淺談膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用

張瑩

膜結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)中葉發(fā)展起來的一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)形式，是21世紀(jì)最具代表性與充滿前途的建筑形式，它通過施加預(yù)應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)具有一定的剛度以承受各種荷載作用，其設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)步驟與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比都有很大的不同，索膜結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度柔性薄膜材料經(jīng)受其他材料的拉壓作用而形成的穩(wěn)定曲面，能承受一定外荷載的空間結(jié)構(gòu)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(jié)能、易于使用、安全等優(yōu)點(diǎn)，因而自1970年代以來，膜結(jié)構(gòu)在國外已逐漸應(yīng)用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務(wù)設(shè)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(jīng)過1年的太陽光直接照射，其灰度仍能保留70%，膜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)高強(qiáng)度材料的采用，大部分的力以軸力傳遞使受力體現(xiàn)簡潔合理，因此膜結(jié)構(gòu)適合大跨度空間結(jié)構(gòu)體系。膜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)自重輕，又為柔性結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、鋼索均在工廠加工制作，現(xiàn)場只需組裝，施工簡便，故施工周期比傳統(tǒng)建筑短。

1 常見的膜結(jié)構(gòu)分類

從結(jié)構(gòu)上分可分為：骨架式膜結(jié)構(gòu)，張拉式膜結(jié)構(gòu)，充氣式膜結(jié)構(gòu)。

1.骨架式膜結(jié)構(gòu)（Frame Supported Structure）

以鋼構(gòu)或是集成材構(gòu)成的屋頂骨架，在其上方張拉膜材的構(gòu)造形式，下部支撐結(jié)構(gòu)安定性高，因屋頂造型比較單純，開口部不易受限制，經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)，骨架式膜結(jié)構(gòu)中的膜面僅僅起到對框架結(jié)構(gòu)的維護(hù)作用，框架結(jié)構(gòu)可以是傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)，也可以是各類索結(jié)構(gòu) ，因此廣泛適用于任何大，小規(guī)模的空間。

2.張拉式膜結(jié)構(gòu)（Tension Suspension Structure）

張拉膜結(jié)構(gòu)是通過邊界條件給膜材施加一定預(yù)張應(yīng)力，膜既是建筑的圍護(hù)體又作為結(jié)構(gòu)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(yīng)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(fù)雜問題，都通過計(jì)算確定，張拉膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展離不開計(jì)算機(jī)的進(jìn)步和新算法的提出。但張拉膜結(jié)構(gòu)因施工精度要求高，結(jié)構(gòu)性能強(qiáng)，且具有豐富的表現(xiàn)力，所以造價略高于骨架式膜

結(jié)構(gòu)。

3.充氣式膜結(jié)構(gòu)（Pneumatic Structure）

充氣式膜結(jié)構(gòu)是將膜材固定于屋頂結(jié)構(gòu)周邊，依靠曲面內(nèi)外氣壓差來維持膜曲面的形狀，利用送風(fēng)系統(tǒng)讓室內(nèi)氣壓上升到一定壓力后，使屋頂內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，以抵抗外力，因利用氣壓來支撐，充氣式膜結(jié)構(gòu)是在膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成的室內(nèi)沖入空氣，保持室內(nèi)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(tài)來抵抗荷載及外力的構(gòu)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(jié)構(gòu)分為單層結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)，單層結(jié)構(gòu)如同肥皂泡，單層膜的內(nèi)壓大于外壓。此結(jié)構(gòu)具有大空間、重量輕、建造簡單特點(diǎn)，但需要不斷輸入超壓氣體及需日常維護(hù)管理。雙層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，而且進(jìn)出口可以敞開，施工快捷，經(jīng)濟(jì)效益高，但需維持進(jìn)行24小時送風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在持續(xù)運(yùn)行及機(jī)器維護(hù)費(fèi)用的成本上較高。

2 膜結(jié)構(gòu)應(yīng)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(fèi)與加工費(fèi)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(shù)。

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(zhì)，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(zhì)柔軟、易施工的優(yōu)點(diǎn)，但在強(qiáng)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(fā)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(fā)霉。PVDF膜與一般的PVC膜比較，耐用年限可達(dá)7～10年左右，耐火性基本上達(dá)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(yōu)點(diǎn)。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(jié)構(gòu)的工程實(shí)例及應(yīng)用

2008年竣工的北京奧運(yùn)會場館“鳥巢”和“水立方”膜結(jié)構(gòu)采用ETFE膜材，是目前國內(nèi)最大的ETFE膜材結(jié)構(gòu)建筑，“鳥巢”采用雙層膜結(jié)構(gòu)，外層用ETFE防雨雪防紫外線，內(nèi)層用PTFE達(dá)到保溫、防結(jié)露、隔音和光效的目的。“水立方”采用雙層ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)，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(jìn)行調(diào)節(jié)，有效地利用自然光，節(jié)省能源，并且具有良好的保溫隔熱和消除回聲。隨著國內(nèi)一些大型體育館、候機(jī)大廳等建設(shè)以及2010年上海世博會和廣州亞運(yùn)會等國際盛會的舉辦，為中國膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。尤其在膜材方面，中國起步晚，技術(shù)水平低，大部分膜材還主要依靠進(jìn)口。PTFE、PVC和表面改性的PVC、ETFE等膜材是市場的主流，應(yīng)用比較廣泛。中國已有PTFE膜材的自主知識產(chǎn)權(quán)，性能也基本達(dá)到國外同類產(chǎn)品的要求。

由于膜結(jié)構(gòu)新穎美觀的造型和多變的色彩，還可用于標(biāo)志性建筑，例如城市與地方的標(biāo)識等。然而，目前膜結(jié)構(gòu)在我國尚處于小范圍試驗(yàn)階段，但隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，新工藝、新材料、新設(shè)備的出現(xiàn)，膜材料建筑將成為我國21世紀(jì)空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展主流。

參考文獻(xiàn)

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