張拉膜結構的概念設計

李英男 許元撫

摘 要：隨著我國經濟的快速發展，建筑行業得到了很大的進步。在建筑結構設計中，張拉膜結構設計是十分重要的，我們應該加以重視。文章主要闡述了建筑設計中的張拉膜結構的概念設計相關內容，供大家參考。

關鍵詞：張拉膜結構；概念；設計

1 膜結構以其構造來看，大致可分為骨架式、張拉式、充氣式膜結構3種形式：

1.1 骨架式膜結構

以鋼構或是集成材構成的屋頂骨架后，在其上方張拉膜材的構造形式，下部支撐結構安定性高，由于屋頂的造型非常的單一，在開口的地方不會受到影響，而且它的經濟性合理，能夠適合用到各種面積之中。

1.2 張拉式膜結構

以膜材、鋼索及支柱構成，利用鋼索與支柱在膜材中導入張力以達安定的形式。其不但具有創新性，而且它的外形非常美觀，而且還是最具有膜結構的一種類型。近年來，大型跨距空間也多采用以鋼索與壓縮材構成鋼索網來支撐上部膜材的形式。由于建設活動的精確性比較好，而且構造的性能很優秀，同時它的表現力也是很好的，因此它在成本上要稍微的比上一種要低一些。

1.3 充氣式膜結構

它是說把膜材設置在屋頂的構造附近，使用送風體系確保物種的氣壓增加到適當的壓力，此時屋內外就會存在壓力差值，這樣就能應對外力現象，由于它是使用氣壓來維持，并且用鋼索當成是配合材料的，所以不需要任何的梁或者是柱等，所以它的空間更寬，而且建設活動很方便，利潤比較好，不過要確保送風設備持續的運作一天，其運行以及維護資金非常多。

2 關于材料

用到結構中的材料有著非常優秀的強度，而且它的柔韌性非常高，是由纖維編織成織物基材，在其基材兩面以樹脂為涂層材所加工固定而成的材料，中心的織物基材分為聚酯纖維及玻璃纖維，而作為涂層材使用的樹脂有聚氯乙烯樹脂、硅酮及聚四氟乙烯樹脂，在力學上織物基材及涂層材分別具有影響下列的功能性質。

織物基材——抗拉強度，抗撕裂強度，耐熱性，耐久性，防火性。

涂層材——耐候性，防污性，加工性，耐水性，耐品，透光性。

3 合理的選取材料

用到建設中的材料，由于它們的層材是不一樣的，所以分成PVC膜與PTEF膜，在選材的時候，要充分的分析建筑的面積以及使用方向以及使用的時間等等的多項內容。

PVC膜：其在材料和制作上都較之于另外的一種要節省，而且它的優勢比較多，比如質地較軟，而且便于開展建設工作。不過它也存在一些問題，比如強度以及使用時間和耐火性等方面都較之于另外的一種要差一些。PVC膜材是由聚脂纖維織物加上PVC涂層而成，普通建筑使用的材料，是在PVC涂層材的表面處理上，涂以數micron厚的壓克力樹脂，進而提升它的防污特征。不過，當長久的使用之后，它就容易掉色，而且會變臟，質量也不如之前好。常見的這類材料的使用時間比較久，由于運行的環境不一樣，一般在五到八年之間。為提升其耐候性特征，近年來已研發出以氟素系樹脂于PVC涂層材的表面處理上做涂層，這樣可提升它的耐候性特點。

PVDF PVDF是二氟化樹脂的略稱，在PVC膜表面處理上加以PVDF樹脂涂層的材料稱為PVDF膜。它和普通的PVC比對來看，其持續時間更久，一般可以達到七年到十年之間。

PVF PVF是一氟化樹脂的略稱。PVF膜材是在PVC膜的表面處理上以PVF樹脂做薄膜狀薄片加工，它比前一種更加的持久，而且更能應對污染。不過由于它的制作性和實用性以及耐火性等都不是非常的優秀，所有它的使用方向受到一定的局限。

PTFE膜：PTFE膜是在超細玻璃纖維織物上，涂以聚四氟乙烯樹脂而成的材料。它的優勢在于它的持續性高，而且能夠防火，最主要的是它的抗污染的水平很好。不過PVC比對來看，它的原料費用以及制作費用等都非常高，而且不是很柔軟，在建設的時候，為了防止纖維受損，得用專門的設備和工藝處理。

耐久性：涂層材的PTFE對酸、鹼等化學物質及紫外線非常安定，不會出現變色等現象。而且纖維持續用后，不易導致它的強度變低。它的色澤通常是白色的，而且透光性非常好，可以使用長達二十五年時間。

防污性：因涂層材為聚四氟乙烯樹脂，其不具有較高的摩擦性，因此不容易被臟物影響，使用雨水等就可以清洗。

防火性：它合乎全部的防火材料的特征，能夠代替別的物質來運行。

4 工程應用

體育設施-體育場館、健身中心等交通設施-機場、火車站、公交車站、高速公路收費站、加油站等文化設施-展覽中心、劇場、博物館、動物園等景觀設施-建筑入口、泳池小品、小區長廊、戶外廣場、標識性建筑等商業設施-購物中心、餐廳、步行街等工業設施-工廠、倉庫、污水處理中心、物流中心、溫室等。

張拉膜結構的概念設計只有正確表達結構邏輯的建筑才有強大的說服力與表現力這句話揭示了張拉膜結構的精髓。針對這種結構來說，所有的支撐以及裝飾等都米有實際的意義，它的構造本來就已經完美的體現了一切的內涵?；蛘哒f，所有的不合乎構造的造型都沒有意義，主要是由于那種膜要不就是亂飄，要不就是不穩定。文章講述的這種材料本身就是融合了力和形。

張拉膜結構的基本組成單元通常有：膜材、索與支承結構。在磚、石等五種材料之后，膜材開始融入到建設活動中，成為第六類材料。其本來不可以受壓，而且也不可以被彎折。因此要想確保其運作合理，就應該合理的引入預張力。除此之外，要想確保其活動合理的另一個特征即是要形成互反曲面。在以往的結構中，為降低變形現象，就要提升結構自身的抗力特點。因為膜結構是經由形狀的變化而將力擴散開來，從而獲得最小內力增長的。如果它在水平方位周圍發生了變化的話，就會出現兩類回復力，第一種是通過變形而導致的。第二種是通過材料而導致的。一般來說，它的幾何剛度要大大的超過它的彈性的剛度，因此要確保所有的膜片有著優秀的剛度，就應盡量形成負高斯曲面，即沿對角方向分別形成“高點”和“低點”?！案唿c”通常是由桅桿來提供的，或許是因為這種問題，一些材料中也將其成為懸掛膜結構。

索作為膜材的彈性邊界，將膜材劃分為一系列膜片，從而減小了膜材的自由支承長度，使薄膜表面更易形成較大的曲率。有文獻指出，膜材的自由支承長度不宜超過15米，且單片膜的覆蓋面積不宜大于500平米。此外，索的另一個重要作用就是對桅桿等支承結構提供附加支撐，進而確保不會由于其破損而導致構造出現塌陷等問題。

對于其設計來說，要注重如下的要素：

（1）初始態分析：確保生成形狀穩定、應力分布均勻的三維平衡曲面，而且可以應對多種情況中的受力性，其實多次修正的活動。

（2）荷載態分析：張拉膜結構自身重量很輕，僅為鋼結構的1/5，混凝土結構的1/40；所以它能夠很好地應對地震，同時對風的影響也很敏感。除此之外，還要分析到雪等的作用。因為現在來講可以觀測的內容不是很全面，故對膜結構的設計通常采用安全系數法。

（3）主要結構構件尺寸的確定，及對支承結構的有限元分析。如果設計措施和它的構造不一樣的話，要落實好多種設計措施間的參數變化。

（4）連接設計：包括螺栓、焊縫和次要構件尺寸。

其在方案時期的時候要落實好如下的內容：

（1）預張力的大小及張拉方式；（2）持久性和耐火性；（3）分析到膜面的形狀，防止出現存水現象；（4）關鍵節點的設計，以避免應力集中；（5）考慮膜材的運輸和吊裝。

在設計的時候，要分析如下內容：

（1）確保其曲率是合理的，這樣可以得到非常高的剛度；（2）將支撐合理的細化，這樣就能夠體現清晰的空間以及靈便的體形；（3）降低膜和結構之間的連接，減少活動量。

其探索的關鍵事項：

（1）找形；（2）考慮膜材松弛和各向異性下的結構響應；（3）當受到風的影響時，其穩定性如何；（4）裁剪優化。