张拉膜结构的概念设计

李英男 许元抚

摘 要：随着我国经济的快速发展，建筑行业得到了很大的进步。在建筑结构设计中，张拉膜结构设计是十分重要的，我们应该加以重视。文章主要阐述了建筑设计中的张拉膜结构的概念设计相关内容，供大家参考。

关键词：张拉膜结构；概念；设计

1 膜结构以其构造来看，大致可分为骨架式、张拉式、充气式膜结构3种形式：

1.1 骨架式膜结构

以钢构或是集成材构成的屋顶骨架后，在其上方张拉膜材的构造形式，下部支撑结构安定性高，由于屋顶的造型非常的单一，在开口的地方不会受到影响，而且它的经济性合理，能够适合用到各种面积之中。

1.2 张拉式膜结构

以膜材、钢索及支柱构成，利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安定的形式。其不但具有创新性，而且它的外形非常美观，而且还是最具有膜结构的一种类型。近年来，大型跨距空间也多采用以钢索与压缩材构成钢索网来支撑上部膜材的形式。由于建设活动的精确性比较好，而且构造的性能很优秀，同时它的表现力也是很好的，因此它在成本上要稍微的比上一种要低一些。

1.3 充气式膜结构

它是说把膜材设置在屋顶的构造附近，使用送风体系确保物种的气压增加到适当的压力，此时屋内外就会存在压力差值，这样就能应对外力现象，由于它是使用气压来维持，并且用钢索当成是配合材料的，所以不需要任何的梁或者是柱等，所以它的空间更宽，而且建设活动很方便，利润比较好，不过要确保送风设备持续的运作一天，其运行以及维护资金非常多。

2 关于材料

用到结构中的材料有着非常优秀的强度，而且它的柔韧性非常高，是由纤维编织成织物基材，在其基材两面以树脂为涂层材所加工固定而成的材料，中心的织物基材分为聚酯纤维及玻璃纤维，而作为涂层材使用的树脂有聚氯乙烯树脂、硅酮及聚四氟乙烯树脂，在力学上织物基材及涂层材分别具有影响下列的功能性质。

织物基材——抗拉强度，抗撕裂强度，耐热性，耐久性，防火性。

涂层材——耐候性，防污性，加工性，耐水性，耐品，透光性。

3 合理的选取材料

用到建设中的材料，由于它们的层材是不一样的，所以分成PVC膜与PTEF膜，在选材的时候，要充分的分析建筑的面积以及使用方向以及使用的时间等等的多项内容。

PVC膜：其在材料和制作上都较之于另外的一种要节省，而且它的优势比较多，比如质地较软，而且便于开展建设工作。不过它也存在一些问题，比如强度以及使用时间和耐火性等方面都较之于另外的一种要差一些。PVC膜材是由聚脂纤维织物加上PVC涂层而成，普通建筑使用的材料，是在PVC涂层材的表面处理上，涂以数micron厚的压克力树脂，进而提升它的防污特征。不过，当长久的使用之后，它就容易掉色，而且会变脏，质量也不如之前好。常见的这类材料的使用时间比较久，由于运行的环境不一样，一般在五到八年之间。为提升其耐候性特征，近年来已研发出以氟素系树脂于PVC涂层材的表面处理上做涂层，这样可提升它的耐候性特点。

PVDF PVDF是二氟化树脂的略称，在PVC膜表面处理上加以PVDF树脂涂层的材料称为PVDF膜。它和普通的PVC比对来看，其持续时间更久，一般可以达到七年到十年之间。

PVF PVF是一氟化树脂的略称。PVF膜材是在PVC膜的表面处理上以PVF树脂做薄膜状薄片加工，它比前一种更加的持久，而且更能应对污染。不过由于它的制作性和实用性以及耐火性等都不是非常的优秀，所有它的使用方向受到一定的局限。

PTFE膜：PTFE膜是在超细玻璃纤维织物上，涂以聚四氟乙烯树脂而成的材料。它的优势在于它的持续性高，而且能够防火，最主要的是它的抗污染的水平很好。不过PVC比对来看，它的原料费用以及制作费用等都非常高，而且不是很柔软，在建设的时候，为了防止纤维受损，得用专门的设备和工艺处理。

耐久性：涂层材的PTFE对酸、硷等化学物质及紫外线非常安定，不会出现变色等现象。而且纤维持续用后，不易导致它的强度变低。它的色泽通常是白色的，而且透光性非常好，可以使用长达二十五年时间。

防污性：因涂层材为聚四氟乙烯树脂，其不具有较高的摩擦性，因此不容易被脏物影响，使用雨水等就可以清洗。

防火性：它合乎全部的防火材料的特征，能够代替别的物质来运行。

4 工程应用

体育设施-体育场馆、健身中心等交通设施-机场、火车站、公交车站、高速公路收费站、加油站等文化设施-展览中心、剧场、博物馆、动物园等景观设施-建筑入口、泳池小品、小区长廊、户外广场、标识性建筑等商业设施-购物中心、餐厅、步行街等工业设施-工厂、仓库、污水处理中心、物流中心、温室等。

张拉膜结构的概念设计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。针对这种结构来说，所有的支撑以及装饰等都米有实际的意义，它的构造本来就已经完美的体现了一切的内涵。或者说，所有的不合乎构造的造型都没有意义，主要是由于那种膜要不就是乱飘，要不就是不稳定。文章讲述的这种材料本身就是融合了力和形。

张拉膜结构的基本组成单元通常有：膜材、索与支承结构。在砖、石等五种材料之后，膜材开始融入到建设活动中，成为第六类材料。其本来不可以受压，而且也不可以被弯折。因此要想确保其运作合理，就应该合理的引入预张力。除此之外，要想确保其活动合理的另一个特征即是要形成互反曲面。在以往的结构中，为降低变形现象，就要提升结构自身的抗力特点。因为膜结构是经由形状的变化而将力扩散开来，从而获得最小内力增长的。如果它在水平方位周围发生了变化的话，就会出现两类回复力，第一种是通过变形而导致的。第二种是通过材料而导致的。一般来说，它的几何刚度要大大的超过它的弹性的刚度，因此要确保所有的膜片有着优秀的刚度，就应尽量形成负高斯曲面，即沿对角方向分别形成“高点”和“低点”。“高点”通常是由桅杆来提供的，或许是因为这种问题，一些材料中也将其成为悬挂膜结构。

索作为膜材的弹性边界，将膜材划分为一系列膜片，从而减小了膜材的自由支承长度，使薄膜表面更易形成较大的曲率。有文献指出，膜材的自由支承长度不宜超过15米，且单片膜的覆盖面积不宜大于500平米。此外，索的另一个重要作用就是对桅杆等支承结构提供附加支撑，进而确保不会由于其破损而导致构造出现塌陷等问题。

对于其设计来说，要注重如下的要素：

（1）初始态分析：确保生成形状稳定、应力分布均匀的三维平衡曲面，而且可以应对多种情况中的受力性，其实多次修正的活动。

（2）荷载态分析：张拉膜结构自身重量很轻，仅为钢结构的1/5，混凝土结构的1/40；所以它能够很好地应对地震，同时对风的影响也很敏感。除此之外，还要分析到雪等的作用。因为现在来讲可以观测的内容不是很全面，故对膜结构的设计通常采用安全系数法。

（3）主要结构构件尺寸的确定，及对支承结构的有限元分析。如果设计措施和它的构造不一样的话，要落实好多种设计措施间的参数变化。

（4）连接设计：包括螺栓、焊缝和次要构件尺寸。

其在方案时期的时候要落实好如下的内容：

（1）预张力的大小及张拉方式；（2）持久性和耐火性；（3）分析到膜面的形状，防止出现存水现象；（4）关键节点的设计，以避免应力集中；（5）考虑膜材的运输和吊装。

在设计的时候，要分析如下内容：

（1）确保其曲率是合理的，这样可以得到非常高的刚度；（2）将支撑合理的细化，这样就能够体现清晰的空间以及灵便的体形；（3）降低膜和结构之间的连接，减少活动量。

其探索的关键事项：

（1）找形；（2）考虑膜材松弛和各向异性下的结构响应；（3）当受到风的影响时，其稳定性如何；（4）裁剪优化。