建筑结构顶部受自身材料重力、跨度、经济性等各种因素的影响, 在建筑设计时受到各种各样的限制。这些限制因素阻碍了空间结构体系的发展以及建筑内在意义的表达。膜结构作为现代空间结构体系中一个重要方向, 是建筑学、计算机科学、结构力学、材料科学、现代化学和现代景观学等学科的综合产物。它是一种新型的建筑结构, 在结构构件受力优异的前提下, 为空间结构体系的发展提供了广阔的空间, 使结构向大跨度大空间方向发展。

充气膜结构作为膜结构的重要组成部分, 凭借高效率的结构受力性能、经济性、环保性、自重轻、大跨度、施工快、可回收、艺术性强等诸多的优越特点, 被广泛百富策略白菜网于各类大跨度的建筑以及建筑的维护结构当中。其以柔性薄膜为主要材料, 利用膜内外压力差来稳定结构的形状和刚度以进行承重。充气膜结构造型丰满, 类型丰富, 除了民用建筑之外, 还能够广泛地在航空航天、农业、污染防治等诸多方面扩展, 具有极大的发展百富策略白菜网空间。21世纪的大跨度空间结构式建筑, 充气膜结构必将成为最具有代表性的结构形式之一。

然而, 与平时所熟知的刚性结构相对, 充气膜结构是一种典型的柔性结构体系, 具有一套较为独特的设计和分析的理论体系。由于充气膜结构的膜材、结构特性的限制, 其本身有着难以完善处理的缺陷, 如膜结构受风荷载、雪荷载影响较为敏感。在风荷载或雪荷载较大的情况下, 结构易发生一系列变形, 进而导致膜材的撕裂或承载力的丧失, 造成结构的失效, 因此如果建立起相对完善的充气膜结构分析体系, 采取措施降低风荷载以及雪荷载对结构的影响程度, 实现充气膜结构和现有建筑的有机组合, 制作出性能优越的薄膜材料, 从而使充气膜结构维持良好的形态和受力性能, 延长膜结构的使用年限, 将会对充气膜结构的发展和百富策略白菜网有着重大的意义, 进而推动大跨度空间结构的进一步发展。

现代意义上的膜结构, 最开始时是以充气膜结构为主要形式出现并进行发展的。在1917年, 英国人W.Lanchester提出了最早的充气膜构想, 用鼓风机使膜布立起以作为临时性的医院, 由于当时的物质技术条件的局限, 只成为一种假想, 并没有实现。直到1946年, 一个直径15 m的球形多谱勒雷达穹顶由美国人Walter Bird建成, 保护雷达免受天气影响的同时, 又不对电波产生干扰, 第一个充气膜结构从此问世。20世纪70年代的日本大阪万国博览会上, 呈现了各式各样的优秀充气膜结构, 膜结构屋顶开始系统地走向了世界。首次出现的大跨度气承式充气膜结构是由建筑师Davis Brody与工程师David Geiger共同完成创作的美国馆。川口卫设计的富士馆, 是截至于今所建立的最大的气肋式充气膜结构。人们认为这是一场历史性的建筑转折, 一个由刚性结构过度到柔性结构的开端。

但由于当时科学技术的限制, 加上受天气的影响较大, 几乎所有的充气场馆在使用中都出现过问题, 加之张拉膜结构的兴起, 大型充气膜结构逐渐被张拉膜取代。随着科技的发展和新型材料的出现, 21世纪以来, 充气膜结构再次焕发出光彩, 受到建筑师们的追捧。造型丰富, 各具特色的充气膜结构逐一呈现。本世纪初的瑞士气囊膜屋顶自行车竞技场;瑞士博览会在苏黎世建成的3个名为艺术海滩的膜结构展览馆;2006年世界杯中慕尼黑的安联体育场, 其外墙设计有充满惰性气体的气枕, 夜晚比赛可以发出不同的颜色。气囊的网格化、精小化并与其他结构体系相结合等将是未来气囊膜的发展趋势。

国内的充气膜结构发展起步较晚, 但是我国率先进行的张拉膜结构的有关研究, 为充气膜结构的发展奠定了一定的理论基础。国内真正意义上充气膜结构工程的开端, 是20世纪90年代北京建成的房山游泳馆, 同年在鞍山建成的农委游泳馆。尽管起步较晚, 但是国内充气膜结构的发展势头迅猛, 尤其是北京奥运会的开展, 重新为其发展注入了强大的动力。作为奥运会比赛场馆之一的“水立方”, 是当前世界上最大的膜结构工程, 采用3 000多个大小各异的ETFE透明气垫作为墙体填充构件, 建筑外层膜结构透明轻巧, 具有良好的自洁性, 尘埃可随雨水排除, 同时给人以美轮美奂的视觉冲击和艺术感受, “水立方”做到了艺术、科技、环保的完美结合。并且膜材研究领域以此为契机, 在境内开设了ETFE膜材的生产工厂, 摆脱了膜材依赖高价进口的局面, 进一步为膜结构的进一步发展奠定了基础。

充气膜结构是膜结构的重要分支, 它是以优性能的薄膜为材料, 通过膜内外形成的气压差, 使膜面处于绷紧状态, 形成具备一定刚度和形态的结构形式, 从而抵抗外界施加的荷载。从充气膜的工作原理来分, 充气膜结构可分为气承式膜结构和气囊式膜结构;从空间结构效用亦可分为单层膜和双层膜结构。气承式膜结构是将膜面周围固定在闭合的刚性支撑上, 形成密闭空间, 借用鼓风机增大室内气压, 膜面受拉鼓起达到设计曲面, 确保内外压差维持结构的形态和刚度。气承式充气膜结构需不断地鼓入空气, 在暴雪、大风等恶劣的环境下, 需要提高室内气压增加结构刚度来抵抗外部荷载。气囊式膜结构为双层封闭膜, 通过向封闭膜空间内鼓入空气获得高压使膜面绷紧受拉, 维持一定的形态和刚度。气囊式膜结构不需持续鼓入空气, 对膜材要求较高, 其与外部结构的组合性较强, 可形成多式多样的建筑风格, 具有浓重的艺术性。

在建筑领域, 充气膜结构和传统建筑结构相比, 除传统建筑功能之外, 还具有下面等诸多优势。

(1) 充气膜的自重较轻, 膜的透光性、耐火性、耐久性、耐候性好, 结构可实现大跨度, 且跨中不需设置任何的支撑, 可扩大建筑设计空间。

(2) 充气膜膜材自身自洁性好且绿色环保, 在雨水冲刷下可进行自我清洁, 其膜材废弃后可回收重复利用。

(3) 充气膜结构的经济性好, 和传统的建筑相比, 性价比高, 其造价只有普通建筑的1/3至1/2左右, 且施工快捷方便, 工期可缩至传统建筑的一半, 工厂化生产性强, 从建设到运营及维护阶段花费极低。

(4) 充气膜结构的空气过滤性能好, 其通风系统可大量吸收空气中的颗粒粉尘, 极大改善结构内部空间的空气环境且不受外界天气影响。

(5) 充气膜结构的抗震性能杰出, 为柔性结构, 可承受较大的结构位移。

(6) 充气膜结构适用性强, 不仅可以用于临时性结构, 还可以用于体育馆、工业厂房、仓库等大跨度的永久结构中, 也无地区性的限制。

(7) 和刚性建筑结构相比, 充气膜结构的艺术性强, 其结构外形丰富, 变化性强, 可形成独特新颖的造型, 给以美轮美奂的艺术审美体验。

(8) 与张拉膜结构相比, 充气膜结构初始预应力源自内外气压差, 张拉膜结构则是通过张拉索和支座位移实现, 这是充气膜结构和张拉膜结构之间的本质区别。在抵抗外荷载方面, 张拉膜通过曲面曲率变化来实现, 充气膜结构通过曲面曲率变化和内压共同作用;初始形态分析方面, 张拉膜结构的预应力和膜的几何形态是一一对应的, 充气膜结构则是预应力、形态和压差三者相对应, 且内压在其中起到了关键作用, 直接对形态分析的结果产生影响;膜面受力上, 张拉膜为平面受力, 充气膜结构除平面应力外, 还需考虑内压压力作用, 受力分析较为复杂;膜面绷紧情况上, 张拉膜结构受拉张力极大, 膜面长期处于高度张拉状态, 膜材较易起褶, 并容易老化变形。而充气膜结构在正常使用状态下, 其膜材内部仅需低压维持, 就可受到较好保护, 唯有在承担大量风荷载或雪荷载的状况下, 提高结构内压, 薄膜表面的应力增大, 结构整体刚度和整体稳定性提高。

根据充气膜结构在建筑中所起的作用以及和不同建筑构件组合, 目前国内的充气膜结构大致可分为以下几种形式:

(1) 充气膜结构作为大跨度空间结构的主体构件, 直接用于建筑结构顶部。例如富士康的可移动洁净厂房, 厂房顶部直接采用充气膜结构, 不仅扩大了厂房内部空间, 气膜的降尘节能功能, 亦有效地缓解了气体无组织排放的的问题, 体现了绿色环保的主题。

(2) 充气膜结构不直接承受结构顶部荷载, 作为建筑结构的维护构件用于建筑中。“水立方”外墙体和屋面围护结构采用了气囊式膜结构, 将ETFE透明气枕填充入类似细胞排列的钢结构骨架之中, 使建筑物外观表现出水的流动状态, 走入其中, 整个空间都给人一种被水滴充满的感觉。同时, “水立方”气枕上的镀点还起到反射光线的作用, 将强光以及多余热量挡在馆外, 气枕中充入了惰性气体, 在夜晚可呈现出不同色彩, 给人强烈的美感和艺术感受。

(3) 充气膜结构取代传统的钢模板和木模板, 作为永不撤除的外模板, 用于大型仓储。位于内蒙古自治区的葫芦素选煤厂, 是典型的气膜混凝土穹顶球仓式结构。球仓采用充气膜结构和混凝土组合的形式, 以充气后定型的大型气膜作为外模板, 气膜内部喷涂聚氨酯作为保温材料, 进而进行结构钢筋绑扎, 放弃传统的混凝土浇筑选用喷射混凝土完成主要的结构。相比于其他结构形式的仓储结构, 如球形网架、筒形、槽仓式储仓, 气膜混凝土穹顶球仓的施工更为快捷, 保温效果更加明显, 容量更大, 结构的刚性和稳定性更强, 结构的经济效果更好。

(1) 充气膜结构在动力荷载分析上的研究仍需发展, 索膜协同工作研究缺少对摩擦力的分析。

(2) 由于充气膜膜材的制约, 膜材仍需不断改进以提高充气膜结构的耐久性。

(3) 充气膜和混凝土组成的气膜混凝土穹顶球仓, 充气膜结构和其他结构的有机组合仍有广阔的发展空间。

(4) 充气膜结构受风荷载、雪荷载的影响仍比较敏感, 需采取措施降低风雪对其的影响程度。

我国虽然在充气膜结构上的研究起步较晚, 但是发展还比较迅速。目前, 国内关于充气膜结构的找形分析、荷载分析以及裁剪分析的研究取得了一系列进展, 尤其在索膜协同工作上的研究取得了很大成果。

在不久的将来, 随着充气膜结构的进一步试验研究, 采取措施降低风雪荷载的影