膜結構的發展及應用

(成都理工大學 四川 成都 610059)

膜結構是以多種高強度的復合織物膜材為屋頂，與支撐及張拉結構體系通過一定的方式連接產生預應力而形成一定剛度的空間結構承受外荷載作用的結構形式[1]。最早應用于膜建筑結構物中材料是PVC工程膜材料，隨著膜結構體系的不斷發展促進了膜材的發展，在20世紀70年代研制出種永久性建筑膜材料，英文簡稱PTFE，此種膜材以玻璃纖維為基材，面層復合上四氟聚酯類材料[2]。

一、膜結構在國外的發展及應用

膜結構在國外的發展較早，在20世紀初期就有人致力于膜結構的研究。最早提出設想和專利的是1917年英國的Willian，他根據類似原理制作行軍及野戰醫院的充氣帳篷。棚頂是簡單處理的防水織物，在穩定性、強度、使用壽命、舒適度、保暖性等方面，都很難達到常規建筑物的要求。因此在那個時代人們也沒有把這類臨時性的設施當成建筑物看待[3]。1967年德國學者F.Otto率先制造出的工程膜材料(PVC)，并應用“皂泡理論”模擬膜的表面張力形態，對膜結構進行受力分析及設計，并設計了加拿大Montreal博覽會上的德國館[4]。

膜結構的首次展示是在1970年日本大阪萬國博覽會。其中最具代表性的是蝸牛殼狀富士館和巨大而扁平的橢圓狀美國館。美國館采用氣承式空氣膜結構。這個跨度為140m的展覽館是世界上第一個大跨度的膜結構，首次采用了PVC涂層的玻璃纖維織物。1972年建成的慕尼黑奧林匹克體育場是德國慕尼黑夏季奧運會的主體育場，以頗具革命性的膜結構帳篷式屋頂結構聞名。它有著半透明帳篷形的棚頂，覆蓋面積達85,000平方米，整個棚頂呈圓錐形，由網索鋼纜組成，每一網格為75×75厘米，網索屋頂鑲嵌淺灰棕色丙烯塑料玻璃，用氟丁橡膠卡將玻璃卡在鋁框中，使覆蓋部分內光線充足且柔和。1999年英國倫敦的“千年穹頂”，千年穹頂(Millennium Dome)是英國政府為迎接21世紀而興建的標志性建筑。它造型獨特，氣魄宏偉，輝煌一時，引起了人們的極大關注，許多人稱它是20世紀90年代產生的鴻篇巨作[5]。

二、膜結構在國內的發展

膜結構在國內發展起步較晚，始于1996年前后，在這之前只有極少量的采用織物材料制作的小品膜結構建筑。1996年，上海陸家嘴中央綠地公園建成了一個膜結構小品，自此膜結構這一采用特殊織物材料的建筑類型才引起公眾和建筑結構專業人士的關注。在1996-1999年，短短三年時間先后建成了影響力較大的大型膜結構建筑，比較具有代表性的由上海八萬人體育場、青島頤中體育場和杭州游泳館。上海體育場在設計上采用了外環圓形，內環橢圓形，呈波浪式馬鞍形的整體結構。觀眾席上方采用馬鞍形大懸挑鋼管空間屋蓋結構，覆以乳白色薄膜材料，面積為3.6萬平方米，主席臺正上方的一根最長單臂懸挑梁長73.5米，是典型的張拉式膜結構。青島頤中體育場的結構支承體系由中心環索及60是個錐狀模體組成脊骨式張拉整體式膜結構。平面呈橢圓形，短軸180m，長軸266m。整個膜面均采用的PVC膜材。張拉式膜結構是通過鋼架、鋼索等對膜面施加預張力使其具有一定剛度并抵抗外荷載的一種結構形式。由于其獨特的外觀，優良的性能和施工方便等特點在國內得到廣泛地應用。2008建成的國家體育場外形結構由巨大的門式鋼架組成，屋頂鋼結構覆蓋雙層膜結構，即固定于鋼結構上弦之間的透明的上層ETFE膜和固定于鋼結構下弦之下及內環側壁的半透明的下層PTFE聲學吊頂。作為2010年上海世博會主入口和主軸線的世博軸也是一個典型的膜結構，是一個集商業、餐飲、娛樂、會展等服務于一體的大型商業、交通綜合體。世博軸中膜結構屋頂總長度約840m，最大跨度約97m，膜結構總面積達到64000m2，索單根最長110m，分為結構索和膜面索[6]。上海世博軸的巨型索膜結構建筑安裝是世界級的難題，但被建設者攻克了這個難題，成為了世博會一軸四館五大永久建筑之一。

三、膜結構的分類及優缺點

(一)膜結構分類

膜結構可分為整體張拉式膜結構、骨架支承式膜結構、索系支承式膜結構和空氣支承式膜結構。整體張拉式膜結構由鋼索和膜組成整體，通過一定的方式給膜面施加一定的預張力形，使其具有一定的形狀和剛度，膜結構的曲面單元與其支承體公共構成一個完整的結構受力體系。骨架支承式膜結構主要由兩部分組成，一部分是作為承重骨架的剛性構件，一部分是張拉在骨架上的膜材，膜材起到圍護結構的作用，骨架可獨立形成受力體系。索系支承式膜結構由索、桿和膜構成，其中空間索系及桿為主要承重結構，膜材布置于索系上，膜材與索桿共同受外荷載作用。空氣支承式膜結構依靠結構內部的壓力保持膜材張力，內設充氣裝置保持內壓，從而保證結構剛度。空氣支承式膜結構可分為氣承式、氣肋式和氣枕式。氣承式膜結構通過氣壓控制系統向膜材內充氣，保持膜材內外一定的氣壓差，從而使膜材產生預張力，以保證結構剛度。氣肋式和氣枕式膜結構是指如同氣球一般，將膜材包裹成封閉構件，通過向膜內部充氣使膜材產生張力。前者一般由管狀膜構件組成，后者一般由枕式膜構件組成。

(二)膜結構的優點

膜結構是一種柔性結構，要形成具有剛度的表面，還需和支撐系統組合，來承受一定的荷載。膜結構作為一種新型的的建筑結構形式，與傳統的建筑結構形式相比，膜結構具有很多優點：

1.自重輕、抗震性能好，可用于建造大跨度建筑；

2.結構造型豐富多樣，可以充分發揮建筑師的想象力；

3.經濟適用，膜材可作為裝修材料，減少二次裝修費用；

4.建筑膜材表面的防護涂層使其具有良好的自潔功能；

5.施工工期短，膜片的裁剪制作均在工廠完成，現場直接安裝；

綜上所述，膜結構作為一種新型的建筑結構形式，現在在國內外的發展取得了爆發性的增長，以獨特的優勢躋身于建筑行業。同時也推動了膜材的發展，膜結構的材料、設計、制作、安裝等產業鏈也已發展形成。目前，我國已有數百家膜結構專業生產企業，每年會建成大量的膜結構建筑。