建筑结构选型专题4膜结构

专题四——膜结构一种极富现代气息的新型空间结构

建筑艺术－膜结构膜结构技术特点膜材介绍4膜结构应用实例返回1建筑艺术—膜结构

膜结构是张力结构体系的一种。它以具有优良性能的柔软织物为膜材，由膜内的空气压力支承膜面（充气式膜结构或所承式膜结构），或利用钢索或风性支承结构向膜内预施加张力（张力膜结构），从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系，于二十世纪后期成为国际上大跨度空间建筑及景观建筑的主要形式之一，具有强烈的时代感和代表性。

膜结构是集建筑学、结构力学、化工、材料力学、计算机技术等为一体的多学科交叉应用工程，具有很高的技术含量和艺术感染力，实用性强，应用领域广泛。返回

2.1膜极薄且轻，节省能源

膜材料非常薄，从几分之一毫米到一毫米，重量轻，最重只有1.5Kg/m2，并且在给定的几何空间里只占最小的体积，因此，使用的资源被降至最小，在保证基本功能的前提下保证了最小的能源消耗。

2膜结构的技术特点

膜结构具有轻质高强的特点和优势，建造工期比传统建筑明显缩短，因此，膜结构成为展览馆等建筑的理想结构体系之一，随着大量膜工程项目的投入使用，如体育场馆和舞台的顶篷，体现了无支撑建筑的视觉优势。

2.2建造工期短，适用于展览馆、广场等公共建筑连云港南洋国际学校主席台

湖边膜结构造型建筑小品泉州浦西体育公园膜结构舞台

厦门火烧屿共好训练营膜结构

2.3膜结构的设计要求

1）建筑和结构的相互协调(量体裁衣）膜材的形状和受力是相关的，要从覆盖织物的角度去设计膜，考虑遮盖物和建筑骨架的关系，实现建筑和结构的协调，形状和力量的统一，使膜结构成为建筑设计师特别满意的选择。

2）不断研发新型高性能膜材高性能织物的发展使膜结构的应用不断发展，由于这个新兴行业具有无限潜力，特别是膜材的进一步发展的潜力，膜结构将会越来越多的用于永久性建筑，这将为现代建筑创造一种崭新的结构形式。

3）膜材应具有的力学性能在长时间拉伸的情况下，膜材必须具备足够的拉伸强度和抗撕裂性能；其力学性能必须尽可能减小温度的影响；要求具备外力撤除后的还原性；膜材应具有薄、轻、透光的技术特点。

4）降底成本、品种丰富

膜材应具有抗老化、抗褶皱、抗冰雹、防尘、防水、防雾等性能之外，还应具有可回收，可批量制造、可焊接的技术特点。

膜材应具备成本低，外表感观性强、较好的触摸感、品种丰富、色彩亮丽等技术要求。

5）良好的耐损伤性膜材应具有较好的防火性，不易燃烧。较强的抗腐蚀性（废气、煤烟、油、盐、酸、真菌和细菌的侵蚀）也是必不可少的条件。膜材应不易受到物理损伤，如故意划伤和破坏。返回

3膜材介绍膜结构一般采用各向同性和各向异性的两种材料制造膜材，膜结构工程用于结构膜的各向同性膜材一般是由热塑材料制成的薄片，各向异性膜材由几种不同材料的纤维制成。膜结构采用的薄膜的材料，大多采用涂层织物薄膜，分为两部分，内部为基材织物，主要决定膜材的力学性质，提供材料的抗拉强度、抗撕裂强度等；外层为涂层，主要解决膜材的物理性质，提供材料的耐火、耐久性及防水、自洁性等。

膜结构建筑中最常用的膜材料为PTFE、PVDF、PVC三种膜材，它们均具有较好的抗火性能、透光性强、寿命长、抗蠕变、可回收等技术特点。1）特氟隆PTFE膜材商品名称—特氟隆，由聚四氟乙烯（PTFE）涂层和玻璃纤维基层复合而成。

特氟隆PTFE膜材

特氟隆PTFE膜材的最大特点是强度高，耐久性好、防火、阻燃、不受紫外线影响，使用寿命在25年以上，具有高透光率，透光率为13％，对热能反射率73％，热吸收量很少。

特氟隆PTFE膜材结构

PTFE膜材大屋顶

2）聚二氟乙稀PVDF膜材在聚酯纤维编织的基布上涂覆聚氯乙烯(PVC)涂层后，再在涂层外面加一层聚二氟乙烯（PVDF）面层，形成的复合材料，PVDF这种面层可以有效保护膜材织物抵抗较强的紫外线，提高了膜材织物的使用寿命。

聚二氟乙稀PVDF膜材

正是由于划时代膜材的发明，使膜结构建筑正在成为现代化的永久性建筑。

聚二氟乙稀PVDF膜材由于自洁性好，抵抗紫外线能力较强，价位适中，运输安装方便，目前已经越来越广泛的应用于各种使用功能的建筑领域。

3）聚氯乙稀PVC膜材聚氯乙稀膜材由PVC涂层和聚酯纤维基层复合而成，一般有聚氯乙稀（PVC）或者聚二氯乙烯（PVDF）类面层，应用范围比较广泛。

双色聚氯乙稀PVC膜材返回4膜结构的应用

膜结构目前在我国正广泛应用于景观雕塑、景观小品、交通设施、工业设施、公共建筑、体育设施等各类建筑结构工程项目。并将随着现代建筑的发展，在更广阔的舞台上发挥着重要的作用。

景观雕塑

图2景观小品现代城市建设越来越注重对环境设计要求，环境设计应可能形式上美观。膜结构建筑景观小品在当今建筑环境设计中正发挥着重要的作用。在我国大量的膜结构小品在环境中起到了景观衬托的作用，发挥了美化环境的重要作用。

景观小品居民区的景观小品雕塑景观小品居民区的景观小品返回居民区的景观小品返回4.1膜结构的分类（充气膜结构、张力膜结构）1）充气膜结构充气膜结构一般需要长期不间断地能源供应，在低拱度大跨度建筑中的单层膜结构必须是封闭的空间，以保持一定气压差。在气候恶劣的地方，空气膜结构的维护有一定的困难，不少建筑曾遭意外的漏气而下瘪。生活中如肥皂泡、气球、足球、轮胎等。分气承式和气囊式气承式：单层膜结构，室内气压大于室外气压，既要承受外荷载，又不致使室内人们感到不适，属于低压包结构。气囊式：空气冲入膜材制作的气囊，形成梁、柱、拱、壳等构件，再按照一定的形式构成结构。属于高压包体系。工程实例11970大孤万国博览会上的美国馆采用充气式膜结构，首次使用以聚氯乙烯（PVC）为涂层的玻璃纤维织物作为膜材料，其准椭圆平面的轴线尺寸达140×83.5m，被认为是第一个有现代意义的大跨度膜结构。但这种结构也出现了一些问题，主要是由于意外漏气或气压控制系统不稳定而屋面下瘪，或由于暴风雪天气在屋面形成局部雪兜而热空气融雪系统失效导致屋瘪甚至事故，这些问题影响了膜结构的应用。美国在1985后不再使用这一结构形式建造大型的体育馆。工程实例2但日本在1988年建成的东京后乐园棒球馆（东京巨蛋）中仍然采用气承式索-膜结构，但应用了极为先进的自动控制技术，并且使用双层膜结构，中间可通热空气融雪，中央计算机自动监测风速、雪压、室内气压、膜和索的变形及内力，并自动选择最佳方法来控制室内气压和消除积雪。东京巨蛋是充气式，利用加压送风机制造出内部比外部高0.3%的压力差，类似吹气球地将屋顶撑起。为了保持内外的气压，东京巨蛋必须24小时开放空调并且关闭大门，平时进出是利用旋转门。如果想利用一般的门进入，会有相当于台风的每秒15公尺强风从内部向外吹，不是根本无法走进去就是马上被吹出来。

MadeforExpo86,theworldexpositionheldinVancouverin1986,asamulti-purposestadiumwithseatingfor60,000.Thestructureisa190mx231msuper-ellipseinplan,andatthetimeofconstructiontheworld'slargestairsupporteddomestadium.工程实例3工程实例4——气囊（维护部分）工程实例5——气囊工程实例6——充气橡胶坝

2）张力膜结构起源于游牧民族用兽皮制作的帐篷。生活中如雨伞。

有悬挂式和支承式膜结构两种类型，自80年代以来在发达国家获得极大发展。这种体系的膜张紧在刚性或柔性边缘构件上，通过特殊构造将钢索和膜悬挂在桅杆上（悬挂式）或以刚性支撑为骨架，将膜支承在若干独立的边缘结构。另外，以平板网架或曲面网壳作为支撑骨架而成的支承式膜结构，不仅应用了已经成熟的网架、网壳设计技术，而且结构的构造也较简单，是一种很有推广价值的结构形式。

小试验——制作帐篷材料：一手绢或一张比较软的纸目的：1）了解张力膜结构的概念；2）描述蓬膜受力的情况；3）描述帐篷的几何外型；4）发现或想到什么问题，及解决办法。ABCDEABCDE双曲面外力P连云港南洋国际学校主席台

湖边膜结构造型慕尼黑奥林匹克体育中心（1972）慕尼黑奥林匹克体育场索网结构（1972）看台内景

看台挑蓬索网示意图

英国伦敦千年穹顶伦敦千禧穹顶（MillenniumDome）位于伦敦东部泰晤士河畔的格林威治半岛旧英国政府为迎接21世纪而兴建的标志建筑。它占地73公顷，总造价达12.5亿美元，是大型综合性展览建筑。

穹顶直径320m，周圈大于1000m，有12根穿出屋面达100mm的桅杆，屋盖采用圆球形的张力膜结构。膜面支承在72根幅射状的钢索上，其截面2×φ32,这些钢索通过间距25m的斜拉吊索与系索为桅杆所支撑，吊索同时对桅杆起稳定作用。亚特兰大体育馆索穹顶（1996）它是1996年亚特兰大奥运会的主体育馆,平面为椭圆形(193m×240m),这种双曲抛物面型张拉整体索穹顶的耗钢量不到30㎏/㎡.

索穹顶结构示意图

索穹顶内景

同国际先进水平相比，中国在膜结构方面有相当的差距，但近年来在理论研究方面已做了不少工作，也开始出现一些实际的工程项目。如上海八万人体育场的看台挑篷用用钢骨架支承的膜结构，总覆盖面积36,100m2，是我国首次在大型建筑上采用膜结构，但膜材是进口的