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摘要：膜結構是一種古老的建筑結構，隨著現代建筑科技的發展而重生。從膜材種類、膜結構體系形式及特點入手，結合對膜結構的認識，從不同的角度和層面分析了其在我國的發展現狀與趨勢，從而揭示了我國膜結構的開發和研究有著廣泛的發展前景。...

膜結構在我國發展的綜合探討

余  樂，王作文，劉冠男

(西南石油大學建筑工程學院，四川成都610500)

    膜結構也即織物結構，是20世紀中葉發展起來的一種新型大跨度空間結構形式。它以性能優良的柔軟織物為材辭，由膜內充氣壓力支承膜面，或利用柔性鋼索、剛性支承結構使膜產生一定的預張力，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大空間的結構體系。最早的膜結構雛形可追溯到公元前苦干世紀的帳篷結構。現代意義上的膜結構工程最早出現于20世紀50年代，是集建筑、結構、材料和計算機等科學為一體的高科技工程。近幾十年來，由于薄膜材料特殊的優越性能及建筑技術水平的不斷提高，膜結構在世界范圍內的發展空前繁榮。

1、膜結構材料種類

    目前膜結構材料(簡稱膜材)主要有：(1)以聚酯織物為基材，上涂聚氯乙烯(PVC)；(2)以玻璃纖維織物為基材，上余聚氟乙烯(PVF)；(3)以玻璃纖維織物為基材，上涂聚四氟二烯(PTFE)即特氟隆(Teflon)；(4)以玻璃纖維織物為基材，上涂有機硅樹脂(Silion)，等等。

    以聚酯織物為基材加上乙烯基的涂層，這種材料價格便宜，但在污染的環境侵蝕下顏色變得難看，透光率降低，涂層容易被破壞而影響膜材的使用年限。如果在涂層外再加一面層，不但能保護織物抵抗紫外線，而且能大大改善自潔性。以玻璃纖維織物為基材涂上聚氟乙烯，這種材料面層需要一砷特殊的粘合劑涂在膜材表面，加層之后材料顯得有點硬。以玻璃纖維織物為基材涂上特氟隆或有機硅樹脂的膜材，則具有較好的耐久性。另外一種較新的面層是聚偏氟乙烯PVDF)，其價格雖是一般聚酯膜材的2.5倍，但仍不到玻璃纖維膜材的一半，而且具有較好的隔熱性能，自潔性也很好。

2、膜結構體系的分類及特點

    按膜在結構中所起的作用和膜的結構形式，膜結構體系一般可分為充氣式膜結構、骨架式膜結構、張拉膜結構及索穹頂結構等。它們具有不同的結構特點和建筑表現形式，可適應不同的應用場所。

    2.1充氣膜結構

    充氣膜結構是膜發展過程中最初階段的主要形式，它利用膜內外的氣壓力差為膜材施加預應力，使膜面能覆蓋所形成的空間。分為氣撐式與充氣胎式兩種。充氣膜結構適用于跨度超過70m的大跨度體育設施，一般采用低拱度、一層膜或二層膜的結構形式。發展至今，由于充氣膜結構在使用過程中出現了較多問題，除在特殊領域應用外，已大部分被張力膜結構所代替。

    2.2骨架式膜結構

    骨架式膜結構以鋼或其他材料構成剛性骨架，膜張拉并置于骨架上。其顯著特點在于：膜不是維持結構體系存在的必要結構單元，也不僅僅是單純的覆蓋屋面體系，而是充分發揮了采光建筑功能和高強受力特性。現在骨架式膜結構有膜面曲率減小、趨于平緩、預應力水平增加的趨勢。骨架式膜結構具有廣泛地應用領域，特別是大型公共體育館、會展中心等。

    2.3張拉膜結構

    張拉膜結構是通過給膜材直接施加預拉力使之具有剛度，并承擔外荷載的結構形式。完整的張拉式膜結構一般由張拉薄膜、加勁索及支承結構三部分組成。目前各種形式張拉膜結構廣泛應用于各個領域，包括大型或大中型體育、文化、娛樂、商業設施以及小型景觀作品等。

    2.4索穹頂結構

    索穹頂結構是空間雙層索系和覆面膜材的聯合運用，形成的一種高效的大跨度輕型屋蓋結構形式。可細分為Gei—ger索穹頂和Fuller三角索穹頂。索穹頂一般由中心受拉(鋼)環梁、徑向脊索、環向拉索、受壓立桿、斜向對角索及外側受壓環梁組成。其造型新穎、造價經濟、安裝方便，結構效率極高，成功地應用于一些大跨度、超大跨度的結構。

    概括而言，膜結構有以下特點。

    (1)建筑的形體塑造更自由。多變的支承結構和柔性膜材使建筑物造型更加多樣化，新穎美觀，富有時代氣息。

    (2)經濟效益更明顯。膜結構屋面重量僅為常規鋼屋面的1/30，降低了墻體和基礎的造價。同時膜建筑奇特的造型和夜景效果有明顯的“建筑可識性”和商業效應，其價格效益比更高。

    (3)施工周期更短。膜工程中所有加工和制作均可在工廠內完成，在現場只進行安裝作業。比傳統建筑的施工周期幾乎要快一倍。

    (4)能源損耗更低。具有良好的透光性，透光率7％、20％，可以充分利用自然光，減少能源消耗。并且具有良好的阻燃性和自潔性。

    (5)建筑空間具有更大的跨度。由于膜結構自重輕，膜建筑可以不需要內部支承，這使人們可以更靈活、更有創意地設計和使用建筑空間。

    目前，膜結構的主要缺點是耐久性差。現在的設計壽命已達20年以上，介于臨時性建筑和永久性建筑之間；其次由于薄膜張力的連續性，局部的破壞就會造成整個薄膜結構的垮塌。

3、國內外膜結構發展狀況

    3.1國外膜結構的發展

    早在1917年，英國的蘭徹斯特首次提出氣承式帳篷，用于野戰醫院，并申請了專利，但由于當時的技術條件原因沒有成為現實。l946年，華特·貝爾德為美國軍方做了一個直徑為l5m圓形充氣的雷達罩，可以保護雷達不受氣候侵襲，又可讓電波無阻地通過，從而使相隔了19年的專利付諸實施。

    張拉式膜結構的先行者是德國的奧托，他在1955年設計的張拉膜結構跨度在25m左右，用于聯合公園多功能展廳。由于張拉膜結構是通過邊界條件給膜材施加一定的預張應力以抵抗外部荷載的作用，因此在一定初始條件下其初始形狀的確定，在外荷載作用下膜中應力與變形，以及怎樣7用二維的膜材料來模擬三維的空間曲面等一系列復雜的問題，都需要．由計算來確定，所以，張拉膜結構的發展離不開計算機技術的進步和新算法的提出。

    在1956年以后美國一共成立了約50多家的膜結構公司，制造各種膜產品，用作體育設施、展覽場、設備倉庫、輕工業廠房等。1960年問，德國斯圖加特大學的弗賴．奧托先后于1962年和l965年發表了研究膜結構的成果，并同帳篷制造廠商合作，做了一些帳篷式膜結構和鋼索結構。其中最引人注目的是1967年在蒙特利爾博覽會上的西德館和1972年建成的德國慕尼黑奧林匹克體育館，其造型是用絲網模型法實現的，屋蓋結構為索網上覆蓋聚脂纖維膜材料。后來這種技術被美國的蓋格一勃格公司采納，并進一步完善發展成無需索網的張拉式膜結構。在歐洲，尤其是德國，可以說是開了膜結構商業化的先河。另一種新型的主要用于大型體育建筑中的骨架式膜結構一索穹頂膜結構，該類結構體系的成型及受力分析非常復雜，施工難度大，技術條件要求高，充分體現了現代建筑的高科技。其中規模最大的要屬英國的“千年穹頂”。它是由l2根180 m高的鋼構式桅桿支撐72塊膜材料構成，直徑為320m，相當于20塊足球場地大小，是目前世界上單體規模最大的膜結構建筑，充分體現了當今人們對膜結構技術的深入理解和建造能力。

    3.2國內膜結構的發展

    膜結構已經有20多年的歷史了，膜結構也不乏工程實例。20世紀80年代同濟大學的學者為上海工業展覽館設計建造了一座高27m、直徑15.4m的圓柱形氣承式膜結構展廳，這是我國在膜結構工程實踐方面的第一個嘗試。

    由加拿大某公司在1989年設計建造的北京麗都假日飯店網球館，該網球館為室內充氣式膜結構，建造在2層屋頂上，覆蓋4個網球場地的大小。隨后天津大學、哈爾濱建筑大學、中國建筑科學研究院、同濟大學、浙江大學、北方交通大學、西安交通大學等高校及科研單位對膜結構展開了廣泛而深入的研究，在理論上取得了不少科研成果。20世紀90年代初，北京、天津等地相繼成立了幾個從事膜結構建筑的企業，只是大部分業務還僅局限于膜結構遮陽等臨時性或半臨時性建筑。近幾年來，由于一些專業膜結構工程師、建筑師的加盟與努力，極大地推動了我國膜結構建筑業的迅速發展，建成的膜結構建筑代表了我國目前膜結構的設計和建造水平，它們遍布全國各地，大到幾萬平方米的體育場罩篷，小到花園小品，有氣承式、骨架式，但大部分是張拉式與組合式膜結構，這些膜結構建筑千嬌百媚形狀各異，在空間結構的百花園里獨樹一幟，分外惹人注目。

    1997年為召開第八屆全國運動會，上海建造了8萬人體育場。該體育場看臺罩篷是在懸挑鋼桁架與環形鋼桁架共同形成的剛性骨架上面采用張拉式膜結構單元，為一組合式膜結構體系。這是我國首次將膜結構應用到大型永久性建筑上，標志著膜結構已被我國工程界所接受，為膜結構在我國的廣泛應用拉開了序幕。上海虹口體育場采用了鞍形大懸挑空間索桁架支承的膜結構；青島頤中體育場的看臺挑篷為組合錐形張拉膜結構形式；武漢體育場是由上下外環梁和內環索支承的波形膜屋蓋；深圳大學體育場也采用了膜結構方案。我國自行設計、自行施工，并采用國產材料的首例大型典型索膜結構是長沙的世界之窗劇場。

    用于2000年奧運會游泳選拔賽的杭州游泳館膜結構工程是由國內專業膜結構公司制作的最大的工程，且為首例采用全封閉式、雙層膜結構，就其結構形式和節點難度在國外膜結構專家看來是非常罕見的。建筑師將當今流行于國際上的膜結構應用于該工程健身樓、網球館及游泳館的屋面，并確定只有膜材才能實現風格獨特的屋面造型。威海體育中心體育場可容納觀眾近40000人，體育場看臺主體結構采用鋼筋混凝土斜向框架。看臺上空設一大型輕質罩篷，用膜結構設計。

    在2008北京奧運會上，膜結構在我國的應用也得到了完美的體現。作為奧運游泳中心的“水立方”是目前世界上最大的膜結構工程。除了地面之外，外表部都采用了膜結構—ETFE(聚乙烯一四氟乙烯共聚物)材料，藍色的表面出乎意料的柔軟但又很充實。國家體育館工程承包總經理唐曉春透露，這種材料的壽命為20多年，但實際會比這長，人們可以踩在上面行走，感覺特別棒。目前世界上只有三家企業能夠完成這樣的膜結構．  

4、我國膜結構目前存在的問題及對策

    膜結構在我國目前發展是非常迅速的，但仍舊存在許多亟待解決的問題。

    4.1膜材質量與國外有一定差距

    質量問題是制約現階段國內膜結構發展的最重要因素之一。目前我國膜材基本來自國外，PTFE膜材主要來自美國、德國、日本，PVC膜材主要來自法國(FERRARI)、德國(MEHLER、DURASKIN)、美[](SEAMEN)以及韓國的秀博公司等。國內生產的膜材或因物理性能欠佳，或因力學性能不足，尚難滿足大型工程及我國膜結構發展的需要。因此，國內企業應當在引進相關人才、加大研發力度、提高生產質量上下功夫，這樣才能使我國膜材質量有所突破、趕超國外先進水平。

    4.2膜材價格偏高

    由于我國現階段膜建筑建設所需膜材大多數依賴美國、德國、日本等膜材公司，所以膜材的價格一直偏高，這也就提高了工程造價。只有我國企業能自主研發物理性能與力學性能具佳的膜材產品才能打破長期依賴國外進口的尷尬局面。 

    4.3國外相關理論和技術的保密

    由于膜材的基層材料是由纖維按經緯方向編織而成，材料屬正交異性，膜材受力時表現出明顯的非線性，這些力學 特性的存在決定了膜結構設計的復雜性。而我國膜結構研究起步較晚，國外的文獻都沒有公開核心部分，許多是以專利的形式存在的，且膜結構分析設計理論本來就還不夠成熟和完善，因此難以獲得國外膜材的相關核心理論和技術。

    4.4沒有開發出商業性的膜結構分析計算機輔助設計系統

    國際上膜結構分析軟件主要有美國Birdair公司的MCM軟件與美國電腦設計公司的ACP軟件(均適用于找形分析與荷載分析)以及美國Autometrix公司的PS軟件(適用于裁剪分析)。而德國Technet公司的EASY軟件既可用于找形分析、荷載分析，又可用于裁剪分析，具有較強的功能，目前已為國內不少單位使用。

    國內高校、科研單位與企業也相繼開發出一些膜結構設計軟件。如天津麥卡特膜結構科技發展公司開發的MEDE 軟件、同濟大學開發的3D3s膜結構設計軟件、北京光翌空間膜技術工程有限公司開發的MCAD軟件等，另外還有一些相關軟件也正在研發中。這些軟件雖各有特點，但膜結構的發展還期盼研究部門早日推出功能強大、界面友好、易于操作的高質量商品化軟件。

    4.5國內膜結構施工與維護方面存在的問題

    (1)施工過程中預張力取值難以控制。由于膜材是一種抗彎、抗壓剛度趨近于零的材料，抗剪強度也很差，因此就需要靠膜曲面的曲率變化和其中預張應力來提高其結構剛度和穩定性。膜結構的荷載一般只考慮風荷載和雪荷載，荷載作用下膜材料的變形較大。施工中為使膜面減少褶皺，且為了控制由風產生的膜面震動，就要求在膜結構的施工中對膜面形成一定的張力。但目前尚未出現能準確測量膜材的儀器，僅靠經驗施工難免出現差錯，對施工效果也有一定的影響。因此膜結構安裝前必須對相關土建尺寸進行復核，及時調整膜片剪裁尺寸。

    (2)膜結構的排水問題不易解決。在膜結構的設計中不可忽視的一點就是膜結構的排水問題。因為膜面有一定的形狀和造型，難免會在膜材端部的拉結點與建筑物的接觸處形成雨水的導水口，大面積的雨水匯集從接觸處向下流淌從而污染墻面，影響美觀。在設計找形時應當避免局部存在平坦區域，通過增大膜結構形體周邊圓弧的弧度和加大膜體坡度來防止。因此，在設計中做好膜結構的排水問題至關重要。

    (3)膜材料的加工、裁剪要求較高。在裁剪膜片時，一般應使膜片纖維方向與主應力方向一致。但實際操作時特別是對一些角部或邊緣區域，裁剪精度不高易造成熱合后的膜片收縮不一致，這些區域的膜材往往易出現褶皺。為避免這種情況的發生，應制作尺寸精確的模型來估計薄膜拉力并確定裁剪方案。

    (4)膜結構的保護工作有一定難度。膜材料屬于易損物品，破損后難以恢復原樣。但是，施工中難免會對其造成損壞。因此，施工過程中施工組織設計的合理編制同安全管理一樣重要。

    (5)膜結構維護中的消防問題不可小視。對于使用不燃材料PTFE膜材的建筑，沒有問題。但如果使用PVC膜材，其燃燒性能是81級，對外部火焰的抵御能力相對較差，遇到較強熱輻射和帶沖擊的飛火侵害，可能會燒壞膜材。雖然由于PVC膜材具有自熄性，不會造成火的擴大蔓延，但也要及時對膜材進行局部的修補或更換，否則膜材破壞失去張力對結構整體的穩定性會產生嚴重影響。

5、我國膜結構的發展前景

    (1)隨著我國綜合國力的增強和經濟建設的快速發展．膜結構建筑設施已得到廣泛地應用。進入21世紀后，隨著中國申奧的成功和加入了WT0，由中國人自己設計和施工的膜結構體育場館和展覽館如雨后春筍般涌現在中國廣袤的大地上。膜建筑在我國廣泛適用于以下各個領域：文化設施一展覽中心、劇場、會議廳、博物館、植物園、水族館等；體育設施一體育場、體育館、健身中心、游泳館、網球館、籃球館等；商業設施一商場、購物中心、酒店、餐廳、商店門頭(挑檐)、商業街等；交通設施一機場、火車站、公交車站、收費站、碼頭、加油站、天橋連廊等；工業設施一工廠、倉庫、科研中心、處理中心、溫室、物流中心等；景觀設施一建筑入口、標志性小品、步行街、停車場等。我國目前每年大約有10萬平方米的膜結構工程，雖然基數不高，可發展的潛力和勢頭非常迅猛。

    (2)膜結構設計理論與施工技術日趨完善。從20世紀80年代起，我國一些研究部門和高等院校開始對膜結構進行研究，經過這些年的努力，為我國膜結構事業建立了一定的理論儲備和技術儲備，培養了一批專門從事膜結構研究的博士、碩士和工程技術人員。2004年《膜結構技術規程》的出臺，為推動膜結構在我國的蓬勃發展向前邁開了一大步，相信我國還會制定更多更全的相關技術標準，健全膜結構的行業組織。加強對膜結構設計技術交流、培訓，設備更新、加快工藝改革，推動膜結構在我國積極健康地發展。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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