膜结构建筑是21世纪最具代表性的一种全新的建筑形式, 是一种建筑与结构完美结合的结构体系。膜结构也即张拉膜结构, 是依靠膜材自身的张拉力和特殊的几何形状而构成的稳定的承力体系。膜只能承受拉力而不能受压和弯曲, 其曲面稳定性是依靠互反向的曲率来保障, 因此需制作成凹凸的空间曲面, 故习惯上又称空间膜结构。膜结构集建筑学、结构力学、精细化工与材料力学、计算机技术等为一体, 具有很高的技术含量, 是古老又现代的建筑结构形式。

膜结构其实是一种古老的建筑结构形式, 早在远古时代, 先人们为了避风雨、遮烈日, 以兽皮作顶, 树枝作柱, 支撑起简易的帐篷, 这便是最原始的膜结构。近代膜结构起源于美国的充气支承膜结构, 百富策略白菜网突破在德国, 盛行于日本、欧洲。最早的真正意义上的膜结构可以认为是1967年加拿大蒙特利尔展览会上的德国馆。随着高新材料出现和建造工艺的提升, 现已成为一门专业性很强的建筑形式。用在建筑设计上, 不仅能加强屋顶区域结构, 而且能扩大建筑设计的空间、提亮室内自然照明, 现已进入大型建筑领域, 在世界各地造就了许多成功的范例, 分别百富策略白菜网于娱乐、体育、商业、工业、农业等领域。

膜结构从结构上可分为三类:张拉式膜结构、骨架式膜结构、充气式膜结构。

建筑设计师之所以采用膜结构, 主要是因为其具有明显的优越性:1) 膜结构的艺术性。膜结构以造型学、色彩学为依托, 可结合自然条件及民族风情, 根据建筑师的创意建造出传统建筑难以实现的曲线及造型。2) 膜结构的经济性。对于同等大小的建筑, 如果采用膜结构, 其成本只相当于传统建筑的1/2或更少, 特别是在建造短期百富策略白菜网的大跨度建筑时, 就更为经济。而且膜结构能够拆卸, 易于搬迁。3) 膜结构的节能性。由于膜材本身具有良好的透光率, 建筑空间白天可以得到自然的漫散射日光, 可以节约大量用于照明的能源。4) 膜结构的自洁性。膜材表面加涂的防护涂层 (如聚四氟乙烯、丙烯酸等) 具有耐高温的特点, 而且本身不发粘, 这样落到膜材表面的灰尘可以靠雨水的自然冲洗而达到自洁的效果。5) 膜结构的大跨度。膜结构中所使用的膜材料每平方米重量仅有1 kg左右, 只是传统建筑的1/30。由于自重轻, 加上钢索、钢结构高强度材料的采用, 受力体系简洁合理。受力大部分以轴力传递, 故使膜结构能跨越大空间而形成开阔的无柱大跨度结构体系。6) 膜结构施工快。膜材裁剪、拼合成型及骨架的钢结构、钢索均在工厂加工制作, 现场仅需组装, 施工简便, 故施工周期比传统建筑短, 至少可缩短1/2。7) 膜结构的透光性。膜材料可滤除大部分紫外线, 防止内部物品褪色。其对自然光的透射率可达25%, 透射光在结构内部产生均匀的漫射光, 无阴影, 无眩光, 具有良好的显色性。8) 膜结构吸热少。对太阳能的反射率为73%, 所以热吸收量很少。即使在炎热的夏季日光的照射下室内也不会受太大影响。9) 膜结构的防火性与抗震性。膜结构建筑所采用的膜材具有卓越的阻燃性和耐高温性, 故能很好地满足防火要求。由于结构自重轻, 又为柔性结构且有较大变形能力, 故抗震性能好。10) 膜结构的吸音性。一般膜结构对于低于60 Hz的低频几乎是透明的, 对于有特殊吸音要求的结构可以采用具有FABRASORB装置的膜结构, 这种组合比玻璃具有更强的吸音效果。

但是膜结构也具有几个缺点:1) 耐久性差, 膜材料的寿命因不同的表面涂层而异, 一般可达12年~50年, 处于临时性建筑到永久性建筑的转变时期。2) 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。

形态分析包括结构初始形状的确定和结构初始几何态的分析, 即找形分析的过程。其目的是确定满足控制点边界条件和初始预应力荷载平衡条件的膜结构形状, 以及与之相关的初始预应力分布。结构在外部荷载作用下从初始状态变形至工作状态的问题是弹性和弹塑性变形问题, 可以采用非线性有限元予以求解。

荷载分析是检验结构能否在实际环境中风、雨或雪等荷载作用下正常工作, 不发生过大的变形和不出现褶皱和松弛。在进行荷载分析时, 应对计算的各个单元中的最大应力和最小应力进行判断。若在迭代过程中出现膜的褶皱或松弛, 应相应修改其单元本构矩阵后再进行下一步的迭代。

膜结构的裁剪分析是膜结构设计中的一个关键技术。现有研究裁剪的工作是在基于形状判定和荷载分析之后的特定几何外形上进行的。裁剪分析中最棘手的问题是考虑初始预应力造成的膜材经纬方向的伸长对裁剪下料的影响。膜结构是张力结构的一种, 其整体刚度主要由初始预应力提供, 单片膜材的裁剪和拼接是在无应力状态下进行的, 而结构张成后膜材必须处于全张力状态。裁剪分析方法可分为3大类:物理模型方法、几何模型方法、平衡模型方法。

现在膜结构的设计有许多方法, 但缺乏一套系统的理论, 仍存在许多问题需要解决和研究。比如膜建筑的隔振问题、内部环境问题、屋顶膜材的融雪问题、隔热问题、积灰问题等, 还有应将现在的计算理论与计算机相结合并开发相应的软件, 研究索膜结构的风振响应, 解决索膜结构在设计和施工过程中出现的问题。

裁剪分析过程中, 必须选定合适的裁剪式样并精确确定连接坐标, 把膜材由空间的预应力状态还原为平面的无应力状态。而一般情况下这时所对应的结构的整体刚度趋于零。据此建立的非线性方程组将变为奇异方程组, 这样得到的解可能是病态的。所以如何把膜材由预应力状态还原为无应力状态是进行膜结构裁剪分析中的关键技术, 但这个问题至今还未得到很好的解决。

由于裁剪分析与膜结构的形状、大小、曲率、材料性能等诸多因素有关, 使得目前各种裁剪方法的百富策略白菜网均受到一定程度的限制。

到目前为止以有限元法为最先进、最普遍被采用的裁减分析方法, 计算理论都是以平面膜单元作为膜结构的计算模型。该方法是从刚性板壳大变形理论移植过来的。膜结构作为只能抗拉的软壳体是不适宜采用这种平面单元的, 其缺点是需要过多的平面内位移来满足平衡的要求, 而实际情况是只需要一定的平面外和平面内的位移及曲率变化就可以了。其后果就是在后面要进行的内力计算时, 代入真实材料常数后, 由于前面找形得到的极小曲面与实际可能存在的膜结构形状的差距在视觉上可能不大, 但对计算来说却是不能忽视的, 因此计算很容易发散或出现皱褶。这也是其他方法的共同缺点, 往往把这一连贯的过程区分成理想化的找形和实际验算两个阶段, 也就不能保证找出的形状都能用真实的膜材建成等应力极小曲面。膜结构现有分析方法所遇到的这些困难, 其主要原因是有限元法对有限元网格的依赖性, 它们基本上都是由于有限元网格的存在而产生的。消除了网格也就避免了这些困难。因此, 如何把无网格法引入膜结构的分析中是一个值得研究的课题。

在膜结构中, 膜材预张力是确保结构稳定与安全的一个重要因素。在施工现场为了得到设计的平衡状态和形状, 在张拉膜片的过程中, 必须把设计预定的膜张力精确地施加到膜材中。这就要求施工人员能随时测量、调整膜张力, 避免出现应力松弛区域和应力集中区域, 避免张力过大引起膜材撕裂。

另外, 膜结构中膜材的一个特性是其张力会随时间发生松弛。如果膜材发生松弛, 就会导致膜面下垂, 在风荷载作用下发生抖颤。当这种情况发生时, 需要测量膜材中的实际应力, 以确定松弛造成的膜张力减退, 再根据测量结果施加、调整膜张力。第一个现代膜结构建成至今已有好几十年了, 因此大量已建成的膜结构需要定期进行膜张力松弛检测。

最早依靠有经验的工人或工程师凭感觉来测量薄膜预张力, 国内有一些膜结构公司可能还在采用这一方法。为了使膜结构成为一种现代技术, 有必要定量地评测薄膜预张力。为此, 日本、美国等国家的一些膜结构公司, 相继提出了各种膜张力测量方法, 研制了一些膜张力测量装置。

膜结构造型新颖、重量轻, 具有广阔的发展前景, 同时现在世界各国在大力提倡建设绿色建筑, 这将膜结构带入了第二个“春天”。因为膜结构的张力很强, 在较大的距离内都不需要钢铁的支撑, 所以这就能节省很多材料。现在研制了一种绝热的内衬, 叫做透明隔热层。将这个隔热层置于布中, 就能达到很好的保温效果, 只要能将保温工作做好, 那么用来烧暖气的燃料自然就减少了, 这也就达到了节能的要求。

膜结构造型新颖、重量轻, 比其他结构形式更容易实现大跨度、无遮拦的空间, 但同时它属于柔性结构, 受风、雨、雪等外荷载的影响比较大, 变形大, 采取更合理的施工手段变得越来越重要。另外, 如何保证结构的最终成形与设计相一致, 除了在设计时更仔细, 各部门配合更一致外, 还要有一定的检测手段来保证。