膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用淺談

摘 要：膜結(jié)構(gòu)是一種以性能優(yōu)良的織物材料為基礎(chǔ)，以利用柔性鋼索、剛性支撐結(jié)構(gòu)將面繃緊，或者向膜內(nèi)充氣，由空氣壓力支撐膜面，從而形成的具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結(jié)構(gòu)體系，是高強(qiáng)質(zhì)輕的薄膜材料與先進(jìn)的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法完美結(jié)合的產(chǎn)物。

關(guān)鍵詞：膜結(jié)構(gòu)；膜材；建筑

一、材質(zhì)與結(jié)構(gòu)形式

（一）膜材分類

膜結(jié)構(gòu)能大量推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)是解決材料問(wèn)題，其應(yīng)用的高強(qiáng)度柔韌薄膜稱膜材。按涂層材料分，有聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、橡膠等，它的壽命因不同的表面涂層而異，一般為12-50年?，F(xiàn)階段主要應(yīng)用的兩種膜材涂敷聚四氟乙烯（PTFE）的玻璃纖維織物和涂敷聚氯乙烯（PVC）的聚脂織物。

按防火性能分，目前建筑膜材廣泛認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)是日本JISA-93所規(guī)定的A（PTFE）、B、C三類。A類最好，以玻璃纖維織物為基材涂PTFE（永久膜材）與膜材ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）為主。B類其次，以玻璃纖維織物為基材涂PVC而成；玻纖PVC。C類是三類中最次的，以聚酯（滌綸）織物為基材涂PVC而成。

（二）膜結(jié)構(gòu)分類

膜結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)可分為：骨格式膜結(jié)構(gòu)、張拉式膜結(jié)構(gòu)、充氣式膜結(jié)構(gòu)、組合式膜結(jié)構(gòu)4種形式。

1.骨架式膜結(jié)構(gòu)。以骨架支承膜結(jié)構(gòu)，膜材繃緊在剛性骨架上，剛性骨架是屋蓋的主要承重結(jié)構(gòu)，在其上方張拉膜材的構(gòu)造形式，下部支撐結(jié)構(gòu)安定性高，廣泛適用于任何大，小規(guī)模的空間。作為覆蓋材料的膜材則是局部范圍內(nèi)的承重單元。具有代表性的骨架式膜結(jié)構(gòu)的建筑有日本秋天的“天穹”等。

2.張拉式膜結(jié)構(gòu)。以膜材、鋼索及支柱（桅桿、拱或其他剛性構(gòu)件）構(gòu)成，其形狀似帳篷。結(jié)構(gòu)形成機(jī)制與預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)相似。除可實(shí)踐創(chuàng)新且美觀的造型外，也是最能展現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)精神的構(gòu)造形式?！爸挥姓_表達(dá)結(jié)構(gòu)邏輯的建筑才有強(qiáng)大的說(shuō)服力與表現(xiàn)力”這句話揭示了張拉膜結(jié)構(gòu)的精髓。因施工精度要求高、結(jié)構(gòu)性能強(qiáng)、具豐富的表現(xiàn)力，所以造價(jià)略高于骨架式膜結(jié)構(gòu)。其代表建筑有日本的“白龍穹頂”、美國(guó)新丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)以及我國(guó)在1997年建成的上海的‘八萬(wàn)人體育場(chǎng)等。

3.充氣式膜結(jié)構(gòu)。充氣式膜結(jié)構(gòu)是將膜材固定于屋頂結(jié)構(gòu)周邊，利用送風(fēng)系統(tǒng)讓室內(nèi)氣壓上升到一定壓力后，使屋頂內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，以抵抗外力。因次結(jié)構(gòu)是利用氣壓來(lái)支撐，及鋼索作為輔助材，無(wú)需任何梁，柱支撐，可得更大的空間，施工快捷，經(jīng)濟(jì)效益高。但需維持24小時(shí)進(jìn)行送風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在持續(xù)運(yùn)行及機(jī)器維護(hù)費(fèi)用的成本上較高。一般用尼龍薄膜.人造纖維或金屬薄片等，表面常涂有各種涂料，這種結(jié)構(gòu)可以達(dá)到很大的跨度，安裝.充氣.拆卸.搬運(yùn)較方便。其代表建筑有1988年在日本建成的“東京巨蛋”，又稱東京棒球館，我國(guó)在08年奧運(yùn)會(huì)建成的“國(guó)家游泳中心”又稱水立方。

4.組合式膜結(jié)構(gòu)。組合式膜結(jié)構(gòu)通常是在自身穩(wěn)定的桁架體系基礎(chǔ)上劃分為若干個(gè)單元，每個(gè)單元上布置張拉式膜結(jié)構(gòu)單位，膜結(jié)構(gòu)單元之間在受力上基本是互相獨(dú)立的，受力的復(fù)雜性介于張拉式膜結(jié)構(gòu)與骨架式膜結(jié)構(gòu)之間。這種體系在目前膜結(jié)構(gòu)體育場(chǎng)中也有較廣泛的應(yīng)用具有代表性的索穹頂建筑應(yīng)屬1999年英國(guó)倫敦的“千年穹頂”。

二、優(yōu)點(diǎn)與不足

膜結(jié)構(gòu)作為是21世紀(jì)最具代表性與充滿前途的建筑形式，是一種建筑體系所具有的特性主要取決于其獨(dú)特的形態(tài)及膜材本身的性能。恰由于此，用膜結(jié)構(gòu)可以創(chuàng)造出傳統(tǒng)建筑體系無(wú)法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案。它打破了純直線建筑風(fēng)格的模式，以其獨(dú)有的優(yōu)美曲面造型，簡(jiǎn)潔、明快、剛與柔、力與美的完美組合，呈現(xiàn)給人以耳目一新的感覺(jué)，同時(shí)給建筑設(shè)計(jì)師提供了更大的想象和創(chuàng)造空間。

（一）經(jīng)濟(jì)性

1.造價(jià)低，工期短。膜建筑屋面重量?jī)H為常規(guī)鋼屋面的1/30，這降低了墻體和基礎(chǔ)的造價(jià)。工程施工過(guò)程中膜材裁剪、拼合成型及骨架的鋼結(jié)構(gòu)、鋼索和制作依設(shè)計(jì)均可在工廠內(nèi)完成，在現(xiàn)場(chǎng)只需進(jìn)行安裝作業(yè)，與傳統(tǒng)建筑的施工周期相比，建筑工期為一般傳統(tǒng)建筑工期的30%，而且膜結(jié)構(gòu)能夠拆卸，易于搬遷。

2.環(huán)保性、透光性、節(jié)能性優(yōu)良。膜材的透光性可以為建筑提供所需的照明度，這對(duì)于建筑節(jié)能十分重要。膜材有較高的反射性及較低的光吸收率，并且熱傳導(dǎo)性較低，這極大程度上阻止太陽(yáng)能進(jìn)入室內(nèi)。另外，膜材的半透明性可以充分利用自然光，且具有良好的環(huán)保性、透光性、自清潔性。

（二）安全性良好

膜結(jié)構(gòu)建筑所采用的膜材具有卓越的阻燃性和耐高溫性，故能很好的滿足防火要求。由于結(jié)構(gòu)自重輕，又為柔性結(jié)構(gòu)且有較大變形能力，故抗震性能好。按照現(xiàn)有的各國(guó)規(guī)范和指南設(shè)計(jì)的輕型張拉膜結(jié)構(gòu)具有足夠的安全性。輕型結(jié)構(gòu)在地震等水平荷載作用下能保持很好的穩(wěn)定性。柔性膜結(jié)構(gòu)通過(guò)變形來(lái)適應(yīng)外荷載，荷載作用方向上的膜面曲率半徑會(huì)減小，能更有效抵抗該荷載。

（三）耐久性差

膜材在持續(xù)的張力狀態(tài)下容易發(fā)生蠕變，預(yù)應(yīng)力損失，膜面發(fā)生褶皺，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的承載力下降，無(wú)法保持原有的形狀，另外，長(zhǎng)期風(fēng)、雪等動(dòng)荷載作用下，輕質(zhì)膜材容易發(fā)生振動(dòng)，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性將受到影響。在溫差較大的區(qū)域，受天氣影響較大。而且現(xiàn)在的膜結(jié)構(gòu)的使用年限非常短，一般只可使用10到25年左右。高度的紫外線照射會(huì)引起膜材的褪色。在紫外線照射較強(qiáng)的區(qū)域膜材不應(yīng)采用鮮艷的色彩。

三、結(jié)語(yǔ)

時(shí)代是不斷向前發(fā)展的，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，建筑結(jié)構(gòu)體系也是隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而不斷推陳出新的，城市中已越來(lái)越多地可以見(jiàn)到膜結(jié)構(gòu)的身影。膜結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展到今天已引起全世界的注意。隨著膜結(jié)構(gòu)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的膜結(jié)構(gòu)工程會(huì)出現(xiàn)在我們身邊。體育館、商場(chǎng)、展覽中心、交通服務(wù)設(shè)施等大跨度建筑中膜結(jié)構(gòu)已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型中的一個(gè)主要方案。解決其在設(shè)計(jì)和施工中遇到的問(wèn)題也成為我們下一階段研究的主要任務(wù)之一。不久的將來(lái)，膜結(jié)構(gòu)會(huì)得到更好的發(fā)展和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 克勞斯-邁克爾·科赫.膜結(jié)構(gòu)建筑[M].大連理工大學(xué)出版社，2007.

作者簡(jiǎn)介：駱小彬，大連杰威工程造價(jià)咨詢有限公司。