膜结构知识
膜结构知识、分类、应用、剪裁办法
膜结构知识介绍
膜结构是一种建筑与结构完美结合的结构体系。它是用高强度柔性薄膜材料与支撑体系相结合形成具有一定刚度的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形式。其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、安装快捷、节能、安全等优点，因而使它在世界各地受到广泛应用。这种结构形式特别适用于大型体育场馆、入口廊道、小品、公众休闲娱乐广场、展览会场、购物中心等领域。
膜结构的分类从结构方式上大致可分为骨架式、张拉式、充气式膜结构3种形式
1.骨架式膜结构（Frame Supported Structure）
以钢构或是集成材构成的屋顶骨架后，在其上方张拉膜材的构造形 式，下部支撑结构安定性高，因屋顶造型比较单纯，开口部不易受限制， 且经济效益高等特点，广泛适用于任何大,小规模的空间。 青岛音乐广场
2.张拉式膜结构（Tension Suspension Structure）
以膜材、钢索及支柱构成，利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达到安定的形式。除了可实践具创意，创新且美观的造型外,也是最能展现膜结构精神的构造形式. 近年来，大型跨距空间也多采用以钢索与压缩材料构成 钢索网来支撑上部膜材的形式。因施工精度要求高，结构性能强，且具丰富的表现力，所以造价略高于骨架式膜结构。
3.充气式膜结构（Pneumatic Structure）
充气式膜结构是将膜材固定于屋顶结构周边，利用送风系统让室内气 压上升到一定压力后，使屋顶内外产生压力差，以抵抗外力，因利用气压 来支撑，及钢索作为辅助材,无需任何梁,柱支撑，可得到更大的空间，施工快捷，经济效益高，但需维持进行24小时送风机运转，在持续运行及机器 维护费用的成本上较高。
体育设施：体育场/体育馆/网球场/游泳馆/训练中心/健身中心等
商业设施：商场/游乐中心/酒店/餐厅/商业街等
文化设施：展览中心/剧院/表演中心/水族馆等
交通设施：飞机场/火车站/码头/停车场/天桥/加油站/收费站等
景观设施：标志性小品/广场标识/小区景观/步行街等
工业设施：工厂/仓库/污水处理中心/物流中心/温室等
膜材料
用于膜结构建筑中的膜材是一种具有强度，柔韧性好的薄膜材料，是由纤维编织成织物基材，在其基材两面以树脂为涂层材所加工固定而成的材料，中心的织物基材分为聚酯纤维及玻璃纤维，而作为涂层材使用的树脂有聚氯乙烯树脂（PVC）,硅酮(silicon)及聚四氟乙烯树脂（PTFE），在力学上织物基材及涂层材分别具有影响下列的功能性质。 织物基材——抗拉强
度，抗撕裂强度，耐热性，耐久性，防火
性。 涂 层 材——耐候性，防污性，加工性，耐水性，透光性。
膜材的正确选定
用于建筑膜结构的膜材，依涂层材不同大致可分为PVC膜与PTEF膜，膜材的正确选定应考虑其建筑的规模大小、用途、形式，使用年限及预算等综合因素后决定。
PVC膜（PVC-Coated Polyester）
PVC膜材在材料及加工上都比PTFE膜便宜，且具有材质柔软，易施工的优点。但在强度、耐用年限、防火性等性能上较PTFE膜差。PVC膜材是由聚脂纤维织物加上PVC涂层（聚氯乙烯）而成，一般建筑用的膜材，是在PVC涂层材的表面处理上，涂以数micron厚的压克力树脂(acrylic)，以改善防污性。但是，经过数年之后就会变色、污损、劣化。一般PVC膜的耐用年限，依使用环境不同在5~8年。为了改善PVC膜材的耐侯性，近年来已研发出以氟素系树脂于PVC涂层材的表面处理上做涂层,以改善其耐侯性及防污性的膜材。
PVDF膜
PVDF是二氟化树脂（Polyvinylidene Fluoride）的略称，在PVC膜表面处理上加以PVDF树脂涂层的材料称为PVDF膜。PVDF膜与一般的PVC膜比较，耐用年限改善至7~10年左右。 PVF膜 PVF是一氟化树脂（Polyvinyl Fluoride）的略称。PVF膜材是在PVC膜的表面处理上以PVF树脂做薄膜状薄片（laminate）加工，比PVDF膜的耐久性更佳，更具有防沾污的优点。但因为加工性、施工性与防火性都不佳，所以使用用途受到限制。
PTFE膜（PTFE Coated Fiberglass）
PTFE膜是在超细玻璃纤维织物上，涂以聚四氟乙烯树脂而成的材料。PTFE膜最大的特微就是耐久性、防火性与防污性高。但PTFE膜与PVC膜比较，材料费与加工费高，且柔软性低，在施工上为避免玻璃纤维被折断，须有专用工具与施工技术。 耐久性：涂层材的PTFE对酸、硷等化学物质及紫外线非常安定，不易发生变色或破裂。玻璃纤维在经长期使用后，不会引起强度劣化或张力减低。膜材颜色一般为白色、透光率高，耐久性在25年以上。 防污性：因涂层材为聚四氟乙烯树脂，表面摩擦系数低，所以不易污染，可藉由雨水洗净。 防火性：PTFE膜符合近所有国家的防火材料试验合格的特性，可替代其它的屋顶材料做同等的使用用途。 四、工程应用 体育设施—体育场馆、健身中心等 交通设施—机场、火车站、公交车站、高速公路收费站、加油站等 文化设施—展览/会议中心、剧场、博物馆、动物园、水族馆等 观景设施—建筑入口、泳池小品、小区长廊、户外广场、公园小品、标识性建筑等 商业设施—购物中心、餐厅、步行街等 工业设施—工厂、仓库、污水处理中心、物流中心、温室等
膜结构设计
用曲面有限单元建立的膜结构分析理论
膜结构的设计可分为三
个步骤：
(1)找出一个初始平衡形状；
(2)各种荷载组合下的力学分析以保证安全；
(3)裁剪制作。发达国家从六十年代起开始提出多种计算方法，
到目前为止以有限元法为最先进、最普遍被采用的方法。而单元类型皆为三角形平面常应变单元，该方法是从刚性板壳大变形理论移植过来的。
从以下分析可以看到，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，因为对于刚性壳体来说，这种平板单元可以看成平面应力单元和平板弯曲单元的组合，其单元
刚阵可以由这两种单元刚阵合并而成。而膜结构作为软壳体是不能抗弯的，只能靠薄膜曲面的曲率变化，从而引起膜表面中内力重分布来抵抗垂直于曲面的外荷载。如果还是采用这种只有平面内应力的板单元，则应变的线性部分将不反映平面外z方向位移的影响，这导致单元不包含z方向节点反力，就每个单元来说静力是不平衡的。所幸的是应变的非线性部分考虑了z向位移的影响，使得各单元合并起来的总的平衡方程通过不断迭代能近似达到平衡，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。
考虑到这些，我国膜结构技术人员在国际上首次采用曲面膜单元，应变的线性部分引入了z向位移及单元的曲率和扭率，非线性部分仍然保留z向位移的影响项。这样无论是每个单元还是各单元合并后的平衡方程都能很容易满足，迭代次数大为减少，而变形结果也更符合真实情况。而且由于单元内各点应力都不相同，据此判断皱折是否出现会更为精确。最后求出的每个单元的曲率和扭率对于判断初始找形的正误和优劣以及裁剪下料都能提供很多非常有用的信息。
用曲面有限单元建立的膜结构找形及内力计算方法极小曲面具有非常完美的表面形状和应力状态，是膜结构最合理的理想初始状态。所谓极小曲面是指在给定边界条件下面积最小的曲面。在这个曲面上任意一点的应力都相等。发达国家从六十年代起开始对膜结构找形提出多种计算方法，如物理模型法,力密度法,动力松驰法等，到目前为止以有限元法为最先进、最普遍采用的方法。不仅国内，迄今国外的计算理论也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折。这也是前面其他方法的共同缺点，他们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。
膜结构应用
膜结构是一种建筑与结构完美结合的结构体系。它是用高强度柔性薄膜材料与支撑体系相结合形成 具有一定刚度的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形式。其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、 安装快捷、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。这种结构形式特别适用于 大型体育场馆、人口廊道、小品、公众休闲娱乐广场、展览会场、购物中心等领域。
膜结构又叫张拉膜结构（Tensioned Membrane structure）， 是以建筑织物，即膜材料为张拉主体，与支撑构件或拉索共同组成的结 构体系，它以其新颖独特的建筑造型，良好的受力特点，成为大跨度空 间结构的主要形式之一。
膜材料是指以聚酯纤维基布或PVDF、PVF、PTFE等不同的表面涂层，配以优质的PVC组成的具有稳定的形状，并可承受一定载荷的建筑纺织品。它的寿命因不同的表面涂层而异，一般可达成12—50年。
膜结构建筑的特点及应用领域：
膜结构是一种全新的建筑结构形式，它集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学、计
算机技术等为一体，具有很高技术含量。其曲面可以随着建筑师的设计需要任意变化，结合整体环境，建造出标志性的形象工程。
艺术性：充分发挥建筑师的想象力，又体现结构构件清晰受力之美。
经济性：由于膜材具有一定的透光率，白天可减少照明强度和时间，能很好地节约能源。同时夜间彩灯透射形成的绚烂景观也能达到很好的广告宣传效益。
大跨度：膜结构可以从根本克服传统结构在大跨度（无支撑）建筑上实现所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡可视空间，有效增加空间使用面积。
自洁性：膜建筑中采用具有防护涂层的膜材，可使建筑具有良好的自洁效果，同时保证建筑的使用寿命。
工期短：膜建筑工程中所有加工和制作均在工厂内完成，可减少现场施工时间，避免出现施工交叉，相对传统建筑工程工期较短。膜建筑可广泛应用于大型公共设施：体育场馆的屋顶系统、机场大厅、展览中心、购物中心、站台等，又可以用于休闲设施、使用工业设施及标志性或景观性建筑小品等。
用曲面有限单元建立的膜结构分析理论
膜结
构的裁剪制作方法
1．裁剪方法简介
膜结构的裁剪拼接过程无论如何都是会有误差的，这是因为首先用平面膜片拼成空间曲面就一定会有误差，其次膜布是各向异性非线性材料，在把它张拉成曲率变化多端的空间形状时，不可避免的会与初始设计形状有出入。迄今为止，已建立了很多种方法来处理这一问题。很难评价哪个方法的精确度一定就高，但还是有几个标准可以用来判断这些裁剪方法是否实用。那就是可靠性、灵活性和完成时间。
2．膜结构交互式裁剪过程
裁剪缝的布置
布置膜结构表面裁剪缝时要考虑以下几个因素:
1）表面曲率
以前的裁剪方法都无法给出曲面任一点处的曲率。而本软件因为采用的是曲面膜单元，所以可以得到每个单元的曲率。如果相邻单元曲率相差很大，说明在这个位置，曲面扭曲的很严重，如果裁剪缝在此处不切断重新开始，那么裁剪膜块的边界在此处就会有很大的弧形。从相邻单元曲率的变化趋势，可以判断出测地线的大致走向。
2）膜材料的幅宽
找形分析过程中的平面网格划分时，就要考虑到膜材料的幅宽。尽量使一块膜布中包含的膜单元是完整的，否则还要通过插值计算确定膜块边界点的位置。
3）边界的走向
如果边界比较平直，可以考虑用一个膜块的长边作为这条边界。否则只能用多个膜块的。
短边拼接成这条边界。
4）美观
因为膜材料具有透光性，实际结构中可以清楚地看见焊缝，所以裁剪缝的布置一定要规则、合理，最好能形成一些漂亮的图案以增加结构的美感。如果膜表面设置有压索或脊索， 那么最好使裁剪缝与压索或脊索重合，使索不至于打乱焊缝的图案布置