膜结构的发展及应用浅谈

摘 要：膜结构是一种以性能优良的织物材料为基础，以利用柔性钢索、刚性支撑结构将面绷紧，或者向膜内充气，由空气压力支撑膜面，从而形成的具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系，是高强质轻的薄膜材料与先进的结构计算方法完美结合的产物。

关键词：膜结构；膜材；建筑

一、材质与结构形式

（一）膜材分类

膜结构能大量推广应用的基础是解决材料问题，其应用的高强度柔韧薄膜称膜材。按涂层材料分，有聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、橡胶等，它的寿命因不同的表面涂层而异，一般为12-50年。现阶段主要应用的两种膜材涂敷聚四氟乙烯（PTFE）的玻璃纤维织物和涂敷聚氯乙烯（PVC）的聚脂织物。

按防火性能分，目前建筑膜材广泛认可的标准是日本JISA-93所规定的A（PTFE）、B、C三类。A类最好，以玻璃纤维织物为基材涂PTFE（永久膜材）与膜材ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）为主。B类其次，以玻璃纤维织物为基材涂PVC而成；玻纤PVC。C类是三类中最次的，以聚酯（涤纶）织物为基材涂PVC而成。

（二）膜结构分类

膜结构按结构可分为：骨格式膜结构、张拉式膜结构、充气式膜结构、组合式膜结构4种形式。

1.骨架式膜结构。以骨架支承膜结构，膜材绷紧在刚性骨架上，刚性骨架是屋盖的主要承重结构，在其上方张拉膜材的构造形式，下部支撑结构安定性高，广泛适用于任何大，小规模的空间。作为覆盖材料的膜材则是局部范围内的承重单元。具有代表性的骨架式膜结构的建筑有日本秋天的“天穹”等。

2.张拉式膜结构。以膜材、钢索及支柱（桅杆、拱或其他刚性构件）构成，其形状似帐篷。结构形成机制与预应力索网相似。除可实践创新且美观的造型外，也是最能展现膜结构精神的构造形式。“只有正确表达结构逻辑的建筑才有强大的说服力与表现力”这句话揭示了张拉膜结构的精髓。因施工精度要求高、结构性能强、具丰富的表现力，所以造价略高于骨架式膜结构。其代表建筑有日本的“白龙穹顶”、美国新丹佛国际机场以及我国在1997年建成的上海的‘八万人体育场等。

3.充气式膜结构。充气式膜结构是将膜材固定于屋顶结构周边，利用送风系统让室内气压上升到一定压力后，使屋顶内外产生压力差，以抵抗外力。因次结构是利用气压来支撑，及钢索作为辅助材，无需任何梁，柱支撑，可得更大的空间，施工快捷，经济效益高。但需维持24小时进行送风机运转，在持续运行及机器维护费用的成本上较高。一般用尼龙薄膜.人造纤维或金属薄片等，表面常涂有各种涂料，这种结构可以达到很大的跨度，安装.充气.拆卸.搬运较方便。其代表建筑有1988年在日本建成的“東京巨蛋”，又称东京棒球馆，我国在08年奥运会建成的“国家游泳中心”又称水立方。

4.组合式膜结构。组合式膜结构通常是在自身稳定的桁架体系基础上划分为若干个单元，每个单元上布置张拉式膜结构单位，膜结构单元之间在受力上基本是互相独立的，受力的复杂性介于张拉式膜结构与骨架式膜结构之间。这种体系在目前膜结构体育场中也有较广泛的应用具有代表性的索穹顶建筑应属1999年英国伦敦的“千年穹顶”。

二、优点与不足

膜结构作为是21世纪最具代表性与充满前途的建筑形式，是一种建筑体系所具有的特性主要取决于其独特的形态及膜材本身的性能。恰由于此，用膜结构可以创造出传统建筑体系无法实现的设计方案。它打破了纯直线建筑风格的模式，以其独有的优美曲面造型，简洁、明快、刚与柔、力与美的完美组合，呈现给人以耳目一新的感觉，同时给建筑设计师提供了更大的想象和创造空间。

（一）经济性

1.造价低，工期短。膜建筑屋面重量仅为常规钢屋面的1/30，这降低了墙体和基础的造价。工程施工过程中膜材裁剪、拼合成型及骨架的钢结构、钢索和制作依设计均可在工厂内完成，在现场只需进行安装作业，与传统建筑的施工周期相比，建筑工期为一般传统建筑工期的30%，而且膜结构能够拆卸，易于搬迁。

2.环保性、透光性、节能性优良。膜材的透光性可以为建筑提供所需的照明度，这对于建筑节能十分重要。膜材有较高的反射性及较低的光吸收率，并且热传导性较低，这极大程度上阻止太阳能进入室内。另外，膜材的半透明性可以充分利用自然光，且具有良好的环保性、透光性、自清洁性。

（二）安全性良好

膜结构建筑所采用的膜材具有卓越的阻燃性和耐高温性，故能很好的满足防火要求。由于结构自重轻，又为柔性结构且有较大变形能力，故抗震性能好。按照现有的各国规范和指南设计的轻型张拉膜结构具有足够的安全性。轻型结构在地震等水平荷载作用下能保持很好的稳定性。柔性膜结构通过变形来适应外荷载，荷载作用方向上的膜面曲率半径会减小，能更有效抵抗该荷载。

（三）耐久性差

膜材在持续的张力状态下容易发生蠕变，预应力损失，膜面发生褶皱，导致整体结构的承载力下降，无法保持原有的形状，另外，长期风、雪等动荷载作用下，轻质膜材容易发生振动，结构的稳定性将受到影响。在温差较大的区域，受天气影响较大。而且现在的膜结构的使用年限非常短，一般只可使用10到25年左右。高度的紫外线照射会引起膜材的褪色。在紫外线照射较强的区域膜材不应采用鲜艳的色彩。

三、结语

时代是不断向前发展的，随着人们环保意识的增强，建筑结构体系也是随着国民经济的发展而不断推陈出新的，城市中已越来越多地可以见到膜结构的身影。膜结构技术发展到今天已引起全世界的注意。随着膜结构技术的不断发展，越来越多的膜结构工程会出现在我们身边。体育馆、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中膜结构已成为结构设计选型中的一个主要方案。解决其在设计和施工中遇到的问题也成为我们下一阶段研究的主要任务之一。不久的将来，膜结构会得到更好的发展和应用。

参考文献

[1] 克劳斯-迈克尔·科赫.膜结构建筑[M].大连理工大学出版社，2007.

作者简介：骆小彬，大连杰威工程造价咨询有限公司。