摘要：膜結構是大跨度空間結構中的一種主要結構形式。文章就膜結構材料、膜結構類型以及膜結構工程等幾個方面進行了闡述。膜結構也應用在工程中，特別是體育場館中，如上海的八萬人體育場、青島頤中體育場、國家“水立方”游泳中心等場館。膜材料受到廣泛關注。

關鍵詞：膜結構；膜材料；體育場館；展覽建筑；膜結構的類型

中圖分類號：TU502文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2009）16-0195-02

薄膜結構的產生與發(fā)展深受Fuller“少費多用”思想的影響，即在建筑中充分發(fā)揮材料自身特性，追求著用最少的物質材料建造最大容積的建筑。它迥異于傳統(tǒng)的結構，以性能優(yōu)良的柔軟織物為材料，由膜內空氣壓力支承膜面，或利用柔性鋼索，或剛性支承結構使膜面產生一定的預張力，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大空間的結構體系。

一、膜材料的類型及特點

（一）膜材料的類型

膜結構的發(fā)展與膜材料的研發(fā)和應用密不可分。常見的膜材有PVC、PTFE、ETFE膜材。目前應用的建筑膜材主要包括涂層織物類膜材和熱塑化合物類膜材兩大類。

涂層織物類膜材是由高強度纖維織成的基材和聚合物涂層構成的復合材料。其中基層是受力構件，起承受并傳遞荷載的作用，其品種有聚酯纖維、玻璃纖維等；涂層有聚四氟乙烯（PTFE）、硅酮、聚氯乙烯（PVC）等。

熱塑化合物類膜材主要指乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）。

（二）膜材料的特點

膜材料的建筑物理性能主要包括耐候性能、光學性能、聲學性能、熱學性能以及防火性能等多方面。

膜材的耐候性能包括使用壽命、耐老化、自潔性以及強度衰減等。PTFE膜的抗紫外線、耐老化、耐腐蝕等化學特性優(yōu)于PVC膜，其使用壽命可達25年以上，一般用于永久性建筑。

膜材的透光性好，且能慮除大部分紫外線。透射光在結構內部產生均勻的漫射光，無陰影，無眩光，無顯著方向性，光線柔和均勻。

膜材料的回聲和吸聲特性綜合決定了膜結構建筑內空間音響品質和隔音效果。膜材織物對聲波振動具有很強的反射性，這種反射性增加膜結構建筑內部的噪音水平。通常需要采取相應的建筑構造措施改善膜結構的建筑聲學環(huán)境。比如在膜內加裝輕質、多孔的織物襯墊，懸掛隔聲屏，采用專用吸聲膜內襯等方法。

膜結構建筑的保溫隔熱性能較差。當對建筑物的保溫隔熱性能有較高要求時，可采用雙層或多層膜結構，但這樣會影響到膜結構的透光性。另外膜面內部的冷凝結露也是需要考慮的問題。

膜材具有較好的防火性能。實驗表明，PTFE的防火性能優(yōu)于PVC，但從火災情況下膜結構的實際反應看，PVC膜材更好一些。

二、膜結構的特點和類型

（一）膜結構的特點

膜結構自重輕，跨度大，建筑造型豐富，施工方便；但其抵抗局部荷載作用能力差，容易出現(xiàn)褶皺、局部破損甚至整體破壞等問題。

薄膜結構具有和施工相關性的如下力學特點：（1）結構形狀及剛度與施工方法和過程間有相關性；（2）結構的荷載敏感性；（3）結構成型前的弱（零）剛度性。柔性的薄膜材料只有當被賦予適當?shù)念A張力時才具有確定的形狀和抵抗外荷載的剛度，也才成為結構。初平衡狀態(tài)下的形狀確定及預應力分布是張拉結構中最關鍵的問題。預應力的大小和分布決定了結構的剛度和形狀。

（二）膜結構的類型

我國《膜結構技術規(guī)程》（CECS158：2004）根據(jù)膜材及相關構件的受力方式把膜結構分成四種形式：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膜結構。

空氣支承膜結構，即充氣膜結構是利用膜內外空氣的壓力差為膜材施加預應力，使膜面能覆蓋所形成的空間。有氣承式和氣囊式兩種。

張拉膜結構通過給膜材直接施加預拉力使之具有剛度并承擔外荷載。整體張拉式膜結構，通過膜面內力直接將荷載傳遞給邊緣構件，應用在跨度較小的膜結構當中。鋼索和膜結合形成張拉索-膜結構可應用于較大跨度的膜結構。

以上兩種形式中鋼索的作用不盡相同，在充氣膜中，鋼索主要起加勁作用；在張拉膜結構中，鋼索與膜材都是主要受力構件。

骨架支承式膜結構是指由鋼構件或其它剛性構件作為承重骨架，在骨架上布置按設計要求張緊的膜材。索系支承式膜結構的主要形式是索穹頂結構，索穹頂結構是以連續(xù)的拉索和不連續(xù)的壓桿組成的預應力空間結構體系。這類結構使用薄膜作為覆蓋材料，其中的膜材是傳力構件而非主要受力構件，主要作用是圍護。

三、工程中的膜結構

膜與索、鋼架的組合結構是大跨度空間結構的一個主要形式。表1是參考文獻中所統(tǒng)計的部分國際上超過1萬m²膜結構的相關資料。

與世界先進水平相比，中國在膜結構方面的差距，無論是理論研究還是實際應用都是十分明顯的。但是隨著經(jīng)濟的發(fā)展，以及奧運、世博等大型體育項目和展覽項目在中國的舉辦，我國的膜結構在應用方面近年來也開始呈現(xiàn)比較活潑的勢頭。

上海為迎接八運會于1997年建成的八萬人體育場是我國首次在大型建筑上采用膜結構。其挑篷采用以徑向懸挑鋼桁架和環(huán)向桁架組成的大跨度空間結構，上覆傘形膜結構，總覆蓋面積36100m²。32榀桁架將結構分成57個錐形單元，錐體單元的高點由飛柱提供。32榀桁架中，最小懸臂21m，最大73.5m，桁架錨固在相距24m的巨型混凝土柱上。桁架側向支撐由空間環(huán)向桁架提供。錐體設置4根脊索、4根下拉索（拉飛柱）。之后的上海虹口體育場采用了鞍形大懸挑空間索桁架支承的膜結構。這二個體育場所用膜材是進口的，施工安裝也由外國公司進行。

青島頤中體育場是我國第一個自行設計和安裝，采用整體張拉式索膜結構的體育場工程。其挑篷是由60個錐形索膜單元組成的脊谷式張拉膜結構，每個單元由一個立柱支撐，通過谷索、脊索、內外邊索的張拉作用成形。建筑長軸為266m，由86m長的直線段和兩端半徑為90m的半圓弧組成，短軸為180m。立柱頂點標高42.5m，內環(huán)索標高約36.5m，篷蓋懸挑沿周邊均約40m。膜覆蓋面積（水平投影）約30000 m²。

國家游泳中心“水立方”是2008年奧運會標志性建筑之一，其建筑圍護結構采用了ETFE膜結構。相比2006年德國世界杯慕尼黑安聯(lián)體育場的ETFE氣枕式外墻，規(guī)則排列的單層氣枕，覆蓋6萬m²，水立方的中心屋面、立面和內部隔墻均由雙層ETFE充氣枕構成，且?guī)缀鯖]有形狀相同的兩個氣枕，單個最大氣枕面積90m²，表面覆蓋面積達10萬m²。水立方是國內首個ETFE膜結構，目前世界上規(guī)模最大的膜結構工程，也是惟一一個完全由膜結構來進行全封閉的大型公共建筑。

近年來我國的膜結構項目基本上沿兩條主線發(fā)展：一是大型體育場館和展覽中心，另一條是膜結構小品建筑。超過1萬m²或接近1萬m²的其它膜結構項目，比如威海市體育中心場挑篷（15300 m²，2001年）、浙江省義烏市體育中心（16000 m²，2001年）、鄭州航海體育場（21000 m²，2001年）、廣西南寧國際會展中心主廳（豎向空間膜結構，高48m，底部直徑72m，2003年）、廣州新白云機場航站樓屋面采光帶、門廳及連接樓屋面（50000 m²）、嘉峪關體育場（10000 m²，2003年）、武漢體育中心（30000 m²，2001年）、廣州黃埔體育場（10000 m²，2000年）等。膜結構小品建筑包括住宅小區(qū)的公共設施、加油站、露天劇場等。

四、結語

膜結構具有強大的生命力。隨著新材料、新形式的不斷出現(xiàn)，膜結構除了應用在體育建筑和展覽建筑之外，還將更多地被應用于那些需要天然采光的公共建筑以及敞開或半敞開建筑。另外，將膜結構和折疊結構、可展結構等結合起來，形成的開閉式屋蓋又是一種富有建筑感染力的結構形式。

參考文獻

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作者簡介：龐崇安（1982－ ），女，浙江臺州人，浙江同濟科技職業(yè)學院建筑系助教，研究方向：建筑結構。