淺談膜結構的發展及應用

張瑩

膜結構是20世紀中葉發展起來的一種新型大跨度空間結構形式，是21世紀最具代表性與充滿前途的建筑形式，它通過施加預應力，使結構具有一定的剛度以承受各種荷載作用，其設計思路和設計步驟與傳統結構相比都有很大的不同，索膜結構用高強度柔性薄膜材料經受其他材料的拉壓作用而形成的穩定曲面，能承受一定外荷載的空間結構形式，其造型自由、輕巧、柔美、充滿力量感，阻燃、制作簡易、安裝快捷、節能、易于使用、安全等優點，因而自1970年代以來，膜結構在國外已逐漸應用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務設施等大跨度建筑中。

膜材表面采用PVDF（聚偏二氟乙烯）涂層、或二氧化鈦涂層，具有較好的隔熱效果，對太陽熱能可反射掉70%，膜材本身吸收了17%，傳熱13%，而透光率卻在20%以上，經過1年的太陽光直接照射，其灰度仍能保留70%，膜結構中所使用的膜材料每平方1公斤左右，由于自重輕，加上鋼索、鋼結構高強度材料的采用，大部分的力以軸力傳遞使受力體現簡潔合理，因此膜結構適合大跨度空間結構體系。膜結構建筑所采用的膜材具有卓越的阻燃性和耐高溫性，故能很好的滿足防火要求。由于結構自重輕，又為柔性結構且有較大變形能力，故抗震性能好。工期短：膜材裁剪。拼合成型及骨架的鋼結構、鋼索均在工廠加工制作，現場只需組裝，施工簡便，故施工周期比傳統建筑短。

1 常見的膜結構分類

從結構上分可分為：骨架式膜結構，張拉式膜結構，充氣式膜結構。

1.骨架式膜結構（Frame Supported Structure）

以鋼構或是集成材構成的屋頂骨架，在其上方張拉膜材的構造形式，下部支撐結構安定性高，因屋頂造型比較單純，開口部不易受限制，經濟效益高等特點，骨架式膜結構中的膜面僅僅起到對框架結構的維護作用，框架結構可以是傳統的剛性結構，也可以是各類索結構 ，因此廣泛適用于任何大，小規模的空間。

2.張拉式膜結構（Tension Suspension Structure）

張拉膜結構是通過邊界條件給膜材施加一定預張應力，膜既是建筑的圍護體又作為結構以抵抗外部荷載的作用，因此在一定的初始條件下，其形狀的確定、在外荷載作用下膜中應力分布與變形以及怎樣用二維的膜材料來模擬三維空間等一系列復雜問題，都通過計算確定，張拉膜結構的發展離不開計算機的進步和新算法的提出。但張拉膜結構因施工精度要求高，結構性能強，且具有豐富的表現力，所以造價略高于骨架式膜

結構。

3.充氣式膜結構（Pneumatic Structure）

充氣式膜結構是將膜材固定于屋頂結構周邊，依靠曲面內外氣壓差來維持膜曲面的形狀，利用送風系統讓室內氣壓上升到一定壓力后，使屋頂內外產生壓力差，以抵抗外力，因利用氣壓來支撐，充氣式膜結構是在膜結構構成的室內沖入空氣，保持室內的空氣壓力始終大于室外的空氣壓力，由此使膜材料處于張力狀態來抵抗荷載及外力的構造形式，及鋼索作為輔助材，無需任何梁，柱支撐，可得更大的空間，氣膜結構分為單層結構和雙層結構，單層結構如同肥皂泡，單層膜的內壓大于外壓。此結構具有大空間、重量輕、建造簡單特點，但需要不斷輸入超壓氣體及需日常維護管理。雙層結構是雙層膜之間充入氣體，和單層相比可以充入高壓空氣，形成具有一定剛性的結構，而且進出口可以敞開，施工快捷，經濟效益高，但需維持進行24小時送風機運轉，在持續運行及機器維護費用的成本上較高。

2 膜結構應用材料

目前膜材料建筑中最常用的材料主要有聚四氟乙烯（PTFE）膜材、聚氯乙烯（PVC）膜材和加面層的PVC膜材：PVDF膜材和PVF膜材。

PTFE類膜材料商品名叫特氟隆（Teflon），是在玻璃纖維布基上敷聚四氟乙烯樹脂（簡寫PTFE），樹脂含量大于90%，PTFE膜的特性是耐久性、防火性與防污性高。但PTFE膜與PVC膜比較，材料費與加工費高，且柔軟性低，在施工上為避免玻璃纖維被折斷，必須有專用的工具與施工技術。

PVC類膜材料的布基織物為聚酯或聚氨酯等，涂層為PVC樹脂，或氯丁橡膠類物質，一般另加有聚氟乙烯（PVF）或聚偏氟乙烯（PVDF）類面層。PVC膜材在材料及加工上都比PTFE膜便宜，且具有材質柔軟、易施工的優點，但在強度、耐用性、防火性等性能上較PTFE膜差。為了改善PVC膜材的耐火性及防污性，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。

為了解決PVC膜材的自潔性，在PVC涂層上再涂上PVDF膜材料。PVDF是聚偏氟乙烯的簡稱，可以抵抗由紫外線引起的降解，顏色變化，失去光澤，抵抗腐蝕，抵抗臟污，抵抗發霉。PVDF膜與一般的PVC膜比較，耐用年限可達7～10年左右，耐火性基本上達到了難燃級水平。

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，比PVDF膜的耐久性更佳，且具有防油污的優點。但因加工性、施工性與防火性不佳，使用受到一定的限制。

3 膜結構的工程實例及應用

2008年竣工的北京奧運會場館“鳥巢”和“水立方”膜結構采用ETFE膜材，是目前國內最大的ETFE膜材結構建筑，“鳥巢”采用雙層膜結構，外層用ETFE防雨雪防紫外線，內層用PTFE達到保溫、防結露、隔音和光效的目的。“水立方”采用雙層ETFE充氣膜結構，共1437塊氣枕，氣枕可以通過控制充氣量的多少，對遮光度和透光性進行調節，有效地利用自然光，節省能源，并且具有良好的保溫隔熱和消除回聲。隨著國內一些大型體育館、候機大廳等建設以及2010年上海世博會和廣州亞運會等國際盛會的舉辦，為中國膜結構的發展帶來了機遇和挑戰。尤其在膜材方面，中國起步晚，技術水平低，大部分膜材還主要依靠進口。PTFE、PVC和表面改性的PVC、ETFE等膜材是市場的主流，應用比較廣泛。中國已有PTFE膜材的自主知識產權，性能也基本達到國外同類產品的要求。

由于膜結構新穎美觀的造型和多變的色彩，還可用于標志性建筑，例如城市與地方的標識等。然而，目前膜結構在我國尚處于小范圍試驗階段，但隨著我國經濟實力的增強，新工藝、新材料、新設備的出現，膜材料建筑將成為我國21世紀空間結構的發展主流。

參考文獻

[1]《拉索預應力網格結構的分析理論、施工控制與優化設計》東南大學出版社。

[2]《膜結構工程設計》中國建筑工業出版社。

[3]《CECS158-2004膜結構技術規程》中國計劃出版社

[4]《空間網格結構》中國建筑工業出版社。