膜结构的发展及应用

膜结构的发展及应用

林刚

中国华西企业股份有限公司工程设计公司 四川 成都 610017

摘要：膜结构是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间结构形式，是21世纪最具代表性与充满前途的建筑形式，具有自重轻、抗震性能好、施工速度快等优点，被广泛应用于大型体育馆、展览馆等。基于此，本文介绍了膜结构常见类型，阐述了膜结构优势，最后探讨了膜结构的发展及应用，以供参考。

关键词：膜结构；优势；发展及应用

前言：膜结构是以多种高强度的复合织物膜材为屋顶，与支撑及张拉结构体系通过一定的方式连接产生预应力而形成一定刚度的空间结构承受外荷载作用的结构形式。最早应用于膜建筑结构物中材料是PVC工程膜材料，随着膜结构体系的不断发展促进了膜材的发展，在20世纪70年代研制出种永久性建筑膜材料，英文简称PTFE，此种膜材以玻璃纤维为基材，面层复合上四氟聚酯类材料。

1膜结构类型

1.1骨架式膜结构

骨架支承式膜结构主要由两部分组成，一部分是作为承重骨架的刚性构件，一部分是张拉在骨架上的膜材，膜材起到围护结构的作用，骨架可独立形成受力体系。

1.2张拉式膜结构

整体张拉式膜结构由钢索和膜组成整体，通过一定的方式给膜面施加一定的预张力形，使其具有一定的形状和刚度，膜结构的曲面单元与其支承体公共构成一个完整的结构受力体系。

1.3空气支承式膜结构

空气支承式膜结构依靠结构内部的压力保持膜材张力，内设充气装置保持内压，从而保证结构刚度。空气支承式膜结构可分为气承式、气肋式和气枕式。气承式膜结构通过气压控制系统向膜材内充气，保持膜材内外一定的气压差，从而使膜材产生预张力，以保证结构刚度。气肋式和气枕式膜结构是指如同气球一般，将膜材包裹成封闭构件，通过向膜内部充气使膜材产生张力。前者一般由管状膜构件组成，后者一般由枕式膜构件组成。

1.4索系支承式膜结构

索系支承式膜结构由索、杆和膜构成，其中空间索系及杆为主要承重结构，膜材布置于索系上，膜材与索杆共同受外荷载作用。

2膜结构优势

膜结构是一种柔性结构，要形成具有刚度的表面，还需和支撑系统组合，来承受一定的荷载。膜结构作为一种新型的的建筑结构形式，与传统的建筑结构形式相比，膜结构具有以下优势：

（1）自重轻、抗震性能好，可用于建造大跨度建筑；

（2）结构造型丰富多样，可以充分发挥建筑师的想象力；

（3）经济适用，膜材可作为装修材料，减少二次装修费用；

（4）建筑膜材表面的防护涂层使其具有良好的自洁功能；

（5）施工工期短，膜片的裁剪制作均在工厂完成，现场直接安装；

3膜结构应用材料

现阶段，我国膜材料建筑工程项目中，比较常用的材料具体涉及以下几种：聚四氟乙烯（PTFE）、聚氯乙烯（PVC）、加面层PVC（PVDF、PVF膜材）。

（1）聚四氟乙烯（PTFE）膜材

该膜材料商品名被人们称为特氟隆，在玻璃纤维布基上敷PTFE，树脂含量在90%之上，PTFE膜具有较强的耐久性、防污性以及防火性。相较于PVC膜材料，PTFE膜材料加工成本高，柔软性比较低，实际施工使用时，可使用专门的工具或者技术，以防玻璃纤维发生折断的情况。

（2）聚氯乙烯（PVC）膜材

以聚酯或者聚氨酯等物质为主要布基织物，以PVC树脂或者氯丁橡胶类物质作为涂层，通常情况下，另外设置PVF、PVDF面层。与PTFE膜材相比，PVC膜材成本较低，材质柔软性强，施工操作简便，但是其强度、防火性和耐用性不高。最近几年以来，我国针对PVC膜防污性和耐火性改善问题，研发了以氟素系树脂在PVC涂层材表面处理上做涂层。

（3）加面层PVC（PVDF、PVF膜材）

通过在PVC涂层上增加PVDF膜材，实现PVC膜材料自洁性的改善与优化。PVDF，即聚偏氟乙烯，此种膜材料具有紫外线降解抵抗能力，如抵抗腐蚀、发霉和脏污。该类型膜材料和普通的PVC膜相比，使用年限达7-10年，耐火性水平高达难燃级。

PVF膜材，基于PVC膜材料表面处理，将PVF树脂作为薄膜状薄片加工而成，相较于PVDF膜材料，具有良好的防油污和耐久性，但是，会因为施工性、加工性以及仿活性不理想，而受到约制。

4膜结构发展及应用

4.1国外发展及应用

膜结构的首次展示是在7970年日本大阪万国博览会。其中最具代表性的是蜗牛壳状富士馆和巨大而扁平的椭圆状美国馆。美国馆采取的是气承式空气膜结构，其跨度达140米的展览馆，被称为全球第一大跨度膜结构，首次采用了PVC涂层的玻璃纤维织物。1972年建成的慕尼黑奥林匹克体育场是德国慕尼黑夏季奥运会的主体育场，以颇具革命性的膜结构帐篷式屋顶结构闻名。它有着半透明帐篷形的棚顶，覆盖面积达85，000平方米，棚顶设计成圆锥形，由网索钢缆构成，每一个网格为75×75厘米，在网索屋顶上设置了浅灰棕色丙烯塑料玻璃，通过氟丁橡胶卡材料，于铝框当中卡设玻璃，以确保覆盖部分内柔和、充分的光线。1999年英国伦敦的“千年穹顶”，千年穹顶是英国政府为迎接

21世纪而兴建的标志性建筑。其造型非常的独特，且气魄宏伟，受到了人们的高度重视，大部分世人将其誉为20世纪90年代鸿篇巨作。

4.2国内发展及应用

膜结构在国内发展起步较晚，始于1996年前后，在这之前，仅有少许以织物材料制作的小品膜结构建，自那时起，采取特殊织物材料的膜结构建筑类型，引起了社会及建筑行业有关人士的广泛关注。在1996－1999年，短短三年时间先后建成了影响力较大的大型膜结构建筑，其中，上海八万人体育场、青岛颐中体育场以及杭州游泳馆具有一定的代表性。上海体育场设计过程中，外环以圆形为主，内环为椭圆形设计，总体结构呈现出波浪式马鞍形。对于观众席上方，主要采用的是马鞍形大悬挑钢管空间屋盖结构，并且上面覆盖了薄膜材料，颜色为乳白色，面积达3.6万平方米，主席台正上方单臂悬挑梁长度设计为73.5米，是典型的张拉式膜结构。青岛颐中体育场的结构支承体系由中心环索及60是个锥状模体组成脊骨式张拉整体式膜结构。平面呈椭圆形，短轴180m，长轴266m。整个膜面均采用的PVC膜材。张拉式膜结构是通过钢架、钢索等对膜面施加预张力使其具有一定刚度并抵抗外荷载的一种结构形式。由于其独特的外观，优良的性能和施工方便等特点在国内得到广泛地应用。2008建成的国家体育场外形结构由巨大的门式钢架组成，屋顶钢结构采用的是双层膜结构，在钢结构上弦建固定透明上层ETFE膜，在钢结构下弦及内环侧壁固定半透明下层PTFE声学吊顶。

作为2010年上海世博会主入口和主轴线的世博轴也是一个典型的膜结构，属于一项集商业、餐饮娱乐以及会展等多项服务为一体的大型商业综合体项目。世博轴中膜结构屋顶总长度约840m，最大跨度约97m，膜结构总面积达到64000m2，索单根最长110m，分为结构索和膜面索。上海世博轴的巨型索膜结构建筑安装是世界级的难题，但被建设者攻克了这个难题，成为了世博会一轴四馆五大永久建筑之一。

结束语：

综上所述，膜结构作为一种新型的建筑结构形式，现在在国内外的发展取得了爆发性的增长，以独特的优势跻身于建筑行业。同时也推动了膜材的发展，膜结构的材料、设计、制作、安装等产业链也已发展形成。目前，我国已有数百家膜结构专业生产企业，每年会建成大量的膜结构建筑。

参考文献：

[1]《拉索预应力网格结构的分析理论、施工控制与优化设计》东南大学出版社。

[2]《膜结构工程设计》中国建筑工业出版社。

[3]《CECS158-2004膜结构技术规程》中国计划出版社

[4]《空间网格结构》中国建筑工业出版社。

[5]张其林．膜结构在我国的应用回顾和未来发展［J］．建筑结构，2019，49（19）：55－64．

[6]齐嘉仁，唐靖子．膜结构的现状与展望［J］．建筑学报，2013（０６）：６２－６４．

[7]严子正，李国．膜结构的风损事故及防范［J］．建筑结构，2015，０３８（００７）：１１３－１１６．

[8]王勇．当代膜结构发展概述［J］．世界建筑，2014（０９）：１７－２０．

[9]王永赤．2016．膜结构工程事故分析［J］．特种结构，２３（１）：２６－２９．