膜结构在21世纪迅速发展, 是当今一种非常有代表性的建筑形式, 有着优美的造型, 一次一次的挑战传统的纯直线建筑模式, 不仅运用了建筑学、材料科学、结构力学学科的知识, 还引入了许多计算机技术、精细化工知识, 增添了其艺术感染力, 还具有很高技术含量。膜结构是一种完全将结构与建筑结合的结构体系, 有其独特的曲面造型, 曲面存在着无数种变化, 无限的可能, 造型可以随着建筑的结构发生改变, 给予建筑设计师极大的想象和创造的空间, 采用高强度高透性薄膜材料, 通过结点的形式与辅助结构连接, 连接过程中膜结构受到张拉作用将膜面绷紧其内部会产生预应张力, 或由膜内外空气压力作用支承膜面, 形成具有一定的刚度以抵御外部荷载作用的大跨度空间的结构体系, 百富策略白菜网领域广泛实用性强。

由于膜设计强度较低, 以单层张拉形式的膜结构仅适用于跨度较小的桁架弦杆之间, 形成采光带[1]。为了能够形成更加良好的视觉效果, 通常将ETFE膜与PVC、PTFE膜组合使用。

索膜结构常用的索主要是不锈钢索或镀锌钢索。根据构造可分为钢绞线和钢丝绳 (详见图1) 。钢绞线相较于钢丝绳而言, 其弹性模量和破断力更大, 在直径相同的情况下, 钢绞线的净截面面积更大其更加的稳定, 在工程百富策略白菜网中, 常使用小直径的钢绞线和大直径的钢丝绳。索膜结构的主要结构形式分为单层膜加单向钢索、单层膜加双向钢索、单层膜加含跨中支座的单向钢索。

(1) 单层膜加单向钢索:一般用于跨度较大、荷载较大的结构, 由于单一膜材强度不能满足设计要求, 常将膜与钢索结合使用, 其中最简易的就是单向钢索。

(2) 单层膜加双向钢索:百富策略白菜网双向钢索能够形成更多的单元区格, 能够很大的降低ETFE膜所受的应力, 同时能够降低钢索的间距和索径, 更有利于膜表面的平整。

(3) 单层膜加含跨中支座的单向钢索:首先让单层膜与单向钢索连接固定之后, 为了更好的减小钢索的运动幅度, 防止膜面发生变形, 可以再安装一根垂直于钢索的钢梁, 然后通过支架将钢索固定于钢梁上, 能够使钢索更加的稳定。

膜材在膜结构中更多的百富策略白菜网是以充气的形式[3], 可以将膜材设计成不同的形状, 通过不同层数的叠合达到不同的效果, 还可以通过构架和钢索将多个膜材气垫拼接到一起, 形成一个大跨度空间膜结构, 能够覆盖更大的空间。每层膜都只承担其所承受的法向向外的荷载[1], 在一个采用膜结构的封闭建筑物内, 由内层承受内部压力, 外层抵抗外部荷载, 各层所承担的荷载不同, 能够更好的提高其承载力。

(1) 气承式[4]:由于室内外存在一定的气压差, 在安装好膜结构之后, 膜材受到空气荷载作用会处于张拉状态 (详见图2) , 提高了膜面的刚度, 能更好的承受外载荷的作用, 气承式结构要保证良好的气密性, 还需配备充分数量的供气设备保证其稳定的内压。

(2) 气囊式[5]:向膜构件内通气使其饱和, 将多个饱和的膜构件通过不同的组合形式形成具有特定形状和一定刚度要求的整体受力体系 (详见图3) , 气枕式要求结构自身气密性良好, 使用过程中还需连续不断的向结构内通气。

(3) 气肋式[6]:由气密的细长膜结构及其封闭在膜结构内的压缩气体组合形成的空间结构体系 (详见图4) 。

(4) 悬浮式:通过在气密膜结构中充入氦气使其悬浮, 下方用钢索拉扯固定的一种特殊的结构体系 (详见图5) 。

膜结构的外观形式有很多, 一般以基本构成来分析[2], 主要分为鞍形、伞形、拱支承式和脊谷式 (详见图6) 。

由四个异面的角点和边缘构件连接处的四个角点围合而成, 仅适用于小跨度建筑, 其膜结构的边缘构件可分为刚性构件和柔性构件, 刚性构件采用的是空间钢桁架或混凝土梁, 柔性构件更多采用的是钢索, 采用柔性构件能够更好的适应膜材表面的变形, 避免膜材在安装和使用过程中出现褶皱, 因而柔性构件较为常用。

整个膜面呈伞状, 中部较高, 边缘处较低, 一般会在中部位置设置悬挂环、独立柱或飞柱, 而膜边缘固定于边梁上, 当建筑结构跨度较大时, 还可以在中部高点与边界支承点之间连接钢索, 能够更好地降低中部应力, 避免应力集中。

结构多为圆形或椭圆形等拱的形式, 当下部的边缘构件和中间拱直接设置有正交索网时还能用于大跨度建筑, 在封闭式建筑中较为常见。

整体由四个支承点组成, 分别在两低点和两高点直接布置钢索, 低点处的钢索称为谷索, 高点处的钢索称为脊索, 整个膜面呈脊谷形, 当结构承受荷载较大或跨度较大时, 可在脊索和谷索之间添加几根横向的加强索, 能够很好的提高结构的稳定性。

20世纪60年代前, 常用的索膜结构的找形方法是德国工程师Frei Otto提出的物理模型法—皂泡模型法、丝网模型法, 使用此方法建造的比较典型的建筑有建于1972年的德国慕尼黑奥林匹克体育馆 (The Munich Olympic Stadium, Germany, 1972) 和建于1967年的加拿大蒙特利尔博览会的德国馆 (German Pavilion, Canada, 1967) 。

随着计算机技术和有限元方法的发展, 各种层出不穷的膜结构找形方法开始以数值的形式出现。针对目前设计百富策略白菜网状况, 目前最实用的方法主要有动力松弛法 (Dynamic Relaxation Method) 、非线性有限元法 (Nonlinear Displacement Analysis Method) 和力密度法 (Force Density) 。常见的几种膜结构设计软件 (详见表1) 。

膜结构的节点是将各个构件连接成一个整体的核心, 是结构传递荷载、提供初始预张力的重要构件, 对构造、张拉等方面要求较高。传统的节点连接方式主要分为膜与膜的连接、膜与索的连接、索与索的连接、膜与支撑构件的连接、索与支撑构件及基础的连接。

膜结构屋盖许多膜单元拼接而成, 通过不同的组合方式形成不同用途的膜单元, 膜材的连接主要有5种方式—缝合连接、机械连接、粘结连接、热和连接和束带连接 (详见图7) 。

由出厂加工阶段就将两片膜片用缝纫机缝合在一起直接使用, 更加经济实惠, 质量更容易得到保障, 缺点就是缝合部分结构强度较低、耐久性较差, 还要注意防水防漏, 除了一部分棉织物和氟塑料织物等材料采用缝合连接之外一般不采用这种连接方式。

又称夹板螺栓连接 (简称“夹接”) , 通过在两个膜片的边缘埋绳, 用机械夹板在其重叠部分将膜片连接构成整体。施工时需在现场拼接完成, 适用于大跨度大规模的建筑。

将两片膜边缘叠合在一起, 在叠合的地方添加粘合剂使其粘在一起, 强度较低, 耐久性较差, 更多用于一些临时修补位置。

将两片膜材边缘加热至软化后叠合在一起, 通过施加一定的压力使其粘接粘合在一起, 粘合强度极高, 是一种非常安全有效的连接方式, 连接过程可在工厂完成, 也可在现场完成。

在膜边设置环圈, 通过束带将两片膜材连接在一起, 能够更好的调整形状和调节应力分布, 但其在安装和使用过程中经常需要扎紧和放松束带, 需要用到大量的人力物力, 后期投入较大, 为了防止天气变化对束带结点产生影响造成其损坏还需在结点出添加一层覆盖膜。

膜与索有两种连接方式, 目前用得更多的是单边连接 (图详见8) , 在膜材边缘设置膜材索套, 在其加热后将钢索插入其中, 待其冷却后就完成了膜与索的连接, 另外还可以使用夹板将钢索连接在膜材之上 (图详见9) , 双边连接与单边连接大同小异, 需加一层防水的覆盖膜。由于膜材料与钢索材料性质不同, 在连接时结点处需要留有一定的空隙, 能够更好的降低膜材与钢索受到荷载作用产生相对滑动带来的影响。

双向钢索 (图详见10) 之间的连接可以在其交叉结点处设置一个节点板, 或在结点处通过U形夹和夹板等夹具将两根钢索夹在一起, 由于钢索受拉会变细, 夹持力会减弱, 这时候可以通过安装二次旋紧螺旋栓来调整。

多向钢索 (详见图11) 之间的连接可以通过连接板来实现, 安装过程中要尽量使各钢索轴线交于一点, 防止应力集中发生偏移造成连接板损坏, 目前更多以曲线造型来设置, 更能展现膜结构的轻灵之美。

使用刚性夹板将膜边绳固定在刚性边界上, 使用夹板连接要求刚性结构边缘平整, 有棱角时要先倒角, 使夹具与膜材边缘之间更加贴合, 并在夹具与膜面之间放置衬垫, 加强固定作用。

在膜边设置环圈, 将束带通过环圈再将其系于支承结构上, 能够起到很好的固定作用, 还能通过松紧束带达到张拉膜面的目的。

将膜边用绳索固定在铝合金滑槽-绳轨内, 再使用螺栓将绳轨固定再刚性构件上, 还可以通过调节拉力螺栓的松紧来改变预张力, 达到二次使用的目的。

索与支承结构的连接 (详见图12) , 当支承构件为钢构件时, 可以在钢构件上设置一个耳板, 钢索可以通过索端头锚具与其相连, 当支承构件为混凝土或者其他材料时, 可在浇筑阶段设置节点板, 可以通过钢套箍与钢索连接。

由于膜结构的特性限制, 目前还有很多难以解决的缺陷, 例如抵抗局部的荷载能力较差, 容易受风荷载、雨荷载、雪荷载的影响, 膜面易产生褶皱和发生徐变。以目前国内膜结构发展水平, 钢结构的制作精度、防水结点的处理和安装的过程都还不够完善, 仍需要进一步的探索。