膜结构行业介绍6

膜结构的发展历史

世界上第一座充气膜结构建成于1946年，设计者为美国的沃尔特·勃德（W.Bird），这是一座直径为15m的充气穹顶。1967年在德国斯图加特召开的第一届国际充气结构会议，无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂。随后各式各样的充气膜结构建筑出现在1970年大阪世界博览会上。其中具有代表性的有盖格尔设计的美国馆（137m×78m 卵形），以及川口卫设计的香肠形充气构件膜结构。后来人们认为70年大阪博览会是把膜结构系统地、商业性地向外界介绍的开始。大阪博览会展示了人们可以用膜结构建造永久性建筑。而70年代初美国盖格尔-勃格公司

（Geiger-Berger Associates）开发出的符合美国永久建筑规范的特氟隆（Teflon）膜材料为膜结构广泛应用于永久、半永久性建筑奠定了物质基础。

之后，用特氟隆材料做成的室内充气式膜结构相继出现在大中型体育馆中，如1975年建成的密歇根州庞蒂亚克“银色穹顶”（椭圆形220×159m），1988年建成的日本东京体育馆（室内净面积4，6767㎡）。

张拉形式膜结构的先行者是德国的奥托（F.Otto），他在1955年设计的张拉膜结构跨度在25m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（边界条件和应力条件）下，其初始形状的确定、在外荷载作用下膜中应力分布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，都需要有计算来确定，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。

目前国外一些先进的膜结构设计制作软件已非常完善，人们可以通过图形显示看到各种初始条件和外荷载作用下的形状与变形，并能计算任一点的应力状态，使找形（初始形状分析）、裁剪和受力分析集成一体化，使得膜结构的设计大为简便，它不但能分析整个施工过程中各个不同结构的稳定性和膜中应力，而且能精确计算由于调节索或柱而产生的次生应力，完全可以避免各种不利荷载式况产生的不测后果。

因此计算机技术的迅猛发展为张拉膜结构的应用开辟了广阔的前景。而特氟隆膜摸材料的研制成功也极大地推动了张拉膜结构的应用。比较著名的有沙特阿拉伯吉达国际航空港、沙特阿拉伯利雅得体育馆、加拿大林德塞公园水族馆、英国温布尔登室内网球馆、美国新丹佛国际机场等。

张拉膜结构的特征

张拉膜结构作为一种建筑体系所具有的特性主要取决于其独特的形态及膜材本身的性能。恰由于此，用膜结构可以创造出传统建筑体系无法实现的设计方案。

轻质：张拉膜结构自重小的原因在于它依靠预应力形态而非材料来保持结构的稳定性。从而使其自重比传统建筑结构的小得多，但却具有良好的稳定性。建筑师可以利用其轻质大跨的特点设计和组织结构细部构件，将其轻盈和稳定的结构特性有机地统一起来。

透光性：透光性是现代膜结构最被广泛认可的特性之一。膜材的透光性可以为建筑提供所需的照度，这对于建筑节能十分重要。对于一些要求光照多且亮度高的商业建筑等尤为重要。通过自然采光与人工采光的综合利用，膜材透光性可为建筑设计提供更大的美学创作空间。夜晚，透光性可将膜结构变成了光的雕塑。

膜材透光性是由它的基层纤维、涂层及其颜色所决定的。标准膜材的光谱透射比在10%~20%之间，有的膜材的光谱透射比可以达到40%，而有的膜材则是不透光的。膜材的透光性及对光色的选择可以通过涂层的颜色或是面层颜色来调节。

通过膜材和透光保温材料的适当组合，可以使含保温层的多层膜具有透光性。即使光谱透射只有几个百分点，膜屋面对于人眼来说依然是发亮和透光的，具有轻型屋面的观感。

柔性：张拉膜结构不是刚性的，其在风荷载或雪荷载的作用下会产生变形。膜结构通过变形来适应外荷载，在此过程中荷载作用方向上的膜面曲率半径会减小，直至能更有效抵抗该荷载。

张拉结构的灵活性使其可以产生很大的位移而不发生永久性变形。膜材的弹性性能和预应力水平决定了膜结构的变形和反应。

不同的膜材的柔性程序也不相同，有的膜材柔韧性极佳，不会因折叠而产生脆裂或是破损，这样的材料是有效实现可移动、可展开结构的基础和前提。

雕塑感：张拉膜结构的独特曲面外形使其具有强烈的雕塑感。膜面通过张力达到自平衡。负高斯膜面高低起伏具有的平衡感使体型较大的结构看上去像摆脱了重力的束缚般轻盈地飘浮于天地之间。无论室内还是室外这种雕塑般的质感都令人激动。

张拉膜结构可使建筑师设计出各种张力自平衡、复杂且生动的空间形式。在一天内随着光线的变化，雕塑般的膜结构通过光与影而呈现出不同的形态。日出和日落时，低入射角度的光线将突现屋顶的曲率和浮雕效果，太阳位于远地点时，膜结构的流线型边界在地面上投入弯弯曲曲的影子。利用膜材的透光性和反射性，经过设计的人工灯光也可使膜结构成为光的雕塑。

安全性：按照现有的各国规范和指南设计的的轻型张拉膜结构具有足够的安全性。轻型结构在地震等水平荷载作用下能保持很好的稳定性。

由于轻型结构自重较轻，即使发生意外坍塌，其危险性也较传统建筑结构小。膜结构发生撕裂时，若结构布置能保证桅杆、梁等刚性支承构件不发生坍塌，其危险性会更小。

膜结构的柔性使其在任一荷载作用下均以最有利的形态承载。当然，结构的布置和形状要根据荷载情况来进行设计和调整。设计要确何膜面与其辅助结构协调工作，以避免力在膜面或辅助结构上集中而达结构破坏的临界值。

膜结构形状确定的基本概念

形状确定的概念，或者说找形，是膜结构设计的第一步。在这一过程中，需要综合考虑建筑的平面、立面要求和建筑功能以及下部支承条件等因素来确定符合边界条件和力学平衡要求的曲面形状。实际上，膜结构的设计打破了传统的“先建筑，后结构”的设计方式，要求建筑师和结构师在方案建议阶段便紧密结合在一起，共同确定建筑物的外形。从力学的角度来看，膜结构的找形问题可以归结为求解空间曲面的初始平衡问题。

这一问题包含了如下几个重要参数：

①结构拓扑关系。

②体力和面力。

③结构几何形状。

④几何边界条件。

⑤初始预张力的大小和分布。

其中，结构拓扑关系是指不同结构构件之间的连接关系，在计算机有限元模型中，也可以将其理解为结构单元之间的连接关系。体力和面力是指结构自重和外荷载，在找形阶段外荷载通常为零。结构几何形状是找形阶段所要求解的，一般属于未知量。几何边界条件和初始预张力通常由结构工程师根据建筑条件和施工条件等因素来综合确定，是找形阶段的主要自变量。可以说，找形就是寻求以上诸多因素的平衡点。

膜结构工程的特性——透光性

透光性是现代膜结构最被广泛认可的特性之一。膜材的透光性可以为建筑提供所需的照度，这对于建筑节能十分重要。对于一些要求光照多且亮度高的商业建筑等尤为重要。通过自然采光与人工采光的综合利用，膜材透光性可为建筑设计提供更大的美学创作空间。夜晚，透光性将膜结构变成了光的雕塑。

膜材透光性是由它的基层纤维、涂层及其颜色所决定的。标准膜材的光谱透射比在10%~20%之间，有的膜材的光谱透射比可以达到40%，而有的膜材则是不透光的。膜材的透光性及对光色的选择可以通过涂层的颜色或是面层颜色来调节。

通过膜材和透光保温材料的适当组合，可以使含保温层的多层膜具有透光性。即使光谱透射只有几个百分点，膜屋面对于人眼来说依然是发亮和透光的，具有轻型屋面的观感。

膜结构的轻盈稳定性

张力结构自重小的原因在于它依靠预应力形态而非材料来保持结构的稳定性。从而使其自重比传统建筑结构的小得多，但却具有良好的稳定性。建筑师可以利用其轻质大跨的特点设计和组织结构细部构件，将其轻盈和稳定的结构特性有机地统一起来。

膜结构工程的特性——柔性

张拉膜结构不是刚性的，其在风荷载或雪荷载的作用下会产生变形。膜结构通过变形来适应外荷载，在此过程中荷载作用方向上的膜面曲率半径会减小，直至能更有效抵抗该荷载。

张拉膜结构的灵活性使其可以产生很大的位移而不发生永久性变形。膜材的弹性性能和预应力水平决定了膜结构的变形和反应。适应自然的柔性特点可以激发人们的建筑设计灵感。

不同的膜材的柔性程序也不相同，有的膜材柔韧性极佳，不会因折叠而产生脆裂或是破损，这样的材料是有效实现可移动、可展开结构的基础和前提。

膜支承的发展历史

膜材屋面以什么支承，始终是膜结构设计中有待于探索的问题。也许当初是从气球或橡皮艇受到的启发，人们考虑以空气为支承，就是向气密性好的膜材所覆盖的空间注入空气，利用内外空气的压力差使膜材受拉，结构就具有一定的刚度来承重。早在第二次世界大战后期，美国就曾用气承式膜结构建造了一些小直径的雷达罩棚用于军事目的，而大阪博览会的美国馆则是大跨度气承式膜结构的里程碑。在大阪博览会上还出现了一种气胀式膜结构，即将膜材本身做成一个封闭体，注入空气的压力要比气承式大得多。

气承式膜结构用作大跨度体育馆屋顶，建成之后由于在恶劣天气时维护不当，曾出现过好几次事故，轻者屋面下瘪，重者膜材被撕裂，砸坏了下面的设施。这些事故虽然只造成一些财产的损失，并没有人员伤亡，但在公共建筑中屋面出问题，还是引起了公众的关注，甚至对气承式膜结构是否安全也产生了疑问。

1986年以后，在美国建造的大型体育馆就没有采用过空气膜结构，对于有些已建成的体育馆，其膜材将达到保证的使用年限，需改建时也不再考虑采用气承式膜结构。不过由于其造价低廉、安装方便，中小跨度的健身房、网球馆、仓库等，气承式膜结构还是受到欢迎。

对膜结构能否用在永久性建筑上一向比较慎重的日本，却在东京后乐园采用了气承式膜结构。它在构造上与以前在美国建造的空气膜结构没有什么差别，其主要特点是在屋顶上采用了先进的自动控制系统，同时屋面膜材为双层，其间有循环的热空气，以融化雪。这个号称为机械、电子与土建相结合的智能建筑，确保了膜结构的安全与体育馆的正常运行。然而，曾几何时，昂贵的运转与维持费用又使后乐园背上了沉重的经济包袱。近年来日本大量建造穹顶，而没有继续采用气承式膜结构。1997年日本熊本公园体育场主屋盖采用了加劲索的双层气胀式膜结构，使空气再一次作为膜的支承。熊本穹顶融合了车轮型双层圆形悬索和气胀式膜结构的特点，成为一种新型的杂交结构。直径107m的圆形屋顶宛如一朵浮云覆盖着体育馆，双层膜之间的充气量远小于要对整个室内空间充气的气承式膜结构。一旦漏气，屋盖还可由钢索支承，不至于塌落。

美国工程师盖格（D.Geiger）是气承式膜结构的先驱者，他设计了大阪博览会的美国馆，其后又将改进的玻璃纤维膜材用于银色穹顶。由于气承式膜结构出现过的多次事故，使他察觉到空气支承的潜在缺陷，转而寻求其他的支承方式。在此之前，美国的发明家和工程师富勒（B.Fuller）提出了张拉整体（Tensegrity）的概念，即以连续的受拉钢索为主，以不连续的压杆为辅，组成一种结构体系，然而他的概念始终没有在工程中实现。盖格创造性地把这个概念运用到以索、膜与压杆组成的索穹顶（cable dome）设计上，荷载从中心受拉环通过一系列辐射状脊索、受拉环索与斜拉索传到周围的受压圈梁上。索穹顶首先用在1986年韩国汉城奥运会的体操馆与击剑馆上，其直径分别为120m与93m。其后又得到了不断的发展，跨度最大的是美国佛罗里达州的太阳海岸穹顶，直径达210m。此外，美国李维（M.levy）也继承了张拉整体的构想，并采用了富勒的三角形网格，设计了双曲抛物面的张拉整体穹顶，其代表作就是1996年在美国亚特兰大举行的奥运会主馆--佐治亚穹顶，这个240mX192m的椭圆形索膜结构成为世界上最大的室内体育馆。主要依靠索来支承膜的索穹顶是膜结构体系的一大进展。

膜材也完全可以支承在平面或空间结构上，如拱、网壳等，其材料可选用钢、木或铝合金。象日本秋田天空穹顶采用了钢结构的空间拱系，而位于同一地区的大馆穹顶，178mX157m卵形平面上以双向胶合木拱支承着双层膜面。膜结构还可以采用桅杆作为支承，赋予建筑立面以新的变化。第一个采用涂覆PTFE玻璃纤维织物的拉维思学生活动中心屋顶由4个圆锥形的帐蓬组成，每一个圆锥体有一倾斜15度的桅杆，支承膜材的钢索就由桅杆顶部幅射状地伸向周围的圈梁。英国千年穹顶的12根桅杆穿出了屋面，膜面支承在72根幅射状的钢索上，这些钢索则通过斜拉吊索与系索由桅杆所支撑，吊索与系索对桅杆起稳定作用。在这些建筑中，传统的承重结构与先进的膜面形成了完美的结合。

从多年来国内外的实践经验来看，由于新材料、新形式的不断出现，膜结构具有强大的生命力，必将是21世纪建筑结构发展的主流。它的应用范围不仅限于体育或展览建筑，已向房屋建筑的各个方面扩展，因而具有广阔的发展前景。在中国，膜结构的开发与研究还刚刚起步，因此当务之急是学习并引进国外先进技术，开发生产我国自己的膜材，解决设计中存在的问题。膜结构在中国也将会得到越来越多的应用。

膜结构建筑—结构与外形的完美体现

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。

膜结构是具有特定功能的建筑，它可以通过立意得意表达，膜结构独特外形体现了建筑自身的美感，优秀的膜结构设计是结构与外形的有机融合，使其显得出类拔萃，同时与自然环境，历史及现代的城市景观有机结合。膜结构可在多处领域应用，例如膜结构雨棚，膜结构充气篷，吸音膜结构，充气膜结构等。

膜结构由于本身是轻型结构，所以可看成是大型的雕塑作品，可为其周边空间增添活力，成为周围环境的补充和焦点。也可满足从遮阳结构到功能复杂的大型建筑等许多不同的膜结构建筑功能要求。并形态极具表现力且对于有些功能要求只有膜结构才是最为适合的。

在大量的膜结构建筑中，膜材的透光性尤其重要，如PTFE膜材的透光率约为8-18%，PVC膜材的透光率约为

6-13%，TENARA 膜材和ETFE膜材的透光率更高。在阳光的照射下，由于漫散射的作用，建筑物内部明亮，在白天通常不需要照明。这一特点使得膜结构特别适用于膜结构体育设施、展览厅和天井等对采光要求较高的膜结构建筑。