅內(nèi)部進行整體的日光消毒時，可將外皮拆掉，同時可更換顏色，達到警戒的作用。更換外皮也是進行適當?shù)木S護，從而延長住宅的使用壽命，又能夠節(jié)約成本。 4、移動式底盤 對于大多數(shù)的應急性設施和臨時性房屋，要么因陋就簡地使用地面作為底盤，要么就簡單的進行處理，其底盤的設計往往不夠重視。倘若要使臨時性住宅達到一定的舒適度，就必須重視對底盤的設計，并同時考慮其同樣可以便利的拆卸。一個最鮮明的例子是：盧旺達的難民營在進人9月份的雨季以后，聯(lián)合國難民署提供的“藍色帳蓬”不僅難以御寒，且防潮性能差，許多人因此患上了肺炎等疾病。因此，底盤的設計是非常重要的一環(huán)，再加上底盤和地面接觸，為了適應多變的地形需要，應適當調(diào)整房屋內(nèi)地面的平衡。 針對上述要求，我們設計了這樣一種底盤：整體可以組裝，結(jié)構(gòu)本身自重小，承載力大，搬運方便?；梢造`活調(diào)整，可適當填充各種吸濕性材料，如活性炭甚至干燥的泥土等。 5、人性化設計 設計是人類為了實現(xiàn)某種特定目的而進行的一項創(chuàng)造性活動，是人類得以生存和發(fā)展的最基本的活動，它包含于一切人造物品的形成過程之中。設計產(chǎn)生于人的需要，目的在于滿足人的需要，即滿足人生理和心理的需要、物質(zhì)和精神的需要。設計的主體是人，設計的使用者和設計者也是人，因此人是設計的中心和尺度。這種尺度既包括生理尺度，又包括心理尺度，而心理尺度的滿足是通過設計人性化得以實現(xiàn)的。 本設計從人性化出發(fā)，其不僅在安裝、拆卸和搬運方面，而且體現(xiàn)在居住使用方面。 首先，簡單的搭建技術(shù)，無需機械操作的充氣結(jié)構(gòu)，連兒童和文化水平較低的人都能迅速組裝的技術(shù)。其次，利用便宜易得的綠色材料，可以回收和反復利用。其三，臨時性住宅除滿足人的基本需要，還能適當解決人的心理需求。 三、“膜”數(shù)之家的性能 1、室內(nèi)舒適性分析（以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)進行分析敘述） （1）保溫、隔熱性能分析 空氣間層的熱阻大，保溫隔熱性能明顯，60mm厚垂直空氣間層導熱率為1.5W/㎡?K左右（不計輻射）?；顒影宸炕蚣b箱若用鋼板，建筑鋼材的導熱系數(shù)為58.2w/m2?k，雖然木材的導熱率大約是0.14 w/m2?k，但是與空氣相比，在經(jīng)濟性和普遍性方面有較大的劣勢。另一方面，當室內(nèi)溫度比室外溫度高時，可打開窗通風和利用煙囪效應抽氣散熱。實驗證明，“膜”數(shù)之家將有很好的熱工性能。 （2）通風、采光性能分析 大災之后往往會引起各類疫情，造成疾病的傳播，所以通風和衛(wèi)生條件一定要好?！澳ぁ睌?shù)之家頂棚上開天窗，利用煙囪效應抽氣；墻上開窗引導風流動，可確保室內(nèi)空氣質(zhì)量。 “膜”數(shù)之家中用的膜有一定的透光性，同時上開天窗，墻上亦有窗，故可靈活采光。 （3）地面防潮、吸臭性能分析 在應用材料領域，蜂窩復合材料類似于連續(xù)排列的工字鋼結(jié)構(gòu)，以其極佳的抗壓、抗彎特性和超輕型結(jié)構(gòu)特征而聞名于世。與同類型的實心材料相比，蜂窩材料其強度重量比和剛性重量比在已知材料中均是最高的。蜂窩結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)越的性能，從力學角度分析，封閉的六角等邊蜂窩結(jié)構(gòu)相比其他結(jié)構(gòu)，能以最少的材料獲得最大的受力，而蜂窩結(jié)構(gòu)受垂直于板面的載荷時，它的彎曲剛度與同材料、同厚度的實心板相差無幾，甚至更高，但其重量卻輕70～90%，而且不易變形，不易開裂和斷裂，并具有減震、隔音、隔熱和極強的耐候性等優(yōu)點。 因此，將PVC管按蜂窩結(jié)構(gòu)進行排列，將硅膠和活性炭成比例的放入PVC管內(nèi)，使得底盤具有良好的防潮、吸臭性。 2、“膜”數(shù)之家造價分析 采用了低成本的TPU膜（8元/平方），組件模數(shù)化。如果批量生產(chǎn)，預計成本價在80—100元/㎡。 3、“膜”數(shù)之家——拓展應用 （1）“膜”數(shù)之家與地平面之間的連接有多種方式。對于濕熱地區(qū)或地形復雜的山區(qū)，選用可升降支架或加高鋪地。干熱地區(qū)底盤內(nèi)注水，利用蒸騰原理來降溫并調(diào)節(jié)濕度。多風地區(qū)增加斜拉索等等。 （2）應用范圍更加廣泛：不僅可以用作應急性臨時居住設施，同時也可為旅行者提供臨時居住用房，其充氣模塊還可以用作洪水暴發(fā)時的救生設施等 （3）為了提高墻體的蓄熱性，可以考慮在囊中注水或直接充入惰性氣體。 （4）不僅建筑本身構(gòu)配件可以模塊化生產(chǎn)，簡單式拼接，該設計還把理念進一步擴展，令其單體建筑本身亦可以進行拼裝，變成一系列的住宅，同時形成一定的居住小組團，讓受災民眾或旅行者聚集而居，對于災后或野外的互幫互助，創(chuàng)傷心理的恢復和群體歸宿感的激發(fā)，有一定積極的作用。
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作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關鍵和主要技術(shù)指標
- 一、目的 基于對現(xiàn)存臨時性應急居住設施的性能分析，我們試圖尋找一種利用空氣保溫隔熱特性及氣柱的自支撐性建成的臨時性用房。使其能夠及時應對自然災害，并在過渡居住中提供給居民必要的居住條件及一定的舒適性，同時又可滿足一定的心理需求。 二、基本思路 分析比較并總結(jié)現(xiàn)階段國內(nèi)外臨時性用房研究及技術(shù)，提出充氣膜臨時用房的概念，確定研究目的和意義。隨后著手方案的創(chuàng)作與前期技術(shù)攻關，通過模型實驗與綜合分析來論證方案并作修改，最終使方案完善，對成果作整理。 三、創(chuàng)新點 模數(shù)化設計、自支撐結(jié)構(gòu)、可變性表皮、移動式底盤、人性化設計。 四、技術(shù)關鍵 氣囊（核心部分）：材料柔韌性要好，但這往往伴隨著剛度小易變形的特性。這樣的材料特性會導致節(jié)點處理困難，氣囊壁受力不均且厚度不一致，室內(nèi)空間形態(tài)難以穩(wěn)定。強風大雪等極端天氣條件下這點尤為關鍵。 五、主要技術(shù)指標 1、抗風強度等級。1:3模型的抗風性能實驗結(jié)果顯示，該方案在4-5級風力下墻體產(chǎn)生的偏移較小，保持良好的使用性能。 2、室內(nèi)外溫差和濕度。1:3模型的室內(nèi)外溫、濕度差異的測定實驗及其數(shù)據(jù)分析結(jié)果證明：空氣膜能夠保持室內(nèi)溫、濕度穩(wěn)定。 3、室內(nèi)照度等。1:3模型室外引進1100lx的照度時，室內(nèi)最暗處可達780lx的照度，可滿足日常生活的需要。
科學性、先進性
- 1、整個建筑采用統(tǒng)一模數(shù)進行設計，使構(gòu)配件能夠以標準化進行生產(chǎn)，適合社會化大生產(chǎn)的條件，在遭遇災害時能夠迅速生產(chǎn)出足夠的臨時住房； 2、新型材料的TPU薄膜的使用，比現(xiàn)有的材料有更好的綜合性能； 3、內(nèi)外表面覆蓋可變性的防火不透光材料，可以進行靈活的開窗設計，同時改變建筑物的透光面積，超越現(xiàn)有各型各類臨時住房在采光上的性能； 4、對材料的循環(huán)利用作了進一步探討； 5、該方案的應用范圍更加廣泛。 6、不僅構(gòu)配件可以模塊化生產(chǎn)，簡單式拼接，單體建筑本身亦可以進行拼裝，變成一系列的住宅，或組建住宅小區(qū)。這對于災后或野外的互幫互助，心靈創(chuàng)傷的恢復和群體歸宿感的激發(fā)，都有一定積極的作用。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 曾獲得?！疤魬?zhàn)杯”學生創(chuàng)新項目啟動基金 曾獲得校“挑戰(zhàn)杯”學生課外學術(shù)科技作品競賽特等獎 曾獲得“挑戰(zhàn)杯”省大學生課外學術(shù)科技作品競賽三等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 全比例實物模型，方案設計圖紙， 各種說明性圖片圖片，項目介紹視頻短片
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 該新型應急性臨時用房將模數(shù)化、定型化設計思路與性能突出的新型復合材料相結(jié)合，從而使其具有以下優(yōu)勢： ①相比現(xiàn)有常規(guī)型應急帳篷及臨時用房同樣便攜但更加安全舒適經(jīng)久耐用，與臨時性房屋相比搭建速度更快，拆卸移動更簡捷； ②模數(shù)化設計優(yōu)化產(chǎn)品自身空間結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡潔，能按需調(diào)節(jié)空間分配，空間利用率大幅提高，同時更具功能性； ③提出了適用性更強的移動式底盤，住戶不再接觸原始地面； ④人性化設計，滿足人體工程學要求，參考心理學相關因素，在滿足安全方便舒適實用的同時，也對使用者在心理和精神方面有一定的慰藉作用，這對于家庭野外臨時住宿的安全性或災后重建的心理創(chuàng)傷的恢復和群體歸宿感的激發(fā)有很大的作用。 ⑤經(jīng)過相關測試，對于各種氣候條件均有一定的適用性； ⑥充分利用新型材料和邊角料，規(guī)?；a(chǎn)造價低廉。 基于以上優(yōu)勢所在，該產(chǎn)品具有廣闊的市場前景，良好的社會效應及經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 截至2008年5月，我們查得用于救災的臨時性設施主要有四大類，即帳篷、集裝箱、活動板房、紙板及紙筒房。其中，帳篷類臨時性設施的優(yōu)點在于其具有較好的應急性及經(jīng)濟性，但同時也存在著舒適性和耐久性的不足。相對而言，具有較好的舒適性和耐久性的集裝箱，活動板房都存在著經(jīng)濟投資大，見效慢的問題。對于災難中的人們而言，他們所急需的是一種操作簡便、造價低廉、可循環(huán)利用、安全舒適性高的臨時住宅，為解決災區(qū)有可能長達一至兩年的居住問題。我們通過對國內(nèi)外研究及技術(shù)現(xiàn)狀進行分析總結(jié)，具體如下： 一、隔熱技術(shù) 由于不流動空氣的導熱系數(shù)僅次于真空，保溫隔熱性能好。該技術(shù)對于我們采用空氣膜結(jié)構(gòu)研究臨時性住房，在技術(shù)實驗參數(shù)上發(fā)揮了很好的借鑒作用，為我們提供了專業(yè)依據(jù)。 二、自充氣結(jié)構(gòu)在臨時居住設施中的應用 關于采用空氣間層保溫隔熱原理的臨時性設施設計，國內(nèi)僅見于汶川地震后，災后重建并未能大量投入使用，可以說和我們的研究是平行展開的，其成果一種為氣柱框架式帳篷，一種為整體充氣帳篷。 其中氣柱框架式帳篷在結(jié)構(gòu)上做出了很大改進，但實際的室內(nèi)舒適程度與普通帳篷無二，并不能滿足長達一年的氣候適應性要求。而整體式充氣帳篷的構(gòu)思是將側(cè)面墻體與篷蓋合為拱體，兩端夾層按需要開啟門窗，形成整體充氣保溫隔音的特種帳篷。但是，氣囊充氣厚度，半圓筒式空間等結(jié)構(gòu)，如果用于民用日常起居，還存在一些不足。 此外還有一種充氣建筑，類似于整體式充氣帳篷。在1970年的日本大阪的世界博覽會中，美國館便是此類充氣建筑的典例。 基于以上對于國內(nèi)外相關研究及技術(shù)的分析總結(jié)，我們對課題方向及技術(shù)上的相關問題有了較深刻的思考并作出了自己探索。
