谈气膜建筑的应用与前景

孙琳璘　杨　斌

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨　150040)



谈气膜建筑的应用与前景

孙琳璘杨斌

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨150040)

介绍了膜结构的分类情况，分析了常用气膜建筑的膜材特性，结合国内外典型工程的应用实例，总结了气膜建筑的优点，并进一步提出了该类型建筑存在的不足及其发展前景。

膜结构，膜材，气膜建筑

膜结构作为21世纪最具代表性和充满前途的建筑形式，打破了传统建筑纯直线的建筑形式。其造型多呈曲面，造型优美，简洁明快，给人以耳目一新的感觉。虽然膜结构在国内应用的较晚，但是目前的发展速度已经处于世界领先水平。

膜结构是由多种高强膜材料(PVC等)和加强构件(钢架、钢索等)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力，并可用于承受一定外荷载作用的一种空间形式[1]。目前，膜结构被广泛应用于体育馆，会展中心和交通服务设施等大跨度建筑中。

1　膜结构分类

根据受力情况和构造等的不同，膜结构主要分为以下几类(见图1)。

1)张拉膜结构(见图2)。依靠自身张拉力与拉索，支撑杆等共同作用的结构，它是由一组连续的拉杆和连续或不连续的压杆组合而成的。张拉膜结构造型美观，施工精度高，结构性能高，其造价略高于骨架式膜结构。

2)骨架式膜结构(见图3)。钢结构或者其他材料构成了屋顶骨架，并在其上方张拉膜材料构成了骨架式膜结构。该结构主要以骨架作为支撑，膜材料并不起主要的支撑作用。但是膜材料在该结构中发挥了高强度的受力性能，具有采光、挡风等用途。

3)充气膜结构。充气膜结构主要利用的是空气力学原理等，将膜材固定于屋顶结构周边，利用送风机提升室内气压，通过内外压力差来抵抗外力。其主要利用膜材料作为主要的支撑结构，钢结构等起辅助作用，不需要梁或者柱等来支撑，空间利用率更好。

2　常用气膜材料及特点

气膜建筑采用高强度、高柔性的薄膜作为主要材料，被称为“第五代建材”。膜材料由基布(聚酯纤维、玻璃纤维)和涂层(聚氯乙烯、聚四氟乙烯)两部分组成，基层是主要的受力构件，起到承受荷载的作用；而树脂涂层除了用于保护基布外，还可起到防光、防潮等作用。

常用树脂面层为PVC和Teflon：

PVC——聚酯纤维覆聚氯乙烯，强度较低，弹性较大，容易老化，徐变大，自洁能力较差。但是其有便宜易得，颜色美观，抗折叠性能好等优点。可以通过在表面上涂一层聚氯乙烯来提高其抗老化能力，寿命可高达15年。

Teflon——玻璃纤维覆聚氯乙烯，材料强度高，弹性模量大，自洁性能好，防火耐久性能好，适用于永久性建筑。但是其价格较贵，折叠性能较差，施工方便性差，易产生裂缝，导致水分侵蚀基层，强度寿命均降低，可在基层和面层中间涂硅酮防水层来进行预防。

硅酮——新型面层材料，具有优越的柔韧性，透光性和防水性且其施工方便，但是可焊性和自洁性能较差，硅酮有望成为新型的永久性建筑膜。膜材示意图见图4。

3　工程应用实例

充气膜结构因其造型多样性，优越的建筑特性，结构特性，并且具有经济性能良好的优点，而在世界各地得到了广泛的应用。

3.1国外应用实例

气膜建筑首次提出是在1917年，英国人威廉·兰彻斯特发明了一种施工方便，经济性能好的屋面体系，但受到当时技术的限制，没有建造成功。第一个充气膜结构是英国人瓦尔特·博得于1974年建造的多普勒雷达穹顶，该建筑直径15 m，矢高18.3 m，膜材以玻璃纤维为基层，橡胶为涂层。1950年—1970年，在此期间美国、德国出现了大量的穹顶结构，直径最大的达到60 m。1970年日本大阪世博会的召开为气膜建筑的发展提供了契机，日本作为一个多震国家，需要自重较轻并且施工较快的建筑，美国馆作为临时性建筑(见图5)，采用的是PVC的玻璃纤维织物作为涂料，符合要求。并且经过事实验证，这种建筑结构的强度很大，能够抵抗两次时速高达140 km/h以上的台风的考验，人们也通过这个工程开始重视对气膜建筑的发展。

随后充气膜结构得到越来越多的发展，这标志着建筑业从劲性结构向柔性结构的转变与发展，国外也出现了许多标志性的气膜建筑，如1973年美国圣克拉勒大学活动中心，1988年东京后乐园棒球馆等。由于维护不当，充气膜结构的大跨度建筑物经常会出现一些事故，造成一些损失。并且气膜结构在使用过程中需要不间断的提供能源，东京后乐园棒球馆采用的气承式加索混合充气膜结构解决了这个问题，屋顶上采用了先进的自动控制系统，并且采用双层膜材，自动控制内压消除积雪，确保建筑物安全。20世纪90年代后大型气膜建筑较少，随着2006年德国为了迎接世界杯而建造的安联体育场(见图6)，充气膜又重回人们视线。

3.2国内应用实例

气膜建筑在我国国内发展较晚，但发展速度很快。我国最早建成的气膜建筑是1980年建成的上海工业展览馆，其采用的是气承式薄膜建筑物；1996年之前的膜结构在我国应用十分少，直到1997年上海体育场的建成，标志着现代膜结构在我国进入了应用发展阶段，虽然借助了外国的力量，但对我国膜结构的发展产生了深远的影响[2]。

气膜建筑如今在我国已广泛应用于体育领域、高原地区和工业领域等。为人所熟知的气膜建筑有北京中共中央党校气膜网球馆(见图7)，朝阳公园网球馆，青海省高原气膜办公室等。

2008年奥运会的场馆“鸟巢”和“水立方”的围护结构采用的是气囊膜结构(见图8)，水立方整体建筑由3 000多个气枕组成，覆盖面积达10万m2，膜材采用的是目前最先进的ETFE材料，这些建筑也为国内气膜结构的发展起到了推动作用。

4　气膜建筑的优点

1)可以应用在大跨度建筑物中。气膜建筑物自重较轻，单位平方米重量在3 kg以下，目前可以很容易实现180 m的大跨度。并且气膜建筑不需要梁和柱来支撑，有超大的洁净空间并且环境

舒适。由于气膜建筑特殊的结构形式，风荷载作用在其上时，主要承受的力为上扬力，即使在屋顶加层，也不会额外承重，扩大了建筑面积，空间利用率大大提高[3]。

2)经济性能好。气膜建筑采用的膜材材质较轻，并且由于建筑物内没有梁柱等结构，大大节省了所需材料，相对于传统的钢筋混凝土结构来说，造价更加低廉。据统计，一座跨度为40 m，面积为3 000 m2的气膜建筑造价仅相当于传统建筑造价的1/3，经济性能比传统建筑要好。

3)质量较轻且抗拉性能好。用于气膜建筑物的材料通常为薄膜材料，厚度仅0.5 mm，所以相比较传统的钢筋混凝土建筑或钢结构建筑质量要轻得多。并且膜材的抗拉性能很好，相当于钢材的抗拉性能，但是抗压性能较差。

4)节能环保。膜材的涂层具有防紫外线的功能，有较高的反射率和散热率，可以减少阳光热量的导入，并且阻止了室内外热量的交换，起到保温隔热的作用，减少了制冷和供暖设备对电能的消耗。并且施工过程中产生的建筑垃圾较少，节能环保。

5)造型美观。气膜建筑造型新颖独特，可以根据需要设计成各种形状，夜晚在内部照明的作用下，颜色多样化，十分美观。

6)自洁性好、经久耐用。膜材的防护涂层，使得建筑物自洁性能良好，保证使用寿命。而且膜材的抗拉性能较强，所以比较牢固。根据现今的工程实例来说，气膜建筑的使用寿命为30年～40年。

5　结语

5.1不足

1)气候恶劣地区，气膜建筑维护较困难，容易发生损坏事故，原因是“袋装效应”，即膜表面容易积累冰雪下凹，下凹处容易积累更多的冰雪，最终导致膜结构的损坏漏气等。2)我国近年来对张拉膜结构的投入较多，而对气膜建筑投入的精力较少，所以我国在气膜建筑的发展上仍需进行科研研究。3)充气膜由于其材质较轻的缘故，抵抗风荷载能力较差，仍需进一步研究。

5.2发展前景

气膜建筑由于其材质较轻，造型多样化的特点逐渐得到人们的青睐，应用越来越广泛。相对于传统建筑物来说，其经济性能更好，更加节能环保，性价比较高。并且由于其轻质的原因，抗震性能良好，建筑物的综合使用效益相对较高。但是，我国气膜建筑起步较晚，仍有很多需要研究和改进的地方，比如说强度可以进一步提高，稳定性也有待提高。

[1]王恒.充气膜结构的计算机辅助造型与裁剪研究[D].上海：同济大学,2006.

[2]赵大鹏，陈务军，张丽梅.大型充气膜结构及膜材的发展概述[J].建筑施工,2008,30(2)：76.

[3]陈歌，任婷婷，郭磊.气膜建筑详析[J].陕西建筑,2012(8)：206.

Discussion on the application and prospect of air structure

Sun LinlinYang Bin

(CollegeofCivilEngineering,NortheastUniversityofForestry,Harbin150040，China)

The paper introduces membrane structure classification conditions, analyzes common membrane material properties used in air structure, summarizes air structure merits by combining with typical engineering application examples at home and abroad, and finally points out its defects and development prospect.

membrane structure, membrane material, air structure

1009-6825(2016)08-0020-02

2016-01-08

孙琳璘(1995- )，女，在读本科生；杨斌(1994- )，男，在读本科生

TU383

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