牛?！⒖圃?/p>

【摘 要】索膜結(jié)構(gòu)是一種新型的建筑結(jié)構(gòu)形式，本文總結(jié)了國內(nèi)外索膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展及部分著名的索膜結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)，闡述了索膜結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，分析了索膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)，并根據(jù)建筑業(yè)特點(diǎn)分析了所膜結(jié)構(gòu)未來發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】索膜結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；發(fā)展趨勢(shì)

1 發(fā)展歷史

索膜結(jié)構(gòu)體系起源于遠(yuǎn)古時(shí)代人類居住的帳篷（支桿、繩索與獸皮構(gòu)成的建筑物），到20世紀(jì)70年代以后，高強(qiáng)、防水、透光且表面光潔、易清洗、抗老化的建筑膜材料的出現(xiàn)，加之工程計(jì)算科學(xué)的飛速發(fā)展，索膜建筑結(jié)構(gòu)體系東山再起，現(xiàn)已大量用于濱海旅游、博覽會(huì)、文藝、體育等大空間的公共建筑上。因?yàn)樗髂そㄖ哂幸捉?、易拆、易搬遷、易更新、充分利用陽光、空氣以及與自然環(huán)境融合等特長，成為21世紀(jì)“綠色建筑體系”的寵兒。

縱觀索膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史，可分為以下幾個(gè)階段：

1.1 膜結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)

膜結(jié)構(gòu)（Membrane）是20世紀(jì)中期發(fā)展起來的一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式，是以充氣膜結(jié)構(gòu)的形式出現(xiàn)，世界上第一座充氣膜結(jié)構(gòu)建成于1946年，設(shè)計(jì)者為美國的沃爾特·勃德（W.Bird），這是一座直徑為15的充氣穹頂。1967年在德國斯圖加特召開的第一屆國際充氣結(jié)構(gòu)會(huì)議，無疑給充氣膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展注入了興奮劑。隨后各式各樣的充氣膜結(jié)構(gòu)建筑出現(xiàn)在1970年大阪世界博覽會(huì)上。

充氣膜結(jié)構(gòu)它是以柔性結(jié)構(gòu)體系來承受風(fēng)荷載和雪荷載等各種外荷載的作用，由于膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及膜材的特殊性，充氣膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析過程也不同于以往的鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)。充氣膜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計(jì)算包括初始形態(tài)分析、受荷分析及模態(tài)分析等內(nèi)容。充氣膜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析包括3個(gè)階段：忽略其自身微小的自重和自平衡預(yù)張力，不承受任何外部荷載的零態(tài)；在確定的邊界條件及施加預(yù)應(yīng)力的分布和大小后所形成的初始態(tài)；在外荷載、自重及考慮材料張力作用的工作態(tài)。它們之間的膜面主應(yīng)力方向、預(yù)張力的大小變化、形態(tài)變形過程和趨勢(shì)等是相互聯(lián)系、相互制約的，必須從全過程、一體化的角度加以考慮。

1.2 迅速發(fā)展

索膜結(jié)構(gòu)作為新的建筑形式自出現(xiàn)，特別是到了20世紀(jì)70年代以后，索膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，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，膜結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)為建筑師們提供了超出傳統(tǒng)建筑模式以外的新選擇。

1988年建成的日本東京室內(nèi)棒球館（Tokyo Dome“Big Egg”），是一座有55000個(gè)座位的體育館（室內(nèi)凈面積46767m2），該設(shè)計(jì)是建筑行業(yè)的一種強(qiáng)有力的蛻變過程，其蛋形屋頂為具有彈性的薄膜，一般會(huì)把巨蛋內(nèi)的氣壓控制在比巨蛋外高0.3%以維持蛋頂外型。結(jié)構(gòu)從根本上克服傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在大跨度（無支撐）建筑上實(shí)現(xiàn)時(shí)所遇到的困難，創(chuàng)造了巨大的無遮擋的可視空間。其造型自由輕巧、阻燃、制作簡易、安裝快捷、節(jié)能、使用安全等優(yōu)點(diǎn)。另外值得一提的是，在陽光的照射下，由膜覆蓋的建筑物內(nèi)部充滿自然漫射光，無強(qiáng)反差的著光面與陰影的區(qū)分，室內(nèi)的空間視覺環(huán)境開闊和諧。夜晚，建筑物內(nèi)的燈光透過屋蓋的膜照亮夜空，建筑物的體型顯現(xiàn)出夢(mèng)幻般的效果。

1.3 膜結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的發(fā)展

在世界建筑業(yè)的迅速發(fā)展中，中國現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展受到了西方國家先進(jìn)技術(shù)的影響。近幾年來，在索膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用上顯示了活躍的趨勢(shì)。雖然一開始工程規(guī)模不大，但已逐漸擴(kuò)展到更大的面積和跨度。所采用的技術(shù)與材料在某種程度上還要依靠國外，但預(yù)計(jì)會(huì)有更多的工程依靠自己的力量來完成。

在過去10年中，中國的許多城市都在籌劃建設(shè)新的體育設(shè)施。由于其重量很輕的優(yōu)點(diǎn)，膜結(jié)構(gòu)往往被采用，體育建筑可以說是膜結(jié)構(gòu)在中國應(yīng)用的突破口。1997年之前，只建造了少量的小型與中型的膜結(jié)構(gòu)，同年在上海舉行的第七屆全國運(yùn)動(dòng)會(huì)，膜結(jié)構(gòu)被用在主體育場的看臺(tái)挑篷，總面積達(dá)36100m2。這是中國第一次將膜材制成的屋頂用在大面積的永久性建筑上，具有深遠(yuǎn)的影響。

上海體育館鮮明特點(diǎn)是大跨度、大空間，其外形既充分展示了體育運(yùn)動(dòng)的力度和氣勢(shì)，又體現(xiàn)了簡潔流暢的整體風(fēng)格，是建筑技術(shù)和建筑藝術(shù)完美的結(jié)合。觀眾席上方采用馬鞍形大懸挑鋼管空間屋蓋結(jié)構(gòu)，覆以乳白色半透明膜結(jié)構(gòu)的頂面，面積為3.6萬平方米，主席臺(tái)正上方的一根最長單臂懸挑梁長73.5m，為世界建筑史之最。

在上海體育場成功的建成后，雖然它的價(jià)格仍高于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，又出現(xiàn)了一些膜結(jié)構(gòu)屋頂?shù)捏w育場。頤中體育場坐落在山東省的濱海城市青島，這是中國第一個(gè)靠自己力量設(shè)計(jì)與施工的大型膜結(jié)構(gòu)體育場，外包尺寸為266m×180m，可容納6萬觀眾。懸挑40m的屋蓋是一個(gè)包括膜、索和鋼支承結(jié)構(gòu)的典型張拉體系，整個(gè)屋蓋由70個(gè)錐形索膜單元組成，總面積為30000m2。環(huán)顧整個(gè)中國大地，膜結(jié)構(gòu)成為覆蓋主體育場的優(yōu)選。

2 索膜體育館的現(xiàn)狀

目前，世界各地的索膜結(jié)構(gòu)工程或研究領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，與現(xiàn)代科技發(fā)展，人類面臨的任務(wù)，保護(hù)自然環(huán)境，建設(shè)了索膜功能和使用的不斷擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)跨度或高度的增加，從而索膜建筑開始在世界上廣闊的應(yīng)用。索膜結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展很快的一種新型空間結(jié)構(gòu)，是一種效率極高的張力集成體系，可以充分發(fā)揮鋼索的強(qiáng)度與張拉整體結(jié)構(gòu)的空間作用。這種結(jié)構(gòu)以造型新穎、質(zhì)輕透光等優(yōu)點(diǎn)在全球得到了推廣應(yīng)用，成為體育建筑、會(huì)展中心、商業(yè)設(shè)施、交通站場等屋蓋的主要選型。

隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，以及建筑空間觀念的日益深化和科學(xué)手段的不斷提高，人們更注重追求更好的生活，“回歸自然”、“沐浴自然之溫馨”已是現(xiàn)代建筑環(huán)境學(xué)發(fā)展的主流。傳統(tǒng)建筑室內(nèi)外的視線越來越模糊，出現(xiàn)了許多亦內(nèi)亦外、相互滲透的不定空間，由于膜材的光透性，白天陽光可以透過膜材形成慢射光，使膜覆蓋空間內(nèi)達(dá)到和室外幾乎一樣的自然效果，因此膜結(jié)構(gòu)能創(chuàng)造出與自然環(huán)境相媲美的空間形式。一個(gè)新的膜結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代技術(shù)的結(jié)合，以其優(yōu)越的實(shí)用性和美觀性是越來越多的人所接受和喜愛在現(xiàn)代建筑中的廣泛應(yīng)用和當(dāng)代建筑的發(fā)展，注入了新的活力。

2.1 索膜結(jié)構(gòu)-膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

索膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：

（1）初始態(tài)分析：確保生成形狀穩(wěn)定、應(yīng)力分布均勻的三維平衡曲面，并能夠抵抗各種可能的荷載工況，這是一個(gè)反復(fù)修正的過程。

（2）荷載態(tài)分析：張拉膜結(jié)構(gòu)自身重量很輕，僅為鋼結(jié)構(gòu)的1/5，混凝土結(jié)構(gòu)的1/40；因此膜結(jié)構(gòu)對(duì)地震力有良好的適應(yīng)性，而對(duì)風(fēng)的作用較為敏感。此外還要考慮雪荷載和活荷載的作用。由于目前觀測(cè)資料尚少，故對(duì)膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常采用安全系數(shù)法。

（3）主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的確定，及對(duì)支承結(jié)構(gòu)的有限元分析。當(dāng)支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法與膜結(jié)構(gòu)不同時(shí)，應(yīng)注意不同設(shè)計(jì)方法間的系數(shù)轉(zhuǎn)換。

（4）連接設(shè)計(jì)：包括螺栓、焊縫和次要構(gòu)件尺寸。

（5）剪裁設(shè)計(jì)：這一過程應(yīng)具備必要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括所選用膜材的楊氏模量和剪裁補(bǔ)償值（應(yīng)通過雙軸拉伸試驗(yàn)確定）。

2.2 索膜結(jié)構(gòu)方案問題

索膜結(jié)構(gòu)在方案階段需要考慮的問題有：

（1）預(yù)張力的大小及張拉方式；

（2）根據(jù)控制荷載來確定膜片的大小和索的布置方式；

（3）考慮膜面及其固定件的形狀以避免積水（雪）；

（4）關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，以避免應(yīng)力集中；

（5）考慮膜材的運(yùn)輸和吊裝；

（6）耐久性與防火考慮。

2.3 膜結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

膜結(jié)構(gòu)一般是由多種高強(qiáng)薄膜材料及加強(qiáng)構(gòu)件通過一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生一定的張應(yīng)力，加上高強(qiáng)度材料鋼索、鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)的采用，使其成為能承受一定外荷載作用力，適合跨度大空間而形成無柱的大跨度結(jié)構(gòu)體系。該體系自重輕、造型可以靈活多樣，具有良好的環(huán)保性、透光性、自清潔性，更具有良好的防火性和抗震性，它可以打破純直線建筑風(fēng)格模式達(dá)到了剛與柔、力與美的完美結(jié)合。

膜安裝時(shí)要安排好和主體結(jié)構(gòu)安裝單位的關(guān)系，協(xié)調(diào)相互間的進(jìn)度；施工時(shí)注意天氣預(yù)報(bào)，保證在整個(gè)安裝過程中無四級(jí)以上大風(fēng)和大雨；安裝過程中發(fā)生膜面破損需要立即進(jìn)行修補(bǔ)，膜面應(yīng)力張拉不可一次到位，以防主體結(jié)構(gòu)側(cè)向失穩(wěn)，應(yīng)分塊逐步張拉到位；膜面張拉到位后，監(jiān)理將會(huì)同安裝單位質(zhì)檢人員對(duì)膜面張力按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供的膜面應(yīng)力值、測(cè)試部位和測(cè)試工具對(duì)膜面應(yīng)力進(jìn)行全面檢查驗(yàn)收，另外做好防水密封工作。

2.4 索的制作

鋼索制作一般包括下料、編束、預(yù)張拉、防護(hù)等幾個(gè)程序。為了使鋼索在受荷后各根鋼絲或鋼股均勻受力，制索下料時(shí)應(yīng)尺寸精確、等長。一般采用“應(yīng)力”下料，即將開盤、調(diào)直后的鋼絲或鋼絞線在一定張拉力狀態(tài)下號(hào)料，在拉應(yīng)力下鋼絲或鋼絞線可以拉直，消除一些非彈性因素對(duì)長度的影響；此外還要注意同一工程所有的索號(hào)料的張力保持一致。鋼絲或鋼絞線的切斷應(yīng)采用切割機(jī)或摩擦鋸片，不得采用電弧切割或氣切割。

2.5 索的安裝

各類鋼索在使用前都必須進(jìn)行預(yù)張力，以消除的非彈性形變，保持索在使用階段的彈性工作。索要經(jīng)過2～3次反復(fù)張拉后，工作性能才能比較穩(wěn)定。

索頭的安裝根據(jù)索頭種類的不同，其安裝方法也不一樣。索頭將索與索具直接連接起來，索頭設(shè)計(jì)和加工正確，索端頭的強(qiáng)度一般都能達(dá)到索的極限拉伸強(qiáng)度。索和索頭的耐腐蝕性較差，裸露在大氣作用下會(huì)產(chǎn)生銹蝕，索銹蝕以后，截面積減小，承載力降低，結(jié)構(gòu)的使用壽命縮短，因此，防銹對(duì)索膜結(jié)構(gòu)來說是至關(guān)重要的。

3 索膜結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

索膜結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中最新發(fā)展起來的一種形式，它以性能優(yōu)良的織物為材料，或是向膜內(nèi)充氣，由空氣壓力支撐膜面，或是利用柔性鋼索或剛性支撐結(jié)構(gòu)將面繃緊，形成具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結(jié)構(gòu)體系。膜結(jié)構(gòu)已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型中的一個(gè)主要方案，也成為化纖紡織品應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，在中國建筑結(jié)構(gòu)中也有長足的進(jìn)展。

現(xiàn)階段國內(nèi)有好多廠家都能生產(chǎn)有PVC涂層聚酯織物，但其性能尚未能完全達(dá)到建筑織物的要求，作為建筑用的永久性材料尚需進(jìn)一步提高。到目前為止，國內(nèi)外對(duì)索膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法與施工技術(shù)開展了相對(duì)系統(tǒng)的研究和工程實(shí)踐；我國也制定了《索膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》，但尚缺相應(yīng)的施工技術(shù)規(guī)范，尤其是在索膜結(jié)構(gòu)的安全使用與維護(hù)方面研究甚少，這是索膜結(jié)構(gòu)的一個(gè)缺憾。

據(jù)悉最近有些公司正在試制有PVDF面層的聚酯織物和PTFE玻璃纖維織物，外觀與性能都大有改進(jìn)。近一段時(shí)間來，國外媒體表現(xiàn)出了對(duì)中國建筑設(shè)計(jì)前所未有的關(guān)注。近年來的美國《商業(yè)周刊》評(píng)選出了中國十大新建筑奇跡，包括北京奧體主會(huì)場、國家游泳中心、北京首都國際機(jī)場、上海世界金融中心、國家大劇院、中央電視臺(tái)、上海崇明東灘生態(tài)城、當(dāng)代MOMA、長城腳下的公社、東海大橋（上海）。其中地處北京的建筑就有七家之多。“中國正逐步成為當(dāng)今最具有創(chuàng)意性建筑和工程設(shè)計(jì)的舞臺(tái)?！敝袊ㄖ聵I(yè)的發(fā)展，正在為今日最頂尖建筑及工藝技術(shù)創(chuàng)造一個(gè)舞臺(tái)。

4 結(jié)語

索膜結(jié)構(gòu)作為一種較新穎的大跨度空間結(jié)構(gòu)建筑形式，由于其所用材料及受力體系特殊性的特點(diǎn)，所以在施工中必須做到科學(xué)統(tǒng)籌，盡量做到設(shè)計(jì)、施工統(tǒng)一配合，建議索膜結(jié)構(gòu)專業(yè)施工單位應(yīng)定期安排設(shè)計(jì)人員到施工現(xiàn)場觀摩學(xué)習(xí)，以使設(shè)計(jì)與施工、理論與實(shí)踐完美結(jié)合，從而改進(jìn)施工質(zhì)量，提升以索膜結(jié)構(gòu)為代表的一系列空間結(jié)構(gòu)體系施工水平。

【參考文獻(xiàn)】

[1]蘇敬濤，徐小洋，段必海.馬鞍形預(yù)應(yīng)力索膜結(jié)構(gòu)施工技術(shù)[J].建筑施工，2015，37（10）：1195-1198.

[2]于德國，李光軍，艾永，等.盤錦體育中心體育場非對(duì)稱馬鞍形索膜結(jié)構(gòu)整體張拉施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2015，0（6）：88-91.

[3]吳培新.寧夏親水體育中心建筑設(shè)計(jì)淺析[J].低溫建筑技術(shù)，2014，36（9）：25-26.

[4]范學(xué)明，劉春艷，李康業(yè).深圳寶安體育場索桁屋架索力測(cè)量[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014（10）：253-256.

[5]李如地[1]，李華峰[2].某典型細(xì)長索膜結(jié)構(gòu)風(fēng)振效應(yīng)的數(shù)值模擬分析[J].空間結(jié)構(gòu)，2014（3）：36-41.

[6]李循銳，周煥林，王超.氣承式充氣膜結(jié)構(gòu)初始形態(tài)下索膜接觸分析[J].空間結(jié)構(gòu)，2014（3）：48-55.

[7]何棟梁.虛擬仿真技術(shù)在“索膜結(jié)構(gòu)”施工中的應(yīng)用研究[J].科技經(jīng)濟(jì)市場，2014，0（9）：7-8.

[8]蔣柏旺.索膜結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)風(fēng)作用下的耦合分[J].江西建材，2014（1）：3-4.

[責(zé)任編輯：王楠]