膜结构的发展及应用

(成都理工大学 四川 成都 610059)

膜结构是以多种高强度的复合织物膜材为屋顶，与支撑及张拉结构体系通过一定的方式连接产生预应力而形成一定刚度的空间结构承受外荷载作用的结构形式[1]。最早应用于膜建筑结构物中材料是PVC工程膜材料，随着膜结构体系的不断发展促进了膜材的发展，在20世纪70年代研制出种永久性建筑膜材料，英文简称PTFE，此种膜材以玻璃纤维为基材，面层复合上四氟聚酯类材料[2]。

一、膜结构在国外的发展及应用

膜结构在国外的发展较早，在20世纪初期就有人致力于膜结构的研究。最早提出设想和专利的是1917年英国的Willian，他根据类似原理制作行军及野战医院的充气帐篷。棚顶是简单处理的防水织物，在稳定性、强度、使用寿命、舒适度、保暖性等方面，都很难达到常规建筑物的要求。因此在那个时代人们也没有把这类临时性的设施当成建筑物看待[3]。1967年德国学者F.Otto率先制造出的工程膜材料(PVC)，并应用“皂泡理论”模拟膜的表面张力形态，对膜结构进行受力分析及设计，并设计了加拿大Montreal博览会上的德国馆[4]。

膜结构的首次展示是在1970年日本大阪万国博览会。其中最具代表性的是蜗牛壳状富士馆和巨大而扁平的椭圆状美国馆。美国馆采用气承式空气膜结构。这个跨度为140m的展览馆是世界上第一个大跨度的膜结构，首次采用了PVC涂层的玻璃纤维织物。1972年建成的慕尼黑奥林匹克体育场是德国慕尼黑夏季奥运会的主体育场，以颇具革命性的膜结构帐篷式屋顶结构闻名。它有着半透明帐篷形的棚顶，覆盖面积达85,000平方米，整个棚顶呈圆锥形，由网索钢缆组成，每一网格为75×75厘米，网索屋顶镶嵌浅灰棕色丙烯塑料玻璃，用氟丁橡胶卡将玻璃卡在铝框中，使覆盖部分内光线充足且柔和。1999年英国伦敦的“千年穹顶”，千年穹顶(Millennium Dome)是英国政府为迎接21世纪而兴建的标志性建筑。它造型独特，气魄宏伟，辉煌一时，引起了人们的极大关注，许多人称它是20世纪90年代产生的鸿篇巨作[5]。

二、膜结构在国内的发展

膜结构在国内发展起步较晚，始于1996年前后，在这之前只有极少量的采用织物材料制作的小品膜结构建筑。1996年，上海陆家嘴中央绿地公园建成了一个膜结构小品，自此膜结构这一采用特殊织物材料的建筑类型才引起公众和建筑结构专业人士的关注。在1996-1999年，短短三年时间先后建成了影响力较大的大型膜结构建筑，比较具有代表性的由上海八万人体育场、青岛颐中体育场和杭州游泳馆。上海体育场在设计上采用了外环圆形，内环椭圆形，呈波浪式马鞍形的整体结构。观众席上方采用马鞍形大悬挑钢管空间屋盖结构，覆以乳白色薄膜材料，面积为3.6万平方米，主席台正上方的一根最长单臂悬挑梁长73.5米，是典型的张拉式膜结构。青岛颐中体育场的结构支承体系由中心环索及60是个锥状模体组成脊骨式张拉整体式膜结构。平面呈椭圆形，短轴180m，长轴266m。整个膜面均采用的PVC膜材。张拉式膜结构是通过钢架、钢索等对膜面施加预张力使其具有一定刚度并抵抗外荷载的一种结构形式。由于其独特的外观，优良的性能和施工方便等特点在国内得到广泛地应用。2008建成的国家体育场外形结构由巨大的门式钢架组成，屋顶钢结构覆盖双层膜结构，即固定于钢结构上弦之间的透明的上层ETFE膜和固定于钢结构下弦之下及内环侧壁的半透明的下层PTFE声学吊顶。作为2010年上海世博会主入口和主轴线的世博轴也是一个典型的膜结构，是一个集商业、餐饮、娱乐、会展等服务于一体的大型商业、交通综合体。世博轴中膜结构屋顶总长度约840m，最大跨度约97m，膜结构总面积达到64000m2，索单根最长110m，分为结构索和膜面索[6]。上海世博轴的巨型索膜结构建筑安装是世界级的难题，但被建设者攻克了这个难题，成为了世博会一轴四馆五大永久建筑之一。

三、膜结构的分类及优缺点

(一)膜结构分类

膜结构可分为整体张拉式膜结构、骨架支承式膜结构、索系支承式膜结构和空气支承式膜结构。整体张拉式膜结构由钢索和膜组成整体，通过一定的方式给膜面施加一定的预张力形，使其具有一定的形状和刚度，膜结构的曲面单元与其支承体公共构成一个完整的结构受力体系。骨架支承式膜结构主要由两部分组成，一部分是作为承重骨架的刚性构件，一部分是张拉在骨架上的膜材，膜材起到围护结构的作用，骨架可独立形成受力体系。索系支承式膜结构由索、杆和膜构成，其中空间索系及杆为主要承重结构，膜材布置于索系上，膜材与索杆共同受外荷载作用。空气支承式膜结构依靠结构内部的压力保持膜材张力，内设充气装置保持内压，从而保证结构刚度。空气支承式膜结构可分为气承式、气肋式和气枕式。气承式膜结构通过气压控制系统向膜材内充气，保持膜材内外一定的气压差，从而使膜材产生预张力，以保证结构刚度。气肋式和气枕式膜结构是指如同气球一般，将膜材包裹成封闭构件，通过向膜内部充气使膜材产生张力。前者一般由管状膜构件组成，后者一般由枕式膜构件组成。

(二)膜结构的优点

膜结构是一种柔性结构，要形成具有刚度的表面，还需和支撑系统组合，来承受一定的荷载。膜结构作为一种新型的的建筑结构形式，与传统的建筑结构形式相比，膜结构具有很多优点：

1.自重轻、抗震性能好，可用于建造大跨度建筑；

2.结构造型丰富多样，可以充分发挥建筑师的想象力；

3.经济适用，膜材可作为装修材料，减少二次装修费用；

4.建筑膜材表面的防护涂层使其具有良好的自洁功能；

5.施工工期短，膜片的裁剪制作均在工厂完成，现场直接安装；

综上所述，膜结构作为一种新型的建筑结构形式，现在在国内外的发展取得了爆发性的增长，以独特的优势跻身于建筑行业。同时也推动了膜材的发展，膜结构的材料、设计、制作、安装等产业链也已发展形成。目前，我国已有数百家膜结构专业生产企业，每年会建成大量的膜结构建筑。