薄膜大跨空间结构及其应用

薄膜大跨空间结构及其应用薄膜结构概述现代膜结构最初是在德国发展起来的，其基本特点、力学特性、设计方法和其作为结构体系的潜力也是在德国得到研究的。

膜结构最初被称作“帐篷结构”，如今已成为现代建筑的有机组成部分，世界各地建造了许多设计精良的膜结构。

膜结构属于柔性结构，具有轻质、薄而柔软的特性，与传统的刚性结构有很大的不同。

由于膜材的透光性，膜结构的内部明亮，这种独特的结构有着无限的潜力，能适应各种功能，可广泛应用于体育场馆、展览馆、会议厅、街景建筑等。

1970年日本的万国博览会是在大阪举行的，开始对膜结构有了需求。

许多日本建筑师开始用膜这证屋盖在漏气时不与观众席或场地接触。

这个想法成为膜结构设计史上的一个转折点，人们开始建造充气膜。

大阪博览会美国馆随着新型材料的不断发展，人们对膜结构有了更深的认识。

膜结构是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式,是由多种高强薄膜材料(PVC或Teflon)及加强构件(钢架、钢柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状,作为覆盖结构,并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。

膜结构建筑是指利用膜材特性而建造的建筑。

膜结构的体系可分为张拉式膜结构、骨架式膜结构和充气式膜结构。

张拉式膜结构是指以立柱和索支承膜材并对其施加预应力，膜参与承担外荷载。

骨架式膜结构的主体结构由刚性骨架构成，膜为覆盖材料，在变形后参与承担外荷载并传递荷载给主结构。

张拉式膜结构表面的高斯曲率为负值，骨架式膜结构表面的高斯曲率为0，而充气式膜结构的高斯曲率为正值。

这也是区分3种形式膜结构的基本方法之一。

支承膜结构的可以是简单的立柱，或是复杂的框架、网格结构，也可以是索。

在大型结构中，膜必须采用某种方法予以加强或与其他的构件组合，从而出现了一些组合形式，如索穹顶等。

膜结构所用膜材料由基布和涂层两部分组成.基布主要采用聚酯纤维和玻璃纤维材料;涂层材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。

常用膜材为聚酯纤维覆聚氯乙烯（PVC）和玻璃纤维覆聚聚四氟乙烯（Teflon）。

PVC材料的主要特点是强度低、弹性大、易老化、徐变大、自洁性差，但价格便宜，容易加工制作，色彩丰富，抗折叠性能好。

为改善其性能，可在其表面涂一层聚四氟乙烯涂层，提高其抗老化和自洁能力，其寿命可达到15年左右。

Teflon 材料强度高、弹性模量大、自洁、耐久耐火等性能好，但它价格较贵，不易折叠，对裁剪制作精度要求较高，寿命一般在30年以上，适用于永久建筑。

薄膜结构特点及特性薄膜结构重量轻、强度高、防火难燃、自洁性好，不受紫外线影响、抗疲劳、耐扭曲、耐老化、使用寿命长。

具有高透光率，热吸收量很少。

正是因为这种跨时代的膜材料的发明，使膜结构建筑成为现代化的永久性建筑。

薄膜结构的优越性能：自洁性、透光节能性、经济性、艺术性、防火性与抗震性、造型多样性；另外其还具有应用领域广泛、能覆盖大跨度空间及施工周期短的优点。

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。

1、轻质：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。

2、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。

3、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。

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。

4、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。

夜晚的灯光使膜结构具有强烈的雕塑感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。

5、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。

薄膜结构的设计和施工一薄膜结构的设计膜结构的设计一般要经过初始形态设计、荷载响应分析和裁剪设计等3个阶段。

膜材本身不具备刚度，在抵抗外荷载前就需要对其施加预张力，并寻求它在张平衡时的形状，这个过程称为初始形态设计。

在外荷载作用下，求解变形、内力等结构响应的过程就是受力分析设计。

将平面的膜材拼接成初始形态设计得到的空间曲面，这个过程即为裁剪设计。

膜结构受力分析设计至少应考虑以下几种工况及其荷载组合：(1)初始预张力状态；(2)上拔风荷载；(3)雪荷载；(4)正温和负温；(5)风荷载；(6)考虑风荷载(包括x、Y、45。

等3种风向情况)和雪荷载的组合工况；(7)考虑风荷载和施工或荷载的组合工况；(8)考虑风荷载与活荷载及温度的组合工况。

在薄膜结构设计中会遇到以下几个问题：（1）膜材的影响膜材是非线性材料，虽然在初始应力状态下应变很小，可简化为正交异性的线弹性材料，但在大风及大雪作用下，膜材应力很可能超过膜材的线弹性范围，如果仍按线弹性材料进行分析，卸载后将产生很大的残余变形。

（2）初应力的影响膜结构是柔性结构，主要靠膜面的初应力和形状的变化来抵抗外荷载。

没有初应力就没有刚度。

初应力的合理选择至关重要，初应力给的过大，会使支撑结构反力增大，从而增加工程造价，同时由于膜材非线性的影响，膜面拉应力的增大，膜材卸载后将产生较大的残余变形。

另一方面，如果初应力给得过小，刚度不够，膜面在荷载作用下易产生松弛。

这种现象在实际中比较常见。

（3）初应力释放及收缩补偿值的影响在膜结构的裁剪分析中，必须将空间的有初应力的膜曲面展开为平面的无应力状态，而通常膜曲面在空间上是不可展的。

目前有两种方法：一种是在应力状态下将空间曲面展成平面，再释放应力；另一种是在展开成平面的同时释放应力。

这两种方法都有误差，无法定量估计。

由于在实际工程中膜材料的材料特性很少精确给出，往往只能根据工程经验给定一个收缩补偿值，这样势必产生较大的误差。

薄膜结构工程设计中的几点建议膜结构是一种柔性结构，与传统的结构设计有很大的差别，在实际工程中我们常常忽视其特点，增加了工作的难度，下面结合实际工程，给出几点建议：（1）膜结构是通过曲面变形来抵抗外力的一种柔性结构，在建筑选型时要尽量选取负高斯曲率的曲面或其组合形式以增大结构刚度。

（2）要注意膜结构边缘构件的处理，从而节约工程材料。

充分利用已建成的建筑物或构筑物，将其作为膜结构的边缘支撑。

当膜结构为独立建筑物时，首先应考虑将支撑做成独立柱，同时将独立柱相联组成空间框架。

（3）尽可能将支柱设计为撑杆与拉索组成的三角形支撑。

其优点是撑杆为轴压构件，而拉索为轴膜大跨空间结构的典型应用拉构件，可充分发挥构件的材料强度，每个构件都可以做得较轻巧。

（4）膜面内应布置有向上凹的脊索和向下凹的谷索，以对抗不同方向的外力（雪荷载和风荷载）。

（5）优化膜结构的节点设计，达到画龙点睛作用。

二薄膜结构的施工膜结构施工安装的工艺流程为：下部结构或基础完成一膜工程开工一预埋板复测一吊装准备一钢结构安装一钢索安装一膜片展开一施加预张力一清理现场—竣工验收。

膜结构施工安装的几个重要过程如下：1.预埋件复测及吊装准备在钢结构的安装前，首先必须做好钢结构吊装的定位和临时稳定准备，并对各预埋件进行复测和放线定位，以确保预埋件的埋设误差在允许范围之内，并将所有施工用机具、设备准备到位。

2．钢结构的安装在钢结构安装的整个过程中，必须对钢结构的标高、坐标、方位、间距进行严格的测量和调整，直至准确定位，然后进行固定。

在安装时应保证误差控制在相邻的单元之同，以避免钢结构整体安装后误差累计的影响。

钢结构吊装时，应尽可能进行对称性就位吊装，以保证结构的稳定和安全。

完成全部构件的焊接组装后，进行焊缝探伤检验。

对于骨架式膜结构，尤其应注意钢结构的安装误差，若误差太大，可能使裁剪好的膜材无法与钢结构相连。

3．膜单元安装准备与膜的展开在膜单元安装之前，首先要搭建好放置膜、展开膜的附属支架与绳网，并且不影响膜单元的展开。

膜单元的展开采取由中间向两倒逐步展开的安装步骤，张紧后进行固定，将边索固定于钢结构相应的位置上。

4．施加预张力膜单元的预张力有的是通过张拉机构(如千斤顶或拉紧器)施加到膜面上，最终达到设计要求；有时是通过对各索逐个张拉使膜面达到预定形状为止，要注意张拉应分批分次进行。

最后是安装导流装置和防水条，使膜面不会渗水。

薄膜大跨空间结构的典型应用一汉城体育场复盖汉城体育场看台上的膜结构呈现了韩国传统盾形风筝和帆船的优美姿态．该体育场可容纳观众6．4万人，置顶由14根桅杆支承的放射状钢管桁架组成，在屋顶外部和前部还设计有两组环状桁架，以保证屋顶结构的整体性．桅杆由钢管组成．支座可以转动。