基本信息
- 项目名称：
- “膜数之家”应急性临时用房的探索与研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 面对自然灾害和其他特殊情况时，人们需要一种区别于“应急居住设施”的“临时用房”以，满足其在较长时间内对于居住的需求。本研究对现有各类临时用房的安全性、可操作性、舒适度以及经济性等指标进行分类比较，在此基础上提出“膜”数之家的设计方案。该方案基于模数化设计，采用充气膜为主的自支撑结构，融入可变表皮、移动底盘和人性化设计等理念，实现了易建造、低成本、舒适化、能回收、高耐候等特征，并通过实验验证了这些特性，进而在应用方案的基础上进行了一系列着眼于社会效益的拓展研究。
- 详细介绍：
- 一、“膜”“术”之家理念提出之背景 设计开始必须阐明两个概念——应急性设施与临时性住宅。 无论何种灾害，应急性赈灾棚成为首先要解决的问题，像体育馆之类的大面积场所则被用来建简易棚屋。然而人们不可能在那样根本无隐私可言的地方长住。而临时住房又不是一两个月就能建好的，于是人们首先搬进便携式房屋，接着住进更长久些的临时住房。经过一两年，当对寓所和房屋的修缮陆续完成，临时住宅的居民们就可以搬回到原来的寓所中去了。无论是自然灾害还是人为灾难，这个过程都是差不多的。只要是涉及建筑与施工，建筑师就会在其中扮演各种角色。但眼下，帐篷成品却是灾区居民的的最佳选择。如果建筑师们能够积极参与，我们就能够设计出更结实耐用、更舒适、更适于居住的临时房屋。基于上述情况，我们进行了一系列的设计研究。 首先，材料要便宜、容易取得；房屋要便于组装，对普通人来说不成为难题；房屋不能做到多舒适，但应满足基本的居住需求，这一点至关重要。同时应该斟酌材料与技术的使用，一旦住户搬走，这些房屋就能得到回收和再利用，要考虑自己动手来改善建筑的性能。 二、“膜”数之家的设计理念解析 1、模数化设计 （1）模数起源 module(模数)一词源出拉丁语modulus，原意是小尺度。模数作为统一构件尺度的最小基本单位，在古代建筑中就已应用。在古希腊罗马建筑中五种古典柱式的高度与柱底直径成倍数关系。中国宋代《营造法式》规定的大木作制度，木构件尺寸都用材份来度量；清工部《工程做法》用斗口作为木构建筑基本模数。1920年，美国人A•F•比米斯首次提出利用模数坐标网格和基本模数值来预制建筑构件。第二次世界大战期间，德国人E•诺伊费特提出了著名的“八分制”，瑞典人贝里瓦尔等提出了综合性模数网格和以10厘米为基本模数值的模数理论。当时建筑工业化尚处在初始阶段，用预制件装配的建筑因造价过高而难于推广。 第二次世界大战后，工业化体系建筑蓬勃兴起，建筑模数受到重视。至60年代，建筑模数有三种理论：比米斯模数、勒•柯布西耶模数、雷纳级数。这些理论对现代建筑模数数列中的叠加原则、倍数原理、优选尺寸等都起过作用。从70年代起，国际标准化组织房屋建筑技术委员会(ISO/TC59)陆续公布了有关建筑模数的一系列规定。建筑模数协调体系已成为国际标准化范围内的一种质量标准。 （2）模数应用 ① 模数数列：在建筑设计中要求用有限的数列作为实际工作的参数，它是运用叠加原则和倍数原理在基本数列基础上发展起来的。中国《建筑模数协调统一标准》(GBJ2-86)中的模数数列表，包括基本模数、扩大模数和分模数，各有适用范围。本设计中基本模数仍为100mm，分模数为1/10M。 ② 模数化网格。由三向直角坐标组成的、三向均为模数尺寸的模数化空间网格，在水平和垂直面上的投影称为模数化网格。网格的单位尺度是基本模数或扩大模数。网格的三个方向或同一方向可以采用不同的扩大模数。网格的基本形式有基本模数化网格和扩大模数化网格两种。本设计拟运用100mm的基本单位网格。 ③ 定位原则。在网格中每个构件都要按三个方向借助于边界定位平面和中线（或偏中线）定位平面来定位。所谓边界定位是指模数化网格线位于构件的边界面，而中线（或偏中线）定位是指模数化网格线位于构件中心线（或偏中心线）。 ④ 公差和接缝。公差是两个允许限值之差，包括制作公差、安装公差、就位公差等。接缝是两个或两个以上相邻构件之间的缝隙。在设计和制造构件时，应考虑到接缝因素。本设计中力求将接缝因素做到最小程度，控制在mm级别上。 （3）模数意义 模数设计是建筑设计标准化，施工机械化、装配化，构件生产工厂化的必由之路。模数化不仅可以节约建筑材料，其对施工速度的影响更是不可估量。最早的例子见于英国伦敦的“水晶宫”，这幢先驱代表性的建筑正是采用了模数化、定型化、装配化的概念，才能在8个月左右就竣工。可以说，模数应用是建筑技术现代化的标志，也是技术和艺术结合的产物。而作为一种临时性、应急性的住宅，施工周期短，速度快，就必然要求必须以模数化、定型化进行设计与操作，从而达到大规模生产、快速建造和装配以及能够方便拆卸和回收的目的。 2、自支撑结构 （1）自支撑结构 在设计的最初，出于对现状应急性住宅内部居住环境的改进，必须对外维护结构进行适当改进。同时为了简化整个应急性住宅的结构，应避免维护结构和支撑结构的分离。因此，产生了充气膜结构作为支撑和维护体系的设想。 （2）膜结构 首先我们给充气膜结构下个定义，即在膜结构中，利用空气压力给膜以张力并以此来抵抗外力作用的结构称为充气膜结构。 第二次世界大战后开始尝试充气膜结构的形式。最初的尝试是在美国的军用设施中实现的。根据美国军队的雷达穹顶、兵营、仓库等的建造经验。沃尔特•巴德认识到了充气膜结构的合理性。1957年，他把自家房屋的游泳池的罩蓬做成了充气膜结构，并且在美国的生活杂志上作了介绍。自此，这种结构始为世人所熟知。 根据力学性质的不同对充气膜结构进行大的分类的话，可分为膜片型结构和构件式充气结构。 膜片型的充气膜结构是固定覆盖宽阔建筑面积的膜材的周边，使膜面内外两侧产生气压差，从而在膜面产生张力。最典型的膜片型结构的例子是向裁剪成穹顶形的膜面内部送入空气使之鼓起形成我们通常所说的空气穹顶。周边牢固固定的两层膜之间充气的充气膜结构，它的各种力学性质和空气穹顶基本相同。这些结构我们称为空气支持结构(air-supported structure)，简称为气承式膜结构。 构件式充气膜结构：对管状膜进行充气使之膨胀，横向架设可以得到粱即充气粱。弯曲的管状膜充气膨胀后形成拱即充气拱。把这些数量众多的充气粱和充气拱并列绑扎起来，就可以创造出独具特色的建筑空闻。有时候并列起来的充气粱或充气拱并不是互相独立的构件式充气膜结构，而是用隔壁区分开的连续的气垫，这种形式也经常用到。构件式充气膜结构，称为空气膨胀膜结构(air-inflated structure)，简称气胀式膜结构。 （3）结构优化 上述的这些充气膜结构中，膜的内部与外部气压之间。有必要使之产生气压差，而气承式膜结构与气胀式膜结构所需要的气压差的数值有很大差异。通常气承式膜结构无论建筑物的规模有多大，所需要的气压差约为0.002--0.010kg/cm²即20-100mm水柱，也就是说此气压差的范围不随建筑物规模的变化而变化。与此相对，气胀式充气膜结构所需要的气压差为01～1kg/cm²即1000-10000mm水柱。 考虑到实际中的应用，本设计中的结构采用构件式充气膜结构，用隔壁区分开，形成连续的构件形式，隔壁区设计加入加强肋，使结构成为双重支撑，以应付更为恶劣的外部环境和突发的各种事件。同时，为了增加内部使用空间，舍弃原本膜结构中更为合理的拱形形式，采用直线型设计。 3、可变性表皮 本设计的支撑结构采用充气膜自支撑，并利用隔壁区加入加强肋。考虑到较长时间的使用需要，拟用双层表皮进行维护。除了膜结构本身已经形成的透光性的维护表皮外，最外层增加一层可变色不透光的pvc夹网布，可以根据外界环境进行更换和拆卸。譬如需要对住宅内部进行整体的日光消毒时，可将外皮拆掉，同时可更换颜色，达到警戒的作用。更换外皮也是进行适当的维护，从而延长住宅的使用寿命，又能够节约成本。 4、移动式底盘 对于大多数的应急性设施和临时性房屋，要么因陋就简地使用地面作为底盘，要么就简单的进行处理，其底盘的设计往往不够重视。倘若要使临时性住宅达到一定的舒适度，就必须重视对底盘的设计，并同时考虑其同样可以便利的拆卸。一个最鲜明的例子是：卢旺达的难民营在进人9月份的雨季以后，联合国难民署提供的“蓝色帐蓬”不仅难以御寒，且防潮性能差，许多人因此患上了肺炎等疾病。因此，底盘的设计是非常重要的一环，再加上底盘和地面接触，为了适应多变的地形需要，应适当调整房屋内地面的平衡。 针对上述要求，我们设计了这样一种底盘：整体可以组装，结构本身自重小，承载力大，搬运方便。基座可以灵活调整，可适当填充各种吸湿性材料，如活性炭甚至干燥的泥土等。 5、人性化设计 设计是人类为了实现某种特定目的而进行的一项创造性活动，是人类得以生存和发展的最基本的活动，它包含于一切人造物品的形成过程之中。设计产生于人的需要，目的在于满足人的需要，即满足人生理和心理的需要、物质和精神的需要。设计的主体是人，设计的使用者和设计者也是人，因此人是设计的中心和尺度。这种尺度既包括生理尺度，又包括心理尺度，而心理尺度的满足是通过设计人性化得以实现的。 本设计从人性化出发，其不仅在安装、拆卸和搬运方面，而且体现在居住使用方面。 首先，简单的搭建技术，无需机械操作的充气结构，连儿童和文化水平较低的人都能迅速组装的技术。其次，利用便宜易得的绿色材料，可以回收和反复利用。其三，临时性住宅除满足人的基本需要，还能适当解决人的心理需求。 三、“膜”数之家的性能 1、室内舒适性分析（以试验数据为依据进行分析叙述） （1）保温、隔热性能分析 空气间层的热阻大，保温隔热性能明显，60mm厚垂直空气间层导热率为1.5W/㎡•K左右（不计辐射）。活动板房或集装箱若用钢板，建筑钢材的导热系数为58.2w/m2•k，虽然木材的导热率大约是0.14 w/m2•k，但是与空气相比，在经济性和普遍性方面有较大的劣势。另一方面，当室内温度比室外温度高时，可打开窗通风和利用烟囱效应抽气散热。实验证明，“膜”数之家将有很好的热工性能。 （2）通风、采光性能分析 大灾之后往往会引起各类疫情，造成疾病的传播，所以通风和卫生条件一定要好。“膜”数之家顶棚上开天窗，利用烟囱效应抽气；墙上开窗引导风流动，可确保室内空气质量。 “膜”数之家中用的膜有一定的透光性，同时上开天窗，墙上亦有窗，故可灵活采光。 （3）地面防潮、吸臭性能分析 在应用材料领域，蜂窝复合材料类似于连续排列的工字钢结构，以其极佳的抗压、抗弯特性和超轻型结构特征而闻名于世。与同类型的实心材料相比，蜂窝材料其强度重量比和刚性重量比在已知材料中均是最高的。蜂窝结构具有许多优越的性能，从力学角度分析，封闭的六角等边蜂窝结构相比其他结构，能以最少的材料获得最大的受力，而蜂窝结构受垂直于板面的载荷时，它的弯曲刚度与同材料、同厚度的实心板相差无几，甚至更高，但其重量却轻70～90%，而且不易变形，不易开裂和断裂，并具有减震、隔音、隔热和极强的耐候性等优点。 因此，将PVC管按蜂窝结构进行排列，将硅胶和活性炭成比例的放入PVC管内，使得底盘具有良好的防潮、吸臭性。 2、“膜”数之家造价分析 采用了低成本的TPU膜（8元/平方），组件模数化。如果批量生产，预计成本价在80—100元/㎡。 3、“膜”数之家——拓展应用 （1）“膜”数之家与地平面之间的连接有多种方式。对于湿热地区或地形复杂的山区，选用可升降支架或加高铺地。干热地区底盘内注水，利用蒸腾原理来降温并调节湿度。多风地区增加斜拉索等等。 （2）应用范围更加广泛：不仅可以用作应急性临时居住设施，同时也可为旅行者提供临时居住用房，其充气模块还可以用作洪水暴发时的救生设施等 （3）为了提高墙体的蓄热性，可以考虑在囊中注水或直接充入惰性气体。 （4）不仅建筑本身构配件可以模块化生产，简单式拼接，该设计还把理念进一步扩展，令其单体建筑本身亦可以进行拼装，变成一系列的住宅，同时形成一定的居住小组团，让受灾民众或旅行者聚集而居，对于灾后或野外的互帮互助，创伤心理的恢复和群体归宿感的激发，有一定积极的作用。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、目的 基于对现存临时性应急居住设施的性能分析，我们试图寻找一种利用空气保温隔热特性及气柱的自支撑性建成的临时性用房。使其能够及时应对自然灾害，并在过渡居住中提供给居民必要的居住条件及一定的舒适性，同时又可满足一定的心理需求。 二、基本思路 分析比较并总结现阶段国内外临时性用房研究及技术，提出充气膜临时用房的概念，确定研究目的和意义。随后着手方案的创作与前期技术攻关，通过模型实验与综合分析来论证方案并作修改，最终使方案完善，对成果作整理。 三、创新点 模数化设计、自支撑结构、可变性表皮、移动式底盘、人性化设计。 四、技术关键 气囊（核心部分）：材料柔韧性要好，但这往往伴随着刚度小易变形的特性。这样的材料特性会导致节点处理困难，气囊壁受力不均且厚度不一致，室内空间形态难以稳定。强风大雪等极端天气条件下这点尤为关键。 五、主要技术指标 1、抗风强度等级。1:3模型的抗风性能实验结果显示，该方案在4-5级风力下墙体产生的偏移较小，保持良好的使用性能。 2、室内外温差和湿度。1:3模型的室内外温、湿度差异的测定实验及其数据分析结果证明：空气膜能够保持室内温、湿度稳定。 3、室内照度等。1:3模型室外引进1100lx的照度时，室内最暗处可达780lx的照度，可满足日常生活的需要。
科学性、先进性
- 1、整个建筑采用统一模数进行设计，使构配件能够以标准化进行生产，适合社会化大生产的条件，在遭遇灾害时能够迅速生产出足够的临时住房； 2、新型材料的TPU薄膜的使用，比现有的材料有更好的综合性能； 3、内外表面覆盖可变性的防火不透光材料，可以进行灵活的开窗设计，同时改变建筑物的透光面积，超越现有各型各类临时住房在采光上的性能； 4、对材料的循环利用作了进一步探讨； 5、该方案的应用范围更加广泛。 6、不仅构配件可以模块化生产，简单式拼接，单体建筑本身亦可以进行拼装，变成一系列的住宅，或组建住宅小区。这对于灾后或野外的互帮互助，心灵创伤的恢复和群体归宿感的激发，都有一定积极的作用。
获奖情况及鉴定结果
- 曾获得校“挑战杯”学生创新项目启动基金 曾获得校“挑战杯”学生课外学术科技作品竞赛特等奖 曾获得“挑战杯”省大学生课外学术科技作品竞赛三等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 全比例实物模型，方案设计图纸， 各种说明性图片图片，项目介绍视频短片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该新型应急性临时用房将模数化、定型化设计思路与性能突出的新型复合材料相结合，从而使其具有以下优势： ①相比现有常规型应急帐篷及临时用房同样便携但更加安全舒适经久耐用，与临时性房屋相比搭建速度更快，拆卸移动更简捷； ②模数化设计优化产品自身空间结构，其结构简洁，能按需调节空间分配，空间利用率大幅提高，同时更具功能性； ③提出了适用性更强的移动式底盘，住户不再接触原始地面； ④人性化设计，满足人体工程学要求，参考心理学相关因素，在满足安全方便舒适实用的同时，也对使用者在心理和精神方面有一定的慰藉作用，这对于家庭野外临时住宿的安全性或灾后重建的心理创伤的恢复和群体归宿感的激发有很大的作用。 ⑤经过相关测试，对于各种气候条件均有一定的适用性； ⑥充分利用新型材料和边角料，规模化生产造价低廉。 基于以上优势所在，该产品具有广阔的市场前景，良好的社会效应及经济效益。
同类课题研究水平概述
- 截至2008年5月，我们查得用于救灾的临时性设施主要有四大类，即帐篷、集装箱、活动板房、纸板及纸筒房。其中，帐篷类临时性设施的优点在于其具有较好的应急性及经济性，但同时也存在着舒适性和耐久性的不足。相对而言，具有较好的舒适性和耐久性的集装箱，活动板房都存在着经济投资大，见效慢的问题。对于灾难中的人们而言，他们所急需的是一种操作简便、造价低廉、可循环利用、安全舒适性高的临时住宅，为解决灾区有可能长达一至两年的居住问题。我们通过对国内外研究及技术现状进行分析总结，具体如下： 一、隔热技术 由于不流动空气的导热系数仅次于真空，保温隔热性能好。该技术对于我们采用空气膜结构研究临时性住房，在技术实验参数上发挥了很好的借鉴作用，为我们提供了专业依据。 二、自充气结构在临时居住设施中的应用 关于采用空气间层保温隔热原理的临时性设施设计，国内仅见于汶川地震后，灾后重建并未能大量投入使用，可以说和我们的研究是平行展开的，其成果一种为气柱框架式帐篷，一种为整体充气帐篷。 其中气柱框架式帐篷在结构上做出了很大改进，但实际的室内舒适程度与普通帐篷无二，并不能满足长达一年的气候适应性要求。而整体式充气帐篷的构思是将侧面墙体与篷盖合为拱体，两端夹层按需要开启门窗，形成整体充气保温隔音的特种帐篷。但是，气囊充气厚度，半圆筒式空间等结构，如果用于民用日常起居，还存在一些不足。 此外还有一种充气建筑，类似于整体式充气帐篷。在1970年的日本大阪的世界博览会中，美国馆便是此类充气建筑的典例。 基于以上对于国内外相关研究及技术的分析总结，我们对课题方向及技术上的相关问题有了较深刻的思考并作出了自己探索。
