談氣膜建筑的應用與前景

孫琳璘　楊　斌

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱　150040)

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談氣膜建筑的應用與前景

孫琳璘楊斌

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱150040)

介紹了膜結構的分類情況，分析了常用氣膜建筑的膜材特性，結合國內外典型工程的應用實例，總結了氣膜建筑的優點，并進一步提出了該類型建筑存在的不足及其發展前景。

膜結構，膜材，氣膜建筑

膜結構作為21世紀最具代表性和充滿前途的建筑形式，打破了傳統建筑純直線的建筑形式。其造型多呈曲面，造型優美，簡潔明快，給人以耳目一新的感覺。雖然膜結構在國內應用的較晚，但是目前的發展速度已經處于世界領先水平。

膜結構是由多種高強膜材料(PVC等)和加強構件(鋼架、鋼索等)通過一定方式使其內部產生一定的預張應力，并可用于承受一定外荷載作用的一種空間形式[1]。目前，膜結構被廣泛應用于體育館，會展中心和交通服務設施等大跨度建筑中。

1　膜結構分類

根據受力情況和構造等的不同，膜結構主要分為以下幾類(見圖1)。

1)張拉膜結構(見圖2)。依靠自身張拉力與拉索，支撐桿等共同作用的結構，它是由一組連續的拉桿和連續或不連續的壓桿組合而成的。張拉膜結構造型美觀，施工精度高，結構性能高，其造價略高于骨架式膜結構。

2)骨架式膜結構(見圖3)。鋼結構或者其他材料構成了屋頂骨架，并在其上方張拉膜材料構成了骨架式膜結構。該結構主要以骨架作為支撐，膜材料并不起主要的支撐作用。但是膜材料在該結構中發揮了高強度的受力性能，具有采光、擋風等用途。

3)充氣膜結構。充氣膜結構主要利用的是空氣力學原理等，將膜材固定于屋頂結構周邊，利用送風機提升室內氣壓，通過內外壓力差來抵抗外力。其主要利用膜材料作為主要的支撐結構，鋼結構等起輔助作用，不需要梁或者柱等來支撐，空間利用率更好。

2　常用氣膜材料及特點

氣膜建筑采用高強度、高柔性的薄膜作為主要材料，被稱為“第五代建材”。膜材料由基布(聚酯纖維、玻璃纖維)和涂層(聚氯乙烯、聚四氟乙烯)兩部分組成，基層是主要的受力構件，起到承受荷載的作用；而樹脂涂層除了用于保護基布外，還可起到防光、防潮等作用。

常用樹脂面層為PVC和Teflon：

PVC——聚酯纖維覆聚氯乙烯，強度較低，彈性較大，容易老化，徐變大，自潔能力較差。但是其有便宜易得，顏色美觀，抗折疊性能好等優點。可以通過在表面上涂一層聚氯乙烯來提高其抗老化能力，壽命可高達15年。

Teflon——玻璃纖維覆聚氯乙烯，材料強度高，彈性模量大，自潔性能好，防火耐久性能好，適用于永久性建筑。但是其價格較貴，折疊性能較差，施工方便性差，易產生裂縫，導致水分侵蝕基層，強度壽命均降低，可在基層和面層中間涂硅酮防水層來進行預防。

硅酮——新型面層材料，具有優越的柔韌性，透光性和防水性且其施工方便，但是可焊性和自潔性能較差，硅酮有望成為新型的永久性建筑膜。膜材示意圖見圖4。

3　工程應用實例

充氣膜結構因其造型多樣性，優越的建筑特性，結構特性，并且具有經濟性能良好的優點，而在世界各地得到了廣泛的應用。

3.1國外應用實例

氣膜建筑首次提出是在1917年，英國人威廉·蘭徹斯特發明了一種施工方便，經濟性能好的屋面體系，但受到當時技術的限制，沒有建造成功。第一個充氣膜結構是英國人瓦爾特·博得于1974年建造的多普勒雷達穹頂，該建筑直徑15 m，矢高18.3 m，膜材以玻璃纖維為基層，橡膠為涂層。1950年—1970年，在此期間美國、德國出現了大量的穹頂結構，直徑最大的達到60 m。1970年日本大阪世博會的召開為氣膜建筑的發展提供了契機，日本作為一個多震國家，需要自重較輕并且施工較快的建筑，美國館作為臨時性建筑(見圖5)，采用的是PVC的玻璃纖維織物作為涂料，符合要求。并且經過事實驗證，這種建筑結構的強度很大，能夠抵抗兩次時速高達140 km/h以上的臺風的考驗，人們也通過這個工程開始重視對氣膜建筑的發展。

隨后充氣膜結構得到越來越多的發展，這標志著建筑業從勁性結構向柔性結構的轉變與發展，國外也出現了許多標志性的氣膜建筑，如1973年美國圣克拉勒大學活動中心，1988年東京后樂園棒球館等。由于維護不當，充氣膜結構的大跨度建筑物經常會出現一些事故，造成一些損失。并且氣膜結構在使用過程中需要不間斷的提供能源，東京后樂園棒球館采用的氣承式加索混合充氣膜結構解決了這個問題，屋頂上采用了先進的自動控制系統，并且采用雙層膜材，自動控制內壓消除積雪，確保建筑物安全。20世紀90年代后大型氣膜建筑較少，隨著2006年德國為了迎接世界杯而建造的安聯體育場(見圖6)，充氣膜又重回人們視線。

3.2國內應用實例

氣膜建筑在我國國內發展較晚，但發展速度很快。我國最早建成的氣膜建筑是1980年建成的上海工業展覽館，其采用的是氣承式薄膜建筑物；1996年之前的膜結構在我國應用十分少，直到1997年上海體育場的建成，標志著現代膜結構在我國進入了應用發展階段，雖然借助了外國的力量，但對我國膜結構的發展產生了深遠的影響[2]。

氣膜建筑如今在我國已廣泛應用于體育領域、高原地區和工業領域等。為人所熟知的氣膜建筑有北京中共中央黨校氣膜網球館(見圖7)，朝陽公園網球館，青海省高原氣膜辦公室等。

2008年奧運會的場館“鳥巢”和“水立方”的圍護結構采用的是氣囊膜結構(見圖8)，水立方整體建筑由3 000多個氣枕組成，覆蓋面積達10萬m2，膜材采用的是目前最先進的ETFE材料，這些建筑也為國內氣膜結構的發展起到了推動作用。

4　氣膜建筑的優點

1)可以應用在大跨度建筑物中。氣膜建筑物自重較輕，單位平方米重量在3 kg以下，目前可以很容易實現180 m的大跨度。并且氣膜建筑不需要梁和柱來支撐，有超大的潔凈空間并且環境

舒適。由于氣膜建筑特殊的結構形式，風荷載作用在其上時，主要承受的力為上揚力，即使在屋頂加層，也不會額外承重，擴大了建筑面積，空間利用率大大提高[3]。

2)經濟性能好。氣膜建筑采用的膜材材質較輕，并且由于建筑物內沒有梁柱等結構，大大節省了所需材料，相對于傳統的鋼筋混凝土結構來說，造價更加低廉。據統計，一座跨度為40 m，面積為3 000 m2的氣膜建筑造價僅相當于傳統建筑造價的1/3，經濟性能比傳統建筑要好。

3)質量較輕且抗拉性能好。用于氣膜建筑物的材料通常為薄膜材料，厚度僅0.5 mm，所以相比較傳統的鋼筋混凝土建筑或鋼結構建筑質量要輕得多。并且膜材的抗拉性能很好，相當于鋼材的抗拉性能，但是抗壓性能較差。

4)節能環保。膜材的涂層具有防紫外線的功能，有較高的反射率和散熱率，可以減少陽光熱量的導入，并且阻止了室內外熱量的交換，起到保溫隔熱的作用，減少了制冷和供暖設備對電能的消耗。并且施工過程中產生的建筑垃圾較少，節能環保。

5)造型美觀。氣膜建筑造型新穎獨特，可以根據需要設計成各種形狀，夜晚在內部照明的作用下，顏色多樣化，十分美觀。

6)自潔性好、經久耐用。膜材的防護涂層，使得建筑物自潔性能良好，保證使用壽命。而且膜材的抗拉性能較強，所以比較牢固。根據現今的工程實例來說，氣膜建筑的使用壽命為30年～40年。

5　結語

5.1不足

1)氣候惡劣地區，氣膜建筑維護較困難，容易發生損壞事故，原因是“袋裝效應”，即膜表面容易積累冰雪下凹，下凹處容易積累更多的冰雪，最終導致膜結構的損壞漏氣等。2)我國近年來對張拉膜結構的投入較多，而對氣膜建筑投入的精力較少，所以我國在氣膜建筑的發展上仍需進行科研研究。3)充氣膜由于其材質較輕的緣故，抵抗風荷載能力較差，仍需進一步研究。

5.2發展前景

氣膜建筑由于其材質較輕，造型多樣化的特點逐漸得到人們的青睞，應用越來越廣泛。相對于傳統建筑物來說，其經濟性能更好，更加節能環保，性價比較高。并且由于其輕質的原因，抗震性能良好，建筑物的綜合使用效益相對較高。但是，我國氣膜建筑起步較晚，仍有很多需要研究和改進的地方，比如說強度可以進一步提高，穩定性也有待提高。

[1]王恒.充氣膜結構的計算機輔助造型與裁剪研究[D].上海：同濟大學,2006.

[2]趙大鵬，陳務軍，張麗梅.大型充氣膜結構及膜材的發展概述[J].建筑施工,2008,30(2)：76.

[3]陳歌，任婷婷，郭磊.氣膜建筑詳析[J].陜西建筑,2012(8)：206.

Discussion on the application and prospect of air structure

Sun LinlinYang Bin

(CollegeofCivilEngineering,NortheastUniversityofForestry,Harbin150040，China)

The paper introduces membrane structure classification conditions, analyzes common membrane material properties used in air structure, summarizes air structure merits by combining with typical engineering application examples at home and abroad, and finally points out its defects and development prospect.

membrane structure, membrane material, air structure

1009-6825(2016)08-0020-02

2016-01-08

孫琳璘(1995- )，女，在讀本科生；楊斌(1994- )，男，在讀本科生

TU383

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