建筑結(jié)構(gòu)選型專題4膜結(jié)構(gòu)

專題四——膜結(jié)構(gòu)一種極富現(xiàn)代氣息的新型空間結(jié)構(gòu)

建筑藝術(shù)－膜結(jié)構(gòu)膜結(jié)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)膜材介紹4膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例返回1建筑藝術(shù)—膜結(jié)構(gòu)

膜結(jié)構(gòu)是張力結(jié)構(gòu)體系的一種。它以具有優(yōu)良性能的柔軟織物為膜材，由膜內(nèi)的空氣壓力支承膜面（充氣式膜結(jié)構(gòu)或所承式膜結(jié)構(gòu)），或利用鋼索或風(fēng)性支承結(jié)構(gòu)向膜內(nèi)預(yù)施加張力（張力膜結(jié)構(gòu)），從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大空間的結(jié)構(gòu)體系，于二十世紀(jì)后期成為國際上大跨度空間建筑及景觀建筑的主要形式之一，具有強(qiáng)烈的時(shí)代感和代表性。

膜結(jié)構(gòu)是集建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、化工、材料力學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體的多學(xué)科交叉應(yīng)用工程，具有很高的技術(shù)含量和藝術(shù)感染力，實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。返回

2.1膜極薄且輕，節(jié)省能源

膜材料非常薄，從幾分之一毫米到一毫米，重量輕，最重只有1.5Kg/m2，并且在給定的幾何空間里只占最小的體積，因此，使用的資源被降至最小，在保證基本功能的前提下保證了最小的能源消耗。

2膜結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)

膜結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，建造工期比傳統(tǒng)建筑明顯縮短，因此，膜結(jié)構(gòu)成為展覽館等建筑的理想結(jié)構(gòu)體系之一，隨著大量膜工程項(xiàng)目的投入使用，如體育場館和舞臺(tái)的頂篷，體現(xiàn)了無支撐建筑的視覺優(yōu)勢。

2.2建造工期短，適用于展覽館、廣場等公共建筑連云港南洋國際學(xué)校主席臺(tái)

湖邊膜結(jié)構(gòu)造型建筑小品泉州浦西體育公園膜結(jié)構(gòu)舞臺(tái)

廈門火燒嶼共好訓(xùn)練營膜結(jié)構(gòu)

2.3膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

1）建筑和結(jié)構(gòu)的相互協(xié)調(diào)(量體裁衣）膜材的形狀和受力是相關(guān)的，要從覆蓋織物的角度去設(shè)計(jì)膜，考慮遮蓋物和建筑骨架的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)建筑和結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)，形狀和力量的統(tǒng)一，使膜結(jié)構(gòu)成為建筑設(shè)計(jì)師特別滿意的選擇。

2）不斷研發(fā)新型高性能膜材高性能織物的發(fā)展使膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不斷發(fā)展，由于這個(gè)新興行業(yè)具有無限潛力，特別是膜材的進(jìn)一步發(fā)展的潛力，膜結(jié)構(gòu)將會(huì)越來越多的用于永久性建筑，這將為現(xiàn)代建筑創(chuàng)造一種嶄新的結(jié)構(gòu)形式。

3）膜材應(yīng)具有的力學(xué)性能在長時(shí)間拉伸的情況下，膜材必須具備足夠的拉伸強(qiáng)度和抗撕裂性能；其力學(xué)性能必須盡可能減小溫度的影響；要求具備外力撤除后的還原性；膜材應(yīng)具有薄、輕、透光的技術(shù)特點(diǎn)。

4）降底成本、品種豐富

膜材應(yīng)具有抗老化、抗褶皺、抗冰雹、防塵、防水、防霧等性能之外，還應(yīng)具有可回收，可批量制造、可焊接的技術(shù)特點(diǎn)。

膜材應(yīng)具備成本低，外表感觀性強(qiáng)、較好的觸摸感、品種豐富、色彩亮麗等技術(shù)要求。

5）良好的耐損傷性膜材應(yīng)具有較好的防火性，不易燃燒。較強(qiáng)的抗腐蝕性（廢氣、煤煙、油、鹽、酸、真菌和細(xì)菌的侵蝕）也是必不可少的條件。膜材應(yīng)不易受到物理損傷，如故意劃傷和破壞。返回

3膜材介紹膜結(jié)構(gòu)一般采用各向同性和各向異性的兩種材料制造膜材，膜結(jié)構(gòu)工程用于結(jié)構(gòu)膜的各向同性膜材一般是由熱塑材料制成的薄片，各向異性膜材由幾種不同材料的纖維制成。膜結(jié)構(gòu)采用的薄膜的材料，大多采用涂層織物薄膜，分為兩部分，內(nèi)部為基材織物，主要決定膜材的力學(xué)性質(zhì)，提供材料的抗拉強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度等；外層為涂層，主要解決膜材的物理性質(zhì)，提供材料的耐火、耐久性及防水、自潔性等。

膜結(jié)構(gòu)建筑中最常用的膜材料為PTFE、PVDF、PVC三種膜材，它們均具有較好的抗火性能、透光性強(qiáng)、壽命長、抗蠕變、可回收等技術(shù)特點(diǎn)。1）特氟隆PTFE膜材商品名稱—特氟隆，由聚四氟乙烯（PTFE）涂層和玻璃纖維基層復(fù)合而成。

特氟隆PTFE膜材

特氟隆PTFE膜材的最大特點(diǎn)是強(qiáng)度高，耐久性好、防火、阻燃、不受紫外線影響，使用壽命在25年以上，具有高透光率，透光率為13％，對熱能反射率73％，熱吸收量很少。

特氟隆PTFE膜材結(jié)構(gòu)

PTFE膜材大屋頂

2）聚二氟乙稀PVDF膜材在聚酯纖維編織的基布上涂覆聚氯乙烯(PVC)涂層后，再在涂層外面加一層聚二氟乙烯（PVDF）面層，形成的復(fù)合材料，PVDF這種面層可以有效保護(hù)膜材織物抵抗較強(qiáng)的紫外線，提高了膜材織物的使用壽命。

聚二氟乙稀PVDF膜材

正是由于劃時(shí)代膜材的發(fā)明，使膜結(jié)構(gòu)建筑正在成為現(xiàn)代化的永久性建筑。

聚二氟乙稀PVDF膜材由于自潔性好，抵抗紫外線能力較強(qiáng)，價(jià)位適中，運(yùn)輸安裝方便，目前已經(jīng)越來越廣泛的應(yīng)用于各種使用功能的建筑領(lǐng)域。

3）聚氯乙稀PVC膜材聚氯乙稀膜材由PVC涂層和聚酯纖維基層復(fù)合而成，一般有聚氯乙?。≒VC）或者聚二氯乙烯（PVDF）類面層，應(yīng)用范圍比較廣泛。

雙色聚氯乙稀PVC膜材返回4膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

膜結(jié)構(gòu)目前在我國正廣泛應(yīng)用于景觀雕塑、景觀小品、交通設(shè)施、工業(yè)設(shè)施、公共建筑、體育設(shè)施等各類建筑結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目。并將隨著現(xiàn)代建筑的發(fā)展，在更廣闊的舞臺(tái)上發(fā)揮著重要的作用。

景觀雕塑

圖2景觀小品現(xiàn)代城市建設(shè)越來越注重對環(huán)境設(shè)計(jì)要求，環(huán)境設(shè)計(jì)應(yīng)可能形式上美觀。膜結(jié)構(gòu)建筑景觀小品在當(dāng)今建筑環(huán)境設(shè)計(jì)中正發(fā)揮著重要的作用。在我國大量的膜結(jié)構(gòu)小品在環(huán)境中起到了景觀襯托的作用，發(fā)揮了美化環(huán)境的重要作用。

景觀小品居民區(qū)的景觀小品雕塑景觀小品居民區(qū)的景觀小品返回居民區(qū)的景觀小品返回4.1膜結(jié)構(gòu)的分類（充氣膜結(jié)構(gòu)、張力膜結(jié)構(gòu)）1）充氣膜結(jié)構(gòu)充氣膜結(jié)構(gòu)一般需要長期不間斷地能源供應(yīng)，在低拱度大跨度建筑中的單層膜結(jié)構(gòu)必須是封閉的空間，以保持一定氣壓差。在氣候惡劣的地方，空氣膜結(jié)構(gòu)的維護(hù)有一定的困難，不少建筑曾遭意外的漏氣而下癟。生活中如肥皂泡、氣球、足球、輪胎等。分氣承式和氣囊式氣承式：單層膜結(jié)構(gòu)，室內(nèi)氣壓大于室外氣壓，既要承受外荷載，又不致使室內(nèi)人們感到不適，屬于低壓包結(jié)構(gòu)。氣囊式：空氣沖入膜材制作的氣囊，形成梁、柱、拱、殼等構(gòu)件，再按照一定的形式構(gòu)成結(jié)構(gòu)。屬于高壓包體系。工程實(shí)例11970大孤萬國博覽會(huì)上的美國館采用充氣式膜結(jié)構(gòu)，首次使用以聚氯乙烯（PVC）為涂層的玻璃纖維織物作為膜材料，其準(zhǔn)橢圓平面的軸線尺寸達(dá)140×83.5m，被認(rèn)為是第一個(gè)有現(xiàn)代意義的大跨度膜結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了一些問題，主要是由于意外漏氣或氣壓控制系統(tǒng)不穩(wěn)定而屋面下癟，或由于暴風(fēng)雪天氣在屋面形成局部雪兜而熱空氣融雪系統(tǒng)失效導(dǎo)致屋癟甚至事故，這些問題影響了膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。美國在1985后不再使用這一結(jié)構(gòu)形式建造大型的體育館。工程實(shí)例2但日本在1988年建成的東京后樂園棒球館（東京巨蛋）中仍然采用氣承式索-膜結(jié)構(gòu)，但應(yīng)用了極為先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)，并且使用雙層膜結(jié)構(gòu)，中間可通熱空氣融雪，中央計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)測風(fēng)速、雪壓、室內(nèi)氣壓、膜和索的變形及內(nèi)力，并自動(dòng)選擇最佳方法來控制室內(nèi)氣壓和消除積雪。東京巨蛋是充氣式，利用加壓送風(fēng)機(jī)制造出內(nèi)部比外部高0.3%的壓力差，類似吹氣球地將屋頂撐起。為了保持內(nèi)外的氣壓，東京巨蛋必須24小時(shí)開放空調(diào)并且關(guān)閉大門，平時(shí)進(jìn)出是利用旋轉(zhuǎn)門。如果想利用一般的門進(jìn)入，會(huì)有相當(dāng)于臺(tái)風(fēng)的每秒15公尺強(qiáng)風(fēng)從內(nèi)部向外吹，不是根本無法走進(jìn)去就是馬上被吹出來。

MadeforExpo86,theworldexpositionheldinVancouverin1986,asamulti-purposestadiumwithseatingfor60,000.Thestructureisa190mx231msuper-ellipseinplan,andatthetimeofconstructiontheworld'slargestairsupporteddomestadium.工程實(shí)例3工程實(shí)例4——?dú)饽遥ňS護(hù)部分）工程實(shí)例5——?dú)饽夜こ虒?shí)例6——充氣橡膠壩

2）張力膜結(jié)構(gòu)起源于游牧民族用獸皮制作的帳篷。生活中如雨傘。

有懸掛式和支承式膜結(jié)構(gòu)兩種類型，自80年代以來在發(fā)達(dá)國家獲得極大發(fā)展。這種體系的膜張緊在剛性或柔性邊緣構(gòu)件上，通過特殊構(gòu)造將鋼索和膜懸掛在桅桿上（懸掛式）或以剛性支撐為骨架，將膜支承在若干獨(dú)立的邊緣結(jié)構(gòu)。另外，以平板網(wǎng)架或曲面網(wǎng)殼作為支撐骨架而成的支承式膜結(jié)構(gòu)，不僅應(yīng)用了已經(jīng)成熟的網(wǎng)架、網(wǎng)殼設(shè)計(jì)技術(shù)，而且結(jié)構(gòu)的構(gòu)造也較簡單，是一種很有推廣價(jià)值的結(jié)構(gòu)形式。

小試驗(yàn)——制作帳篷材料：一手絹或一張比較軟的紙目的：1）了解張力膜結(jié)構(gòu)的概念；2）描述蓬膜受力的情況；3）描述帳篷的幾何外型；4）發(fā)現(xiàn)或想到什么問題，及解決辦法。ABCDEABCDE雙曲面外力P連云港南洋國際學(xué)校主席臺(tái)

湖邊膜結(jié)構(gòu)造型慕尼黑奧林匹克體育中心（1972）慕尼黑奧林匹克體育場索網(wǎng)結(jié)構(gòu)（1972）看臺(tái)內(nèi)景

看臺(tái)挑蓬索網(wǎng)示意圖

英國倫敦千年穹頂倫敦千禧穹頂（MillenniumDome）位于倫敦東部泰晤士河畔的格林威治半島舊英國政府為迎接21世紀(jì)而興建的標(biāo)志建筑。它占地73公頃，總造價(jià)達(dá)12.5億美元，是大型綜合性展覽建筑。

穹頂直徑320m，周圈大于1000m，有12根穿出屋面達(dá)100mm的桅桿，屋蓋采用圓球形的張力膜結(jié)構(gòu)。膜面支承在72根幅射狀的鋼索上，其截面2×φ32,這些鋼索通過間距25m的斜拉吊索與系索為桅桿所支撐，吊索同時(shí)對桅桿起穩(wěn)定作用。亞特蘭大體育館索穹頂（1996）它是1996年亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)的主體育館,平面為橢圓形(193m×240m),這種雙曲拋物面型張拉整體索穹頂?shù)暮匿摿坎坏?0㎏/㎡.

索穹頂結(jié)構(gòu)示意圖

索穹頂內(nèi)景

同國際先進(jìn)水平相比，中國在膜結(jié)構(gòu)方面有相當(dāng)?shù)牟罹?，但近年來在理論研究方面已做了不少工作，也開始出現(xiàn)一些實(shí)際的工程項(xiàng)目。如上海八萬人體育場的看臺(tái)挑篷用用鋼骨架支承的膜結(jié)構(gòu)，總覆蓋面積36,100m2，是我國首次在大型建筑上采用膜結(jié)構(gòu)，但膜材是進(jìn)口的