膜材料、膜結(jié)構(gòu)及膜結(jié)構(gòu)工程

摘要：膜結(jié)構(gòu)是大跨度空間結(jié)構(gòu)中的一種主要結(jié)構(gòu)形式。文章就膜結(jié)構(gòu)材料、膜結(jié)構(gòu)類型以及膜結(jié)構(gòu)工程等幾個方面進(jìn)行了闡述。膜結(jié)構(gòu)也應(yīng)用在工程中，特別是體育場館中，如上海的八萬人體育場、青島頤中體育場、國家“水立方”游泳中心等場館。膜材料受到廣泛關(guān)注。

關(guān)鍵詞：膜結(jié)構(gòu)；膜材料；體育場館；展覽建筑；膜結(jié)構(gòu)的類型

中圖分類號：TU502文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-2374（2009）16-0195-02

薄膜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生與發(fā)展深受Fuller“少費(fèi)多用”思想的影響，即在建筑中充分發(fā)揮材料自身特性，追求著用最少的物質(zhì)材料建造最大容積的建筑。它迥異于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以性能優(yōu)良的柔軟織物為材料，由膜內(nèi)空氣壓力支承膜面，或利用柔性鋼索，或剛性支承結(jié)構(gòu)使膜面產(chǎn)生一定的預(yù)張力，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大空間的結(jié)構(gòu)體系。

一、膜材料的類型及特點(diǎn)

（一）膜材料的類型

膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展與膜材料的研發(fā)和應(yīng)用密不可分。常見的膜材有PVC、PTFE、ETFE膜材。目前應(yīng)用的建筑膜材主要包括涂層織物類膜材和熱塑化合物類膜材兩大類。

涂層織物類膜材是由高強(qiáng)度纖維織成的基材和聚合物涂層構(gòu)成的復(fù)合材料。其中基層是受力構(gòu)件，起承受并傳遞荷載的作用，其品種有聚酯纖維、玻璃纖維等；涂層有聚四氟乙烯（PTFE）、硅酮、聚氯乙烯（PVC）等。

熱塑化合物類膜材主要指乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）。

（二）膜材料的特點(diǎn)

膜材料的建筑物理性能主要包括耐候性能、光學(xué)性能、聲學(xué)性能、熱學(xué)性能以及防火性能等多方面。

膜材的耐候性能包括使用壽命、耐老化、自潔性以及強(qiáng)度衰減等。PTFE膜的抗紫外線、耐老化、耐腐蝕等化學(xué)特性優(yōu)于PVC膜，其使用壽命可達(dá)25年以上，一般用于永久性建筑。

膜材的透光性好，且能慮除大部分紫外線。透射光在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生均勻的漫射光，無陰影，無眩光，無顯著方向性，光線柔和均勻。

膜材料的回聲和吸聲特性綜合決定了膜結(jié)構(gòu)建筑內(nèi)空間音響品質(zhì)和隔音效果。膜材織物對聲波振動具有很強(qiáng)的反射性，這種反射性增加膜結(jié)構(gòu)建筑內(nèi)部的噪音水平。通常需要采取相應(yīng)的建筑構(gòu)造措施改善膜結(jié)構(gòu)的建筑聲學(xué)環(huán)境。比如在膜內(nèi)加裝輕質(zhì)、多孔的織物襯墊，懸掛隔聲屏，采用專用吸聲膜內(nèi)襯等方法。

膜結(jié)構(gòu)建筑的保溫隔熱性能較差。當(dāng)對建筑物的保溫隔熱性能有較高要求時，可采用雙層或多層膜結(jié)構(gòu)，但這樣會影響到膜結(jié)構(gòu)的透光性。另外膜面內(nèi)部的冷凝結(jié)露也是需要考慮的問題。

膜材具有較好的防火性能。實(shí)驗(yàn)表明，PTFE的防火性能優(yōu)于PVC，但從火災(zāi)情況下膜結(jié)構(gòu)的實(shí)際反應(yīng)看，PVC膜材更好一些。

二、膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和類型

（一）膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

膜結(jié)構(gòu)自重輕，跨度大，建筑造型豐富，施工方便；但其抵抗局部荷載作用能力差，容易出現(xiàn)褶皺、局部破損甚至整體破壞等問題。

薄膜結(jié)構(gòu)具有和施工相關(guān)性的如下力學(xué)特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)形狀及剛度與施工方法和過程間有相關(guān)性；（2）結(jié)構(gòu)的荷載敏感性；（3）結(jié)構(gòu)成型前的弱（零）剛度性。柔性的薄膜材料只有當(dāng)被賦予適當(dāng)?shù)念A(yù)張力時才具有確定的形狀和抵抗外荷載的剛度，也才成為結(jié)構(gòu)。初平衡狀態(tài)下的形狀確定及預(yù)應(yīng)力分布是張拉結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵的問題。預(yù)應(yīng)力的大小和分布決定了結(jié)構(gòu)的剛度和形狀。

（二）膜結(jié)構(gòu)的類型

我國《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS158：2004）根據(jù)膜材及相關(guān)構(gòu)件的受力方式把膜結(jié)構(gòu)分成四種形式：整體張拉式膜結(jié)構(gòu)、骨架支承式膜結(jié)構(gòu)、索系支承式膜結(jié)構(gòu)和空氣支承膜結(jié)構(gòu)。

空氣支承膜結(jié)構(gòu)，即充氣膜結(jié)構(gòu)是利用膜內(nèi)外空氣的壓力差為膜材施加預(yù)應(yīng)力，使膜面能覆蓋所形成的空間。有氣承式和氣囊式兩種。

張拉膜結(jié)構(gòu)通過給膜材直接施加預(yù)拉力使之具有剛度并承擔(dān)外荷載。整體張拉式膜結(jié)構(gòu)，通過膜面內(nèi)力直接將荷載傳遞給邊緣構(gòu)件，應(yīng)用在跨度較小的膜結(jié)構(gòu)當(dāng)中。鋼索和膜結(jié)合形成張拉索-膜結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于較大跨度的膜結(jié)構(gòu)。

以上兩種形式中鋼索的作用不盡相同，在充氣膜中，鋼索主要起加勁作用；在張拉膜結(jié)構(gòu)中，鋼索與膜材都是主要受力構(gòu)件。

骨架支承式膜結(jié)構(gòu)是指由鋼構(gòu)件或其它剛性構(gòu)件作為承重骨架，在骨架上布置按設(shè)計(jì)要求張緊的膜材。索系支承式膜結(jié)構(gòu)的主要形式是索穹頂結(jié)構(gòu)，索穹頂結(jié)構(gòu)是以連續(xù)的拉索和不連續(xù)的壓桿組成的預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系。這類結(jié)構(gòu)使用薄膜作為覆蓋材料，其中的膜材是傳力構(gòu)件而非主要受力構(gòu)件，主要作用是圍護(hù)。

三、工程中的膜結(jié)構(gòu)

膜與索、鋼架的組合結(jié)構(gòu)是大跨度空間結(jié)構(gòu)的一個主要形式。表1是參考文獻(xiàn)中所統(tǒng)計(jì)的部分國際上超過1萬m²膜結(jié)構(gòu)的相關(guān)資料。

與世界先進(jìn)水平相比，中國在膜結(jié)構(gòu)方面的差距，無論是理論研究還是實(shí)際應(yīng)用都是十分明顯的。但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及奧運(yùn)、世博等大型體育項(xiàng)目和展覽項(xiàng)目在中國的舉辦，我國的膜結(jié)構(gòu)在應(yīng)用方面近年來也開始呈現(xiàn)比較活潑的勢頭。

上海為迎接八運(yùn)會于1997年建成的八萬人體育場是我國首次在大型建筑上采用膜結(jié)構(gòu)。其挑篷采用以徑向懸挑鋼桁架和環(huán)向桁架組成的大跨度空間結(jié)構(gòu)，上覆傘形膜結(jié)構(gòu)，總覆蓋面積36100m²。32榀桁架將結(jié)構(gòu)分成57個錐形單元，錐體單元的高點(diǎn)由飛柱提供。32榀桁架中，最小懸臂21m，最大73.5m，桁架錨固在相距24m的巨型混凝土柱上。桁架側(cè)向支撐由空間環(huán)向桁架提供。錐體設(shè)置4根脊索、4根下拉索（拉飛柱）。之后的上海虹口體育場采用了鞍形大懸挑空間索桁架支承的膜結(jié)構(gòu)。這二個體育場所用膜材是進(jìn)口的，施工安裝也由外國公司進(jìn)行。

青島頤中體育場是我國第一個自行設(shè)計(jì)和安裝，采用整體張拉式索膜結(jié)構(gòu)的體育場工程。其挑篷是由60個錐形索膜單元組成的脊谷式張拉膜結(jié)構(gòu)，每個單元由一個立柱支撐，通過谷索、脊索、內(nèi)外邊索的張拉作用成形。建筑長軸為266m，由86m長的直線段和兩端半徑為90m的半圓弧組成，短軸為180m。立柱頂點(diǎn)標(biāo)高42.5m，內(nèi)環(huán)索標(biāo)高約36.5m，篷蓋懸挑沿周邊均約40m。膜覆蓋面積（水平投影）約30000 m²。

國家游泳中心“水立方”是2008年奧運(yùn)會標(biāo)志性建筑之一，其建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用了ETFE膜結(jié)構(gòu)。相比2006年德國世界杯慕尼黑安聯(lián)體育場的ETFE氣枕式外墻，規(guī)則排列的單層氣枕，覆蓋6萬m²，水立方的中心屋面、立面和內(nèi)部隔墻均由雙層ETFE充氣枕構(gòu)成，且?guī)缀鯖]有形狀相同的兩個氣枕，單個最大氣枕面積90m²，表面覆蓋面積達(dá)10萬m²。水立方是國內(nèi)首個ETFE膜結(jié)構(gòu)，目前世界上規(guī)模最大的膜結(jié)構(gòu)工程，也是惟一一個完全由膜結(jié)構(gòu)來進(jìn)行全封閉的大型公共建筑。

近年來我國的膜結(jié)構(gòu)項(xiàng)目基本上沿兩條主線發(fā)展：一是大型體育場館和展覽中心，另一條是膜結(jié)構(gòu)小品建筑。超過1萬m²或接近1萬m²的其它膜結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，比如威海市體育中心場挑篷（15300 m²，2001年）、浙江省義烏市體育中心（16000 m²，2001年）、鄭州航海體育場（21000 m²，2001年）、廣西南寧國際會展中心主廳（豎向空間膜結(jié)構(gòu)，高48m，底部直徑72m，2003年）、廣州新白云機(jī)場航站樓屋面采光帶、門廳及連接樓屋面（50000 m²）、嘉峪關(guān)體育場（10000 m²，2003年）、武漢體育中心（30000 m²，2001年）、廣州黃埔體育場（10000 m²，2000年）等。膜結(jié)構(gòu)小品建筑包括住宅小區(qū)的公共設(shè)施、加油站、露天劇場等。

四、結(jié)語

膜結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的生命力。隨著新材料、新形式的不斷出現(xiàn)，膜結(jié)構(gòu)除了應(yīng)用在體育建筑和展覽建筑之外，還將更多地被應(yīng)用于那些需要天然采光的公共建筑以及敞開或半敞開建筑。另外，將膜結(jié)構(gòu)和折疊結(jié)構(gòu)、可展結(jié)構(gòu)等結(jié)合起來，形成的開閉式屋蓋又是一種富有建筑感染力的結(jié)構(gòu)形式。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：龐崇安（1982－ ），女，浙江臺州人，浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院建筑系助教，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)。