膜结构也即织物结构, 是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间结构形式。它以性能优良的柔软织物为材料, 由膜内充气压力支承膜面, 或利用柔性钢索、刚性支承结构使膜产生一定的预张力, 从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。最早的膜结构雏形可追溯到公元前若干世纪的帐篷结构。现代意义上的膜结构工程最早出现于20世纪50年代, 是集建筑、结构、材料和计算机等科学为一体的高科技工程。近几十年来, 由于薄膜材料特殊的优越性能及建筑技术水平的不断提高, 膜结构在世界范围内的发展空前繁荣。

目前膜结构材料 (简称膜材) 主要有: (1) 以聚酯织物为基材, 上涂聚氯乙烯 (PVC) ; (2) 以玻璃纤维织物为基材, 上涂聚氟乙烯 (PVF) ; (3) 以玻璃纤维织物为基材, 上涂聚四氟乙烯 (PTFE) 即特氟隆 (Tefion) ; (4) 以玻璃纤维织物为基材, 上涂有机硅树脂 (Silion) , 等等。

以聚酯织物为基材加上乙烯基的涂层, 这种材料价格便宜, 但在污染的环境侵蚀下颜色变得难看, 透光率降低, 涂层容易被破坏而影响膜材的使用年限。如果在涂层外再加一面层, 不但能保护织物抵抗紫外线, 而且能大大改善自洁性。以玻璃纤维织物为基材涂上聚氟乙烯, 这种材料面层需要一种特殊的粘合剂涂在膜材表面, 加层之后材料显得有点硬。以玻璃纤维织物为基材涂上特氟隆或有机硅树脂的膜材, 则具有较好的耐久性。另外一种较新的面层是聚偏氟乙烯 (PVDF) , 其价格虽是一般聚酯膜材的2.5倍, 但仍不到玻璃纤维膜材的一半, 而且具有较好的隔热性能, 自洁性也很好。

按膜在结构中所起的作用和膜的结构形式, 膜结构体系一般可分为充气式膜结构、骨架式膜结构、张拉膜结构及索穹顶结构等。它们具有不同的结构特点和建筑表现形式, 可适应不同的百富策略白菜网场所。

充气膜结构是膜发展过程中最初阶段的主要形式, 它利用膜内外的气压力差为膜材施加预应力, 使膜面能覆盖所形成的空间。分为气撑式与充气胎式两种。充气膜结构适用于跨度超过70 m的大跨度体育设施, 一般采用低拱度、一层膜或二层膜的结构形式。发展至今, 由于充气膜结构在使用过程中出现了较多问题, 除在特殊领域百富策略白菜网外, 已大部分被张力膜结构所代替。

骨架式膜结构以钢或其他材料构成刚性骨架, 膜张拉并置于骨架上。其显著特点在于:膜不是维持结构体系存在的必要结构单元, 也不仅仅是单纯的覆盖屋面体系, 而是充分发挥了采光建筑功能和高强受力特性。现在骨架式膜结构有膜面曲率减小、趋于平缓、预应力水平增加的趋势。骨架式膜结构具有广泛地百富策略白菜网领域, 特别是大型公共体育馆、会展中心等。

张拉膜结构是通过给膜材直接施加预拉力使之具有刚度, 并承担外荷载的结构形式。完整的张拉式膜结构一般由张拉薄膜、加劲索及支承结构三部分组成。目前各种形式张拉膜结构广泛百富策略白菜网于各个领域, 包括大型或大中型体育、文化、娱乐、商业设施以及小型景观作品等。

索穹顶结构是空间双层索系和覆面膜材的联合运用, 形成的一种高效的大跨度轻型屋盖结构形式。可细分为Geiger索穹顶和Fuller三角索穹顶。索穹顶一般由中心受拉 (钢) 环梁、径向脊索、环向拉索、受压立杆、斜向对角索及外侧受压环梁组成。其造型新颖、造价经济、安装方便, 结构效率极高, 成功地百富策略白菜网于一些大跨度、超大跨度的结构。

概括而言, 膜结构有以下特点。

多变的支承结构和柔性膜材使建筑物造型更加多样化, 新颖美观, 富有时代气息。

膜结构屋面重量仅为常规钢屋面的1/30, 降低了墙体和基础的造价。同时膜建筑奇特的造型和夜景效果有明显的“建筑可识性”和商业效应, 其价格效益比更高。

膜工程中所有加工和制作均可在工厂内完成, 在现场只进行安装作业。比传统建筑的施工周期几乎要快一倍。

具有良好的透光性, 透光率7%~20%, 可以充分利用自然光, 减少能源消耗。并且具有良好的阻燃性和自洁性。

由于膜结构自重轻, 膜建筑可以不需要内部支承, 这使人们可以更灵活、更有创意地设计和使用建筑空间。

目前, 膜结构的主要缺点是耐久性差。现在的设计寿命已达20年以上, 介于临时性建筑和永久性建筑之间;其次由于薄膜张力的连续性, 局部的破坏就会造成整个薄膜结构的垮塌。

早在1917年, 英国的兰彻斯特首次提出气承式帐篷, 用于野战医院, 并申请了专利, 但由于当时的技术条件原因没有成为现实。1946年, 华特·贝尔德为美国军方做了一个直径为15 m圆形充气的雷达罩, 可以保护雷达不受气候侵袭, 又可让电波无阻地通过, 从而使相隔了19年的专利付诸实施。

张拉式膜结构的先行者是德国的奥托, 他在1955年设计的张拉膜结构跨度在25 m左右, 用于联合公园多功能展厅。由于张拉膜结构是通过边界条件给膜材施加一定的预张应力以抵抗外部荷载的作用, 因此在一定初始条件下其初始形状的确定, 在外荷载作用下膜中应力与变形, 以及怎样用二维的膜材料来模拟三维的空间曲面等一系列复杂的问题, 都需要由计算来确定, 所以, 张拉膜结构的发展离不开计算机技术的进步和新算法的提出。

在1956年以后美国一共成立了约50多家的膜结构公司, 制造各种膜产品, 用作体育设施、展览场、设备仓库、轻工业厂房等。1960年间, 德国斯图加特大学的弗赖·奥托先后于1962年和1965年发表了研究膜结构的成果, 并同帐篷制造厂商合作, 做了一些帐篷式膜结构和钢索结构。其中最引人注目的是1967年在蒙特利尔博览会上的西德馆和1972年建成的德国慕尼黑奥林匹克体育馆, 其造型是用丝网模型法实现的, 屋盖结构为索网上覆盖聚脂纤维膜材料。后来这种技术被美国的盖格-勃格公司采纳, 并进一步完善发展成无需索网的张拉式膜结构。在欧洲, 尤其是德国, 可以说是开了膜结构商业化的先河。另一种新型的主要用于大型体育建筑中的骨架式膜结构-索穹顶膜结构, 该类结构体系的成型及受力分析非常复杂, 施工难度大, 技术条件要求高, 充分体现了现代建筑的高科技。其中规模最大的要属英国的“千年穹顶”。它是由12根100 m高的钢构式桅杆支撑72块膜材料构成, 直径为320m, 相当于20块足球场地大小, 是目前世界上单体规模最大的膜结构建筑, 充分体现了当今人们对膜结构技术的深入理解和建造能力。

膜结构已经有20多年的历史了, 膜结构也不乏工程实例。20世纪80年代同济大学的学者为上海工业展览馆设计建造了一座高27 m、直径15.4 m的圆柱形气承式膜结构展厅, 这是我国在膜结构工程实践方面的第一个尝试。

由加拿大某公司在1989年设计建造的北京丽都假日饭店网球馆, 该网球馆为室内充气式膜结构, 建造在2层屋顶上, 覆盖4个网球场地的大小。随后天津大学、哈尔滨建筑大学、中国建筑科学研究院、同济大学、浙江大学、北方交通大学、西安交通大学等高校及科研单位对膜结构展开了广泛而深入的研究, 在理论上取得了不少科研成果。20世纪90年代初, 北京、天津等地相继成立了几个从事膜结构建筑的企业, 只是大部分业务还仅局限于膜结构遮阳等临时性或半临时性建筑。近几年来, 由于一些专业膜结构工程师、建筑师的加盟与努力, 极大地推动了我国膜结构建筑业的迅速发展, 建成的膜结构建筑代表了我国目前膜结构的设计和建造水平, 它们遍布全国各地, 大到几万平方米的体育场罩篷, 小到花园小品, 有气承式、骨架式, 但大部分是张拉式与组合式膜结构, 这些膜结构建筑千娇百媚形状各异, 在空间结构的百花园里独树一帜, 分外惹人注目。

1997年为召开第八届全国运动会, 上海建造了8万人体育场。该体育场看台罩篷是在悬挑钢桁架与环形钢桁架共同形成的刚性骨架上面采用张拉式膜结构单元, 为一组合式膜结构体系。这是我国首次将膜结构百富策略白菜网到大型永久性建筑上, 标志着膜结构已被我国工程界所接受, 为膜结构在我国的广泛百富策略白菜网拉开了序幕。上海虹口体育场采用了鞍形大悬挑空间索桁架支承的膜结构;青岛颐中体育场的看台挑篷为组合锥形张拉膜结构形式;武汉体育场是由上下外环梁和内环索支承的波形膜屋盖;深圳大学体育场也采用了膜结构方案。我国自行设计、自行施工, 并采用国产材料的首例大型典型索膜结构是长沙的世界之窗剧场。

用于2000年奥运会游泳选拔赛的杭州游泳馆膜结构工程是由国内专业膜结构公司制作的最大的工程, 且为首例采用全封闭式、双层膜结构, 就其结构形式和节点难度在国外膜结构专家看来是非常罕见的。建筑师将当今流行于国际上的膜结构百富策略白菜网于该工程健身楼、网球馆及游泳馆的屋面, 并确定只有膜材才能实现风格独特的屋面造型。威海体育中心体育场可容纳观众近40 000人, 体育场看台主体结构采用钢筋混凝土斜向框架。看台上空设一大型轻质罩篷, 用膜结构设计。

在2008北京奥运会上, 膜结构在我国的百富策略白菜网也得到了完美的体现。作为奥运游泳中心的“水立方”是目前世界上最大的膜结构工程。除了地面之外, 外表部都采用了膜结构-ETFE (聚乙烯-四氟乙烯共聚物) 材料, 蓝色的表面出乎意料的柔软但又很充实。国家体育馆工程承包总经理唐晓春透露, 这种材料的寿命为20多年, 但实际会比这长, 人们可以踩在上面行走, 感觉特别棒。目前世界上只有三家企业能够完成这样的膜结构。

膜结构在我国目前发展是非常迅速的, 但仍旧存在许多亟待解决的问题。

质量问题是制约现阶段国内膜结构发展的最重要因素之一。目前我国膜材基本来自国外, PTFE膜材主要来自美国、德国、日本, PVC膜材主要来自法国 (FERRARI) 、德国 (MEHLER、DURASKIN) 、美国 (SEAMEN) 以及韩国的秀博公司等。国内生产的膜材或因物理性能欠佳, 或因力学性能不足, 尚难满足大型工程及我国膜结构发展的需要。因此, 国内企业应当在引进相关人才、加大研发力度、提高生产质量上下功夫, 这样才能使我国膜材质量有所突破、赶超国外先进水平。

由于我国现阶段膜建筑建设所需膜材大多数依赖美国、德国、日本等膜材公司, 所以膜材的价格一直偏高, 这也就提高了工程造价。只有我国企业能自主研发物理性能与力学性能具佳的膜材产品才能打破长期依赖国外进口的尴尬局面。

由于膜材的基层材料是由纤维按经纬方向编织而成, 材料属正交异性, 膜材受力时表现出明显的非线性, 这些力学特性的存在决定了膜结构设计的复杂性。而我国膜结构研究起步较晚, 国外的文献都没有公开核心部分, 许多是以专利的形式存在的, 且膜结构分析设计理论本来就还不够成熟和完善, 因此难以获得国外膜材的相关核心理论和技术。

国际上膜结构分析软件主要有美国Birdair公司的MCM软件与美国电脑设计公司的ACP软件 (均适用于找形分析与荷载分析) 以及美国Autometrix公司的PS软件 (适用于裁剪分析) 。而德国Technet公司的EASY软件既可用于找形分析、荷载分析, 又可用于裁剪分析, 具有较强的功能, 目前已为国内不少单位使用。

国内高校、科研单位与企业也相继开发出一些膜结构设计软件。如天津麦卡特膜结构科技发展公司开发的MEDE软件、同济大学开发的3D3S膜结构设计软件、北京光翌空间膜技术工程有限公司开发的MCAD软件等, 另外还有一些相关软件也正在研发中。这些软件虽各有特点, 但膜结构的发展还期盼研究部门早日推出功能强大、界面友好、易于操作的高质量商品化软件。

由于膜材是一种抗弯、抗压刚度趋近于零的材料, 抗剪强度也很差, 因此就需要靠膜曲面的曲率变化和其中预张应力来提高其结构刚度和稳定性。膜结构的荷载一般只考虑风荷载和雪荷载, 荷载作用下膜材料的变形较大。施工中为使膜面减少褶皱, 且为了控制由风产生的膜面震动, 就要求在膜结构的施工中对膜面形成一定的张力。但目前尚未出现能准确测量膜材的仪器, 仅靠经验施工难免出现差错, 对施工效果也有一定的影响。因此膜结构安装前必须对相关土建尺寸进行复核, 及时调整膜片剪裁尺寸。

在膜结构的设计中不可忽视的一点就是膜结构的排水问题。因为膜面有一定的形状和造型, 难免会在膜材端部的拉结点与建筑物的接触处形成雨水的导水口, 大面积的雨水汇集从接触处向下流淌从而污染墙面, 影响美观。在设计找形时应当避免局部存在平坦区域, 通过增大膜结构形体周边圆弧的弧度和加大膜体坡度来防止。因此, 在设计中做好膜结构的排水问题至关重要。

在裁剪膜片时, 一般应使膜片纤维方向与主应力方向一致。但实际操作时特别是对一些角部或边缘区域, 裁剪精度不高易造成热合后的膜片收缩不一致, 这些区域的膜材往往易出现褶皱。为避免这种情况的发生, 应制作尺寸精确的模型来估计薄膜拉力并确定裁剪方案。

膜材料属于易损物品, 破损后难以恢复原样。但是, 施工中难免会对其造成损坏。因此, 施工过程中施工组织设计的合理编制同安全管理一样重要。

对于使用不燃材料PTFE膜材的建筑, 没有问题。但如果使用PVC膜材, 其燃烧性能是B1级, 对外部火焰的抵御能力相对较差, 遇到较强热辐射和带冲击的飞火侵害, 可能会烧坏膜材。虽然由于PVC膜材具有自熄性, 不会造成火的扩大蔓延, 但也要及时对膜材进行局部的修补或更换, 否则膜材破坏失去张力对结构整体的稳定性会产生严重影响。

(1) 随着我国综合国力的增强和经济建设的快速发展, 膜结构建筑设施已得到广泛地百富策略白菜网。进入21世纪后, 随着中国申奥的成功和加入了WTO, 由中国人自己设计和施工的膜结构体育场馆和展览馆如雨后春笋般涌现在中国广袤的大地上。膜建筑在我国广泛适用于以下各个领域:文化设施—展览中心、剧场、会议厅、博物馆、植物园、水族馆等;体育设施—体育场、体育馆、健身中心、游泳馆、网球馆、篮球馆等;商业设施—商场、购物中心、酒店、餐厅、商店门头 (挑檐) 、商业街等;交通设施—机场、火车站、公交车站、收费站、码头、加油站、天桥连廊等;工业设施—工厂、仓库、科研中心、处理中心、温室、物流中心等;景观设施—建筑入口、标志性小品、步行街、停车场等。我国目前每年大约有10万平方米的膜结构工程, 虽然基数不高, 可发展的潜力和势头非常迅猛。

(2) 膜结构设计理论与施工技术日趋完善。从20世纪80年代起, 我国一些研究部门和高等院校开始对膜结构进行研究, 经过这些年的努力, 为我国膜结构事业建立了一定的理论储备和技术储备, 培养了一批专门从事膜结构研究的博士、硕士和工程技术人员。2004年《膜结构技术规程》的出台, 为推动膜结构在我国的蓬勃发展向前迈开了一大步, 相信我国还会制定更多更全的相关技术标准, 健全膜结构的行业组织。加强对膜结构设计技术交流、培训, 重视设备更新、加快工艺改革, 推动膜结构在我国积极健康地发展。