膜结构之上海世博轴

材料
• 膜采用聚四氟乙烯（PTFE）涂层的玻璃纤维织物； 索采用平行钢丝绳外包聚乙烯（PE）。支撑系统 均为钢材。 • 聚四氟乙烯，一般称作“不粘涂层”或“易洁镬 物料”；是一种使用了氟取代聚乙烯中所有氢原 子的人工合成高分子材料。这种材料具有抗酸抗 碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的 溶剂。同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，它 的摩擦系数极低，所以可作润滑作用之余，亦成 为了易洁镬和水管内层的理想涂料。
• 为了确保如此大型膜结构承受巨 大拉力的膜材连接件的安全性， 制作了一个足尺的膜角部并进行 加载试验研究。试验中，通过旋 转端部套筒为膜面施加预应力， 膜面荷载通过堆砂袋模拟。 • 初始状态膜面应力采用两种方式 测试：①由真空膜面应力测试仪 测试读取；②由膜边界螺杆拉力 换算求取。 • 表2给出了初始状态这两种方式 的测试结果比较，由表可见两者 吻合较好。图6为膜面应力测试 点布置及螺杆拉力和位移测试点 布置。
建筑功能
• 世博轴不仅仅是简单的一条轴线。它 是一条长达千米、规模宏大的半敞开 式建筑，分地下两层、地上一层以及 顶篷，里面设置了观景、休闲和商业 区域。当然更重要的是它通达的交通 功能——从世博轴的空中平台或地下 通道，参观者可以很方便地来往于中 国馆、浦东主题馆群、世博中心、世 博演艺中心等世博园区最重要的建筑 之间；世博轴还与横穿浦东世博园区 的高架步道连通，是园区内的交通枢 纽，参观者进入园区后可由此通达不 同的片区参观。
结构简介
• 上海世博会世博轴及地下综合体工程位于浦东世博园核心。由标高6.5m、-1.0m、4.5m、10m的平面及膜结构屋面组成，并设有6个标 致性强的阳光谷，以满足地下空间的自然采光，阳光谷顶端与膜结构 顶棚相连。阳光谷为单层网壳结构，结构高度41.5m，杆件采用矩形 空心截面，其节点一般由6根杆件汇交于一点，空间受力非常复杂。 世博轴膜结构屋面采用连续张拉结构，包括膜面系统和膜面支点系统， 世博轴的大型索膜屋面由69个巨型膜单元构成，膜材厚度1．2mm， 膜面总面积达68 000m2，使用年限30年。建成时是国内外最大的膜 结构工程，其投影面积达80m×1000m，无论是其规模之大还是首例 的不确定性均是罕见的。
世博轴中的张拉膜系统
• 世博轴中膜结构屋顶总长度 约840m，最大跨度约97m， 总面积约64000m2。索单根 最长110m，分为结构索和膜 面索。膜面支点系统是为膜 面提供张拉支点的结构，膜 面系统边界和内部布置了辅 助膜面成型的边索、脊索、 谷索悬索和抗风索，它们和 膜组成张拉膜系统。
• 外桅杆为世博轴膜结构屋顶周边支点 系统，共31根，对应62根背索，桅杆 均向外倾斜，分布在世博轴两侧，排 距88m，柱距33~77m。 • 中桅杆及下拉环均坐落于10m混凝土 平台上，共19根，高度25m，由单根 Φ750mm×35mm直缝钢管和上下铸 钢件组成。下拉Φ5m圆环通过上下吊 索分别与中桅杆顶柱和柱底连接。 • 支点系统索包括背索和水平索，采用 平行钢丝绳外包PE。背索A直径 154.5mm，共44根，单根长度约34m， 重约10t。背索B直径为119m，共18 根，单根长度约27m，重约5t。水平 索直径为50.8mm，共57根，单根长 度53m，重约2t。
• 内桅杆方案：事实上,虽然在第二步中通过增加谷 索的方法对位移起到了一定的控制作用,但由于索 形状是向上凸的,所以其对位移的控制仅局限在向 上位移的限制,对膜面向下位移的控制能力仍然非 常薄弱,为此,提出了第四布结构方案。这种方案是 在第二步的基础上加设了由内桅杆、悬索和水平 索组成的支点系统。该系统通过内桅杆来固定悬 索,通过悬索来控制谷索向下的位移,再通过水平索 来保持内桅杆的稳定。
张拉式膜结构
• 张拉式膜结构是依靠膜自身的张拉应力与 支撑杆和拉索共同构成机构体系。 采用桅 杆、拱、拉索等支撑结构将薄膜张挂起来， 利用柔性索向膜面施加张力将膜绷紧，形 成稳定的薄膜屋盖，造型轻盈。 • 其支承方式一般有两种：由索或拱所产生 的波状曲线支承和在内部由立桅杆或拉索 所形成的点支撑。世博轴采用的第二种支 承方式。
膜结构建筑实例分析
——上海世博会世博轴
ห้องสมุดไป่ตู้ 项目简介
• 世博轴是中国2010年上海世博会主入口和 主轴线，地下地上各两层，为半敞开式建 筑。世博轴是世博会一轴四馆五大永久建 筑之一，是一个集商业、餐饮、娱乐、会 展等服务于一体的大型商业、交通综合体。 世博轴也是世博园区最大的单体项目，由 上海世博土地控股有限公司负责建设，由 德国SBA公司设计，上海华东建筑设计研 究院和上海市政工程设计研究总院完成施 工图设计，工程位于浦东世博园区中心地 带，南北长1045m，东西宽地下99.5m110.5m,地上80m。基地面积13.6万m2， 总建筑面积25.2万m2，总造价近30亿，为 鸟巢及水立方的总和。
• 增加谷索：单块膜面面积过大会增加局部 膜面破坏而使整张膜面丧失功能的风险。 为改善膜面应力分布,同时增加膜面刚度,提 出了在膜面上增加径向谷索的方案二,如图4 所示。该方案使原来的单块膜面面积约3 000m2 下降到约1 000m2 。
• 重锤方案：在索膜结构设计中要求任何情况下索 都不能出现松弛,计算发现,由于活载和某些风向角 下的风荷载使得膜面有向下位移的趋势,这使得前 两步中的下拉索会发生松弛。因此提出了在下拉 总索末端挂上一重锤(质量8t) 的方案。其设计意 图是为了保证下拉点处的拉力始终维持在一个值 上,从而保证下拉索不松弛。事实上,当某种风向下 风荷载对膜面产生向上吸力时,该方案的设计同时 又能保证下拉环处的膜面应力不至于过大。
膜结构
• 索膜结构是用高强度柔性薄膜材料经受其它材料 的拉压作用而形成的稳定曲面，能承受一定外荷 载的空间结构形式。其造型自由、轻巧、柔美， 充满力量感，阻燃、制作简易、安装快捷、节能、 易于、使用安全等优点，因而使它在世界各地受 到广泛应用。 • 膜结构是建筑与结构完美结合的一种结构体系， 膜结构属于柔性材料，膜面本身的受弯刚度几乎 为零，但通过不同的支撑体系可以使薄膜承受张 力，从而形成具有一定刚度的稳定曲面。 • 膜结构分为充气膜结构和支承膜结构。支承膜结 构分为张拉式膜结构和骨架支撑膜结构。
• 外桅杆呈梭状，有3根弧形 无缝钢管及100mm和50mm 横隔板构成，材质为Q345B， 上下端均为铸钢节点，上端 铸钢件最重24.5t，下端铸钢 件最重约为9.3t。外桅杆底 部坐落在标高-110m混凝土 平台上，柱顶即支点标高分 别为38、35、18m。
结构设计步骤
• 为使方案最大限度地突出建筑的通透性, 采取了 最少的布索方式,即仅布置边索和三角膜块之间 的脊索。在下拉点处布置了8 根下拉分索和1 根 下拉总索。这样的索网布置方式最简洁,膜面通 透感最强,建筑视觉效果最好。但由于分块膜面 的面积较大(单块三角形膜面面积约3 000m2 ) ,一 旦局部膜面发生破坏有可能导致整张膜面发生破 坏。
建筑特色
• 设计理念：世博园区将展示当今国际先进的节能、降耗、 环保和生态等绿色建筑设计理念。承担着近八成世博工程 建设任务的施工队伍，将“绿色世博”与“科技世博”对 施工技术提出的新要求，转化和体现在施工过程的各个环 节上，确保世博工程建设“过程精彩，结果精彩”。 • 科技亮点：它的钢结构和巨型索膜结构建筑安装，是世界 级难题。在全长1045米、宽约100米的世博轴上，由13根 大型桅杆、数十根斜拉索和巨大的幕布巧妙组成了中国第 一、世界罕见的索膜结构建筑。6个形似喇叭的“阳光 谷”，其中最大的上面直径99米，下面直径20米，其钢结 构由1700个单元构建而成，每个单元又由3个杆件和1个 节点组成，节点误差要小于5毫米。