21世纪膜结构介绍

      20世纪60年代随着现代柔性建筑材料的发展，建筑师们从帐篷着一最古老的简单建筑结构出发，构造出了魔幻般的形式--膜结构。膜结构建筑是一种全新的建筑结构形式，它以优良的织物为材料，利用柔性钢索或刚性支撑结构，将织物绷紧，从而形成一定刚度，张力，能覆盖大跨度间的结构体系,是可以构成单曲面，多曲面等不同建筑结构形式，满足了建筑师们对建筑与美学高度统一的要求。我国的膜结构近十年里得到飞速发展，全国各地在建和已建的膜结构场馆、小品不计其数，最为大家熟悉和深刻的为“2008年北京奥运会的国家体育场(鸟巢)、国家大剧院、国家游泳中心(水立方)”。

膜结构的形式与分类

      薄膜结构的结构形式千变万化，根据不同的支承方式，通常将其分为空气支承结构（充气膜结构）、张拉式结构及骨架支承膜结构三大类。

1．气承式：是利用薄膜内外的空气压差来稳定膜面以承受外荷载的结构形式。

2．张拉式（索网式、脊谷式）：是由索网结构发展而来的，指依靠薄膜自身的预张力与拉索、支柱共同作用构成的结构体系。它的结构加大了建筑形象的可塑性，结构形式的灵活性的适应性，决定了建筑应用中的广泛性。它的表现性强，结构性能强，施工精度要求高。

3．骨架式：是指以刚性结构（通常为钢结构）为承重骨架、并在骨架上敷设张紧的膜材的结构形式。主体结构由刚性骨架（空间网格结构）形成，膜材作为覆盖材料，受力方式靠膜材受力后的变形来抵抗外荷载，并传递给主体结构。

膜结构的建筑语言

      在更高层次上达到建筑与艺术的高度和和谐统一，在建筑语言特征上，呈现明显的理性技术表现倾向。高耸的桅杆、异型空间的钢构体系、坚如射束的钢索、富有机械艺术魅力的钢制节点、充满张力、曲线的变幻膜体以及其它建筑技术可望不可及的大跨度自由空间，使膜建筑更富有理性技术逻辑的表现特征。

膜结构的特点

与传统结构相比，膜结构有以下主要特点：

1．自重轻，跨度大。以建筑织物制成的薄膜结构的突出特点是自重轻，与传统结构相比有数量级的差别，可以轻易地跨虎较大的跨度。

2．建筑造型自由丰富。膜结构建筑造型丰富多彩、新颖独特，富有时代气息，打破了传统建筑形态的模式，给人耳目一新的感觉。

3．施工方便。膜材的裁剪、粘合等工作主要在工厂完成，并包装成膜成品运至现场,相比其他由工厂制作的构件、运输、搬运都更方便。

4．经济性。膜结构中的膜材料既是承载构件，又是屋面围护材料，本身还是良好的装饰材料，因而膜材作为屋面材料可降低屋面造价；由于屋面重量减轻，可相应降低基础及主体工程的造价；膜结构的日常维护费用也极小。

5．安全性。由于膜材的自重轻，膜结构建筑具有良好的抗震性能；膜结构属柔性结构，可承受较大的位移，不易整体倒塌；膜材料一般均为阴燃材料或不可燃材料，不易造成火灾．因此膜结构具有较高的安全度。

6．透光性。 膜材具有良好的透光性，透光率约７％～１６％，双层膜的透光率约４％～８％；同时膜材对光具有折射率（７０％以上），阳光透过膜面可在室内形成自然漫射光，白天大部分时间无需人工采光，可大大节约人工照明能耗，而晚上的室内灯光透过膜面给夜空增添梦幻般夜景。

7．自洁性。膜材的表面涂层、特别是其中的聚四氟乙烯（PTFE）涂层，具有良好的非粘着性，大气中的灰尘及脏物不易附着与渗透，而且其表面的灰尘被雨水冲刷干净，常年使用后仍能保持外观的洁净及室内的美观。

膜结构设计

      膜结构的设计由于其自身的特点不同于一般传统结构形式，技术上必须经过如下四个步骤。

1．建筑方案设计：一般由建筑师根据业主的意图、功能要求、环境条件等初步确定建筑的平面形状尺寸、空间形式及三维造型、净空体量等，基本确定各控制点的坐标。考虑经济和施工工艺等技术条件，与膜结构工程师、业主及施工技术人员等一起确定经济合理的初步设计方案。

2．找形分析：于索膜结构而言，在没有施加预应力之前，是没有结构刚度的，也就是说膜结构任何时候不存在无应力状态。由于膜材料本身没有抗弯刚度，其曲面形状与预应力值的大小和分布是一一对应的，因此在控制点坐标确定后，给定一合理的预应力值及其分布，才能确定合适的膜曲面形状。预应力值的大小与分布是需根据多方面的条件进行反复调整后综合确定的，这个过程叫做找形分析。此过程与方案设计过程往往密不可分，往往需反复调整方可即满足建筑形状的要求又保证结构的经济合理及安全可靠。

3．荷载分析：膜结构的控制荷载通常是风载和雪载。在荷载作用下膜结构的变形较大，因此精确计算结构的变形和应力分布要用几何非线性的方法进行。根据不同工况下计算出的索、膜、梁、杆等结构构件中的内力分布的最不利情况，来选定索、膜等材料的型号及尺寸，确定详细的节点做法及构造措施等。因此，经济安全的索膜建筑必须经过仔细的内力分析后才能完成，不是凭经验拍脑袋就能确定得了的。荷载分析的另一目的是检验确定索、膜中初始预应力，一般来说在找形分析时先根据经验假定一预应力值及其分布，然后经荷载分析来判定其合理性，即预应力的大小与分布应使在最不利工况下必须满足使用要求、整体和局部位移要求及排水功能等要求。

4．剪裁分析：剪裁分析就是在预应力状态下的曲面形体上寻求合理的裁剪线位置及其分布，然后按照一定的方法将三维曲面展开为二维平面。为物尽其用，一般要按照膜材料幅宽进行裁剪，但要兼顾到膜曲面曲率变化情况。由于膜材料具有双向异性性质，故裁剪线的布置要与计算时所设定的膜材经纬向一致，才能保证计算结果与实际相符。膜材料的裁剪下料通常是在无应力状态下进行的，如何在预应力的形体上进行无应力状态下的裁剪分析，国内外学者都已进行了较为深入的研究，提出了诸如几何法、最小二乘法、动态规划法与平面热应力原理相结合的有限单元法等多种方法，但在实际工程中还必须考虑以下几点：

（1）必须保证索边界的工作点不变，对于其它硬性边界，由于构件本身存在一定的空间尺度，可根据实际情况改变膜的工作点或保持膜的工作点不变，变换连接构件的做法，但一般说来后者较困难一些。另外，边角处膜的剪裁应严格按照实际结构构造做法尺寸进行裁剪。

（2）确定膜的经纬向布置及膜片之间现场拼接缝位置，膜的经纬向布置会影响观瞻、膜材的利用率、制作的工作量等，还须与计算模型相吻合。现场拼接缝处理不当容易漏雨，所以一般在脊处作为现场拼接缝比较合适。

（3）膜材与硬边界的连接点处，应考虑特殊的补偿值，以便于安装。

（4）膜的剪裁要充分利用膜材料的幅宽，即考虑了热合搭接长度、预应力伸缩补偿、边界做法等因素后，裁出的膜片要尽量接近膜材的幅宽，以提高膜材的利用率。

膜结构应用领域

      文化设施--展览中心、剧场、会议厅、博物馆、植物园、水族馆等

      体育设施--体育场、体育馆、健身中心、游泳馆、网球馆、篮球馆等

      商业设施--商场、购物中心、酒店、餐厅、商店门头（挑檐）、商业街等

      交通设施--机场、火车站、公交车站、收费站、码头、加油站、天桥连廊等

      工业设施--工厂、仓库、科研中心、处理中心、温室、物流中心等

      景观设施--建筑入口、标志性小品、步行街、停车场等