淺談膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用

張瑩

膜結(jié)構(gòu)是20世紀中葉發(fā)展起來的一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)形式，是21世紀最具代表性與充滿前途的建筑形式，它通過施加預應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)具有一定的剛度以承受各種荷載作用，其設(shè)計思路和設(shè)計步驟與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比都有很大的不同，索膜結(jié)構(gòu)用高強度柔性薄膜材料經(jīng)受其他材料的拉壓作用而形成的穩(wěn)定曲面，能承受一定外荷載的空間結(jié)構(gòu)形式，其造型自由、輕巧、柔美、充滿力量感，阻燃、制作簡易、安裝快捷、節(jié)能、易于使用、安全等優(yōu)點，因而自1970年代以來，膜結(jié)構(gòu)在國外已逐漸應(yīng)用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務(wù)設(shè)施等大跨度建筑中。

膜材表面采用PVDF（聚偏二氟乙烯）涂層、或二氧化鈦涂層，具有較好的隔熱效果，對太陽熱能可反射掉70%，膜材本身吸收了17%，傳熱13%，而透光率卻在20%以上，經(jīng)過1年的太陽光直接照射，其灰度仍能保留70%，膜結(jié)構(gòu)中所使用的膜材料每平方1公斤左右，由于自重輕，加上鋼索、鋼結(jié)構(gòu)高強度材料的采用，大部分的力以軸力傳遞使受力體現(xiàn)簡潔合理，因此膜結(jié)構(gòu)適合大跨度空間結(jié)構(gòu)體系。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。工期短：膜材裁剪。拼合成型及骨架的鋼結(jié)構(gòu)、鋼索均在工廠加工制作，現(xiàn)場只需組裝，施工簡便，故施工周期比傳統(tǒng)建筑短。

1 常見的膜結(jié)構(gòu)分類

從結(jié)構(gòu)上分可分為：骨架式膜結(jié)構(gòu)，張拉式膜結(jié)構(gòu)，充氣式膜結(jié)構(gòu)。

1.骨架式膜結(jié)構(gòu)（Frame Supported Structure）

以鋼構(gòu)或是集成材構(gòu)成的屋頂骨架，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，因屋頂造型比較單純，開口部不易受限制，經(jīng)濟效益高等特點，骨架式膜結(jié)構(gòu)中的膜面僅僅起到對框架結(jié)構(gòu)的維護作用，框架結(jié)構(gòu)可以是傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)，也可以是各類索結(jié)構(gòu) ，因此廣泛適用于任何大，小規(guī)模的空間。

2.張拉式膜結(jié)構(gòu)（Tension Suspension Structure）

張拉膜結(jié)構(gòu)是通過邊界條件給膜材施加一定預張應(yīng)力，膜既是建筑的圍護體又作為結(jié)構(gòu)以抵抗外部荷載的作用，因此在一定的初始條件下，其形狀的確定、在外荷載作用下膜中應(yīng)力分布與變形以及怎樣用二維的膜材料來模擬三維空間等一系列復雜問題，都通過計算確定，張拉膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展離不開計算機的進步和新算法的提出。但張拉膜結(jié)構(gòu)因施工精度要求高，結(jié)構(gòu)性能強，且具有豐富的表現(xiàn)力，所以造價略高于骨架式膜

結(jié)構(gòu)。

3.充氣式膜結(jié)構(gòu)（Pneumatic Structure）

充氣式膜結(jié)構(gòu)是將膜材固定于屋頂結(jié)構(gòu)周邊，依靠曲面內(nèi)外氣壓差來維持膜曲面的形狀，利用送風系統(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，因利用氣壓來支撐，充氣式膜結(jié)構(gòu)是在膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成的室內(nèi)沖入空氣，保持室內(nèi)的空氣壓力始終大于室外的空氣壓力，由此使膜材料處于張力狀態(tài)來抵抗荷載及外力的構(gòu)造形式，及鋼索作為輔助材，無需任何梁，柱支撐，可得更大的空間，氣膜結(jié)構(gòu)分為單層結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)，單層結(jié)構(gòu)如同肥皂泡，單層膜的內(nèi)壓大于外壓。此結(jié)構(gòu)具有大空間、重量輕、建造簡單特點，但需要不斷輸入超壓氣體及需日常維護管理。雙層結(jié)構(gòu)是雙層膜之間充入氣體，和單層相比可以充入高壓空氣，形成具有一定剛性的結(jié)構(gòu)，而且進出口可以敞開，施工快捷，經(jīng)濟效益高，但需維持進行24小時送風機運轉(zhuǎn)，在持續(xù)運行及機器維護費用的成本上較高。

2 膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用材料

目前膜材料建筑中最常用的材料主要有聚四氟乙烯（PTFE）膜材、聚氯乙烯（PVC）膜材和加面層的PVC膜材：PVDF膜材和PVF膜材。

PTFE類膜材料商品名叫特氟?。═eflon），是在玻璃纖維布基上敷聚四氟乙烯樹脂（簡寫PTFE），樹脂含量大于90%，PTFE膜的特性是耐久性、防火性與防污性高。但PTFE膜與PVC膜比較，材料費與加工費高，且柔軟性低，在施工上為避免玻璃纖維被折斷，必須有專用的工具與施工技術(shù)。

PVC類膜材料的布基織物為聚酯或聚氨酯等，涂層為PVC樹脂，或氯丁橡膠類物質(zhì)，一般另加有聚氟乙烯（PVF）或聚偏氟乙烯（PVDF）類面層。PVC膜材在材料及加工上都比PTFE膜便宜，且具有材質(zhì)柔軟、易施工的優(yōu)點，但在強度、耐用性、防火性等性能上較PTFE膜差。為了改善PVC膜材的耐火性及防污性，近年來已研發(fā)出以氟素系樹脂于PVC涂層材的表面處理上做涂層。

為了解決PVC膜材的自潔性，在PVC涂層上再涂上PVDF膜材料。PVDF是聚偏氟乙烯的簡稱，可以抵抗由紫外線引起的降解，顏色變化，失去光澤，抵抗腐蝕，抵抗臟污，抵抗發(fā)霉。PVDF膜與一般的PVC膜比較，耐用年限可達7～10年左右，耐火性基本上達到了難燃級水平。

PVF膜材是在PVC膜的表面處理上以PVF樹脂做薄膜狀薄片加工，比PVDF膜的耐久性更佳，且具有防油污的優(yōu)點。但因加工性、施工性與防火性不佳，使用受到一定的限制。

3 膜結(jié)構(gòu)的工程實例及應(yīng)用

2008年竣工的北京奧運會場館“鳥巢”和“水立方”膜結(jié)構(gòu)采用ETFE膜材，是目前國內(nèi)最大的ETFE膜材結(jié)構(gòu)建筑，“鳥巢”采用雙層膜結(jié)構(gòu)，外層用ETFE防雨雪防紫外線，內(nèi)層用PTFE達到保溫、防結(jié)露、隔音和光效的目的。“水立方”采用雙層ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)，共1437塊氣枕，氣枕可以通過控制充氣量的多少，對遮光度和透光性進行調(diào)節(jié)，有效地利用自然光，節(jié)省能源，并且具有良好的保溫隔熱和消除回聲。隨著國內(nèi)一些大型體育館、候機大廳等建設(shè)以及2010年上海世博會和廣州亞運會等國際盛會的舉辦，為中國膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展帶來了機遇和挑戰(zhàn)。尤其在膜材方面，中國起步晚，技術(shù)水平低，大部分膜材還主要依靠進口。PTFE、PVC和表面改性的PVC、ETFE等膜材是市場的主流，應(yīng)用比較廣泛。中國已有PTFE膜材的自主知識產(chǎn)權(quán)，性能也基本達到國外同類產(chǎn)品的要求。

由于膜結(jié)構(gòu)新穎美觀的造型和多變的色彩，還可用于標志性建筑，例如城市與地方的標識等。然而，目前膜結(jié)構(gòu)在我國尚處于小范圍試驗階段，但隨著我國經(jīng)濟實力的增強，新工藝、新材料、新設(shè)備的出現(xiàn)，膜材料建筑將成為我國21世紀空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展主流。

參考文獻

[1]《拉索預應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的分析理論、施工控制與優(yōu)化設(shè)計》東南大學出版社。

[2]《膜結(jié)構(gòu)工程設(shè)計》中國建筑工業(yè)出版社。

[3]《CECS158-2004膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中國計劃出版社

[4]《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)》中國建筑工業(yè)出版社。

張瑩

膜結(jié)構(gòu)是20世紀中葉發(fā)展起來的一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)形式，是21世紀最具代表性與充滿前途的建筑形式，它通過施加預應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)具有一定的剛度以承受各種荷載作用，其設(shè)計思路和設(shè)計步驟與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比都有很大的不同，索膜結(jié)構(gòu)用高強度柔性薄膜材料經(jīng)受其他材料的拉壓作用而形成的穩(wěn)定曲面，能承受一定外荷載的空間結(jié)構(gòu)形式，其造型自由、輕巧、柔美、充滿力量感，阻燃、制作簡易、安裝快捷、節(jié)能、易于使用、安全等優(yōu)點，因而自1970年代以來，膜結(jié)構(gòu)在國外已逐漸應(yīng)用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務(wù)設(shè)施等大跨度建筑中。

膜材表面采用PVDF（聚偏二氟乙烯）涂層、或二氧化鈦涂層，具有較好的隔熱效果，對太陽熱能可反射掉70%，膜材本身吸收了17%，傳熱13%，而透光率卻在20%以上，經(jīng)過1年的太陽光直接照射，其灰度仍能保留70%，膜結(jié)構(gòu)中所使用的膜材料每平方1公斤左右，由于自重輕，加上鋼索、鋼結(jié)構(gòu)高強度材料的采用，大部分的力以軸力傳遞使受力體現(xiàn)簡潔合理，因此膜結(jié)構(gòu)適合大跨度空間結(jié)構(gòu)體系。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。工期短：膜材裁剪。拼合成型及骨架的鋼結(jié)構(gòu)、鋼索均在工廠加工制作，現(xiàn)場只需組裝，施工簡便，故施工周期比傳統(tǒng)建筑短。

1 常見的膜結(jié)構(gòu)分類

從結(jié)構(gòu)上分可分為：骨架式膜結(jié)構(gòu)，張拉式膜結(jié)構(gòu)，充氣式膜結(jié)構(gòu)。

1.骨架式膜結(jié)構(gòu)（Frame Supported Structure）

以鋼構(gòu)或是集成材構(gòu)成的屋頂骨架，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，因屋頂造型比較單純，開口部不易受限制，經(jīng)濟效益高等特點，骨架式膜結(jié)構(gòu)中的膜面僅僅起到對框架結(jié)構(gòu)的維護作用，框架結(jié)構(gòu)可以是傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)，也可以是各類索結(jié)構(gòu) ，因此廣泛適用于任何大，小規(guī)模的空間。

2.張拉式膜結(jié)構(gòu)（Tension Suspension Structure）

張拉膜結(jié)構(gòu)是通過邊界條件給膜材施加一定預張應(yīng)力，膜既是建筑的圍護體又作為結(jié)構(gòu)以抵抗外部荷載的作用，因此在一定的初始條件下，其形狀的確定、在外荷載作用下膜中應(yīng)力分布與變形以及怎樣用二維的膜材料來模擬三維空間等一系列復雜問題，都通過計算確定，張拉膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展離不開計算機的進步和新算法的提出。但張拉膜結(jié)構(gòu)因施工精度要求高，結(jié)構(gòu)性能強，且具有豐富的表現(xiàn)力，所以造價略高于骨架式膜

結(jié)構(gòu)。

3.充氣式膜結(jié)構(gòu)（Pneumatic Structure）

充氣式膜結(jié)構(gòu)是將膜材固定于屋頂結(jié)構(gòu)周邊，依靠曲面內(nèi)外氣壓差來維持膜曲面的形狀，利用送風系統(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，因利用氣壓來支撐，充氣式膜結(jié)構(gòu)是在膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成的室內(nèi)沖入空氣，保持室內(nèi)的空氣壓力始終大于室外的空氣壓力，由此使膜材料處于張力狀態(tài)來抵抗荷載及外力的構(gòu)造形式，及鋼索作為輔助材，無需任何梁，柱支撐，可得更大的空間，氣膜結(jié)構(gòu)分為單層結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)，單層結(jié)構(gòu)如同肥皂泡，單層膜的內(nèi)壓大于外壓。此結(jié)構(gòu)具有大空間、重量輕、建造簡單特點，但需要不斷輸入超壓氣體及需日常維護管理。雙層結(jié)構(gòu)是雙層膜之間充入氣體，和單層相比可以充入高壓空氣，形成具有一定剛性的結(jié)構(gòu)，而且進出口可以敞開，施工快捷，經(jīng)濟效益高，但需維持進行24小時送風機運轉(zhuǎn)，在持續(xù)運行及機器維護費用的成本上較高。

2 膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用材料

目前膜材料建筑中最常用的材料主要有聚四氟乙烯（PTFE）膜材、聚氯乙烯（PVC）膜材和加面層的PVC膜材：PVDF膜材和PVF膜材。

PTFE類膜材料商品名叫特氟?。═eflon），是在玻璃纖維布基上敷聚四氟乙烯樹脂（簡寫PTFE），樹脂含量大于90%，PTFE膜的特性是耐久性、防火性與防污性高。但PTFE膜與PVC膜比較，材料費與加工費高，且柔軟性低，在施工上為避免玻璃纖維被折斷，必須有專用的工具與施工技術(shù)。

PVC類膜材料的布基織物為聚酯或聚氨酯等，涂層為PVC樹脂，或氯丁橡膠類物質(zhì)，一般另加有聚氟乙烯（PVF）或聚偏氟乙烯（PVDF）類面層。PVC膜材在材料及加工上都比PTFE膜便宜，且具有材質(zhì)柔軟、易施工的優(yōu)點，但在強度、耐用性、防火性等性能上較PTFE膜差。為了改善PVC膜材的耐火性及防污性，近年來已研發(fā)出以氟素系樹脂于PVC涂層材的表面處理上做涂層。

為了解決PVC膜材的自潔性，在PVC涂層上再涂上PVDF膜材料。PVDF是聚偏氟乙烯的簡稱，可以抵抗由紫外線引起的降解，顏色變化，失去光澤，抵抗腐蝕，抵抗臟污，抵抗發(fā)霉。PVDF膜與一般的PVC膜比較，耐用年限可達7～10年左右，耐火性基本上達到了難燃級水平。

PVF膜材是在PVC膜的表面處理上以PVF樹脂做薄膜狀薄片加工，比PVDF膜的耐久性更佳，且具有防油污的優(yōu)點。但因加工性、施工性與防火性不佳，使用受到一定的限制。

3 膜結(jié)構(gòu)的工程實例及應(yīng)用

2008年竣工的北京奧運會場館“鳥巢”和“水立方”膜結(jié)構(gòu)采用ETFE膜材，是目前國內(nèi)最大的ETFE膜材結(jié)構(gòu)建筑，“鳥巢”采用雙層膜結(jié)構(gòu)，外層用ETFE防雨雪防紫外線，內(nèi)層用PTFE達到保溫、防結(jié)露、隔音和光效的目的?！八⒎健辈捎秒p層ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)，共1437塊氣枕，氣枕可以通過控制充氣量的多少，對遮光度和透光性進行調(diào)節(jié)，有效地利用自然光，節(jié)省能源，并且具有良好的保溫隔熱和消除回聲。隨著國內(nèi)一些大型體育館、候機大廳等建設(shè)以及2010年上海世博會和廣州亞運會等國際盛會的舉辦，為中國膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展帶來了機遇和挑戰(zhàn)。尤其在膜材方面，中國起步晚，技術(shù)水平低，大部分膜材還主要依靠進口。PTFE、PVC和表面改性的PVC、ETFE等膜材是市場的主流，應(yīng)用比較廣泛。中國已有PTFE膜材的自主知識產(chǎn)權(quán)，性能也基本達到國外同類產(chǎn)品的要求。

由于膜結(jié)構(gòu)新穎美觀的造型和多變的色彩，還可用于標志性建筑，例如城市與地方的標識等。然而，目前膜結(jié)構(gòu)在我國尚處于小范圍試驗階段，但隨著我國經(jīng)濟實力的增強，新工藝、新材料、新設(shè)備的出現(xiàn)，膜材料建筑將成為我國21世紀空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展主流。

參考文獻

[1]《拉索預應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的分析理論、施工控制與優(yōu)化設(shè)計》東南大學出版社。

[2]《膜結(jié)構(gòu)工程設(shè)計》中國建筑工業(yè)出版社。

[3]《CECS158-2004膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中國計劃出版社

[4]《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)》中國建筑工業(yè)出版社。