建筑力学与结构论文

建筑力学与结构论文

探索空间膜结构

摘要：膜结构是建筑与结构完美结合的体系。本文通过对膜结构的概念、起源和发展及膜结构的特点、设计，浅谈对膜结构的理解认识。关键词：膜结构，起源，发展特点，设计

在建筑力学与结构这个课程中，了解到了包括砌体结构、排架结构、框架结构、简体结构、网壳网架结构、剪力墙结构、门式钢架结构、悬索结构、拱结构、折板结构、膜结构在内的多种结构的一些知识，加深了我对建筑构造的认识。由于对膜结构建筑情有独钟，故对此进行了更为深入的探索。

所谓膜结构，是依靠膜材自身的张拉力和特殊的几何形状构成的稳定的承力体系，即指有膜材及其支承构件组成的建筑物或构筑物。膜结构只能承受拉力而不能受压和弯曲，其曲面稳定性是依靠反向的曲率来保障的，因此需制作成凹凸的空间曲面，故习惯上又称为空间膜结构。

从某种意义上来说，帐篷、遮阳棚、伞都可以看做是膜结构的原型。帐篷作为最原始的建筑模型之一，曾活跃于各个历史阶段，但是其起源之悠久几乎无法推算，考古研究方法越高级就越是发现其原型可以追溯到更古老的时期。远古时期的帐篷用兽皮、树皮等建造而成，然后发展到有铁木和帆布制作成各种各样的形状，而现代膜结构则是直到第二次工业革命才开始蓬勃发展的。但是膜结构作为一种真正的现代功能结构，当推1970年在日本大阪万国博览会中所建造的一些空气膜结构，它们是世界上第一个大跨度的膜结构，标志着膜结构时代的开始，从此在世界范围内开展了对膜结构的开发、研究和应用，各种膜结构建筑如雨后春笋般出现在世界的各个角落。1972年，慕尼黑奥林匹克运动会场采用了帐篷式穹顶，为各国树立了典范。1988年，日本在东京后乐园棒球馆中采用了充气膜结构，其结构设计与以前的充气膜结构没有太大的区别，只是采用了双膜构造并应用了先进的自动控制技术。2000年，迪拜伯瓷酒店即帆船酒店作为一座具有里程碑

的建筑，证明了膜结构应用于垂直侧面结构的可能性。

膜结构在我国的应用历史可以追溯到20世纪60年代，上海展览馆采用的临时性的空气支撑式膜结构，但此后很长一段时间内都进展不大，仅在北京及上海曾进口两个跨度不大的气承式空气膜。1995年建成的北京房山游泳馆和鞍山农委游泳馆是我国第一次正式应用于工程的空气支膜结构，标志着我国内地开始启动了膜结构的工程建设。近年来，受国外建筑的影响及先进技术的引进，膜结构的应用呈现了活跃的趋势，以体育场为主，一批不同跨度、形式各异的膜结构已在全国各地建成。其中以南通体育场、佛山世纪莲体体育场、国家体育场“鸟巢”、国家游泳中心“水立方”为典型代表。南通体育馆是一座新型的膜结构建筑，其体育馆顶部可以开启或关上，在设计上具有新意。佛山世纪莲体体育场的索膜结构设计与施工是目前我国最大规模的张拉式索膜结构工程，其屋盖规模在世界上可跻身前三位。“鸟巢”和“水立方”自奥运会之后更是成为了我国的标志性建筑而为众人所知。

膜结构作为一种全新的建筑结构形式，集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学、计算计技术等为一体，具有很高的技术含量。膜结构自重轻、跨度大、施工工期短、便于工厂化生产、制作、安装简易、经济效益良好，而且具有较好的耐久性、耐火性、透光性与自洁性，因此是一种理想而富有生命力的结构形式，在20世纪中期发展起来，很快风靡世界。以下主要介绍膜结构五个明显的特点。

膜结构的艺术性。膜结构形状变幻多，支承方式布置灵活，既有造型独特的外观，又有梦幻般的内容空间，最大限度地发挥了膜结构的承载力，创造出无柱的灵活大空间。建筑造型活泼有优美，富有时代气息，打破了传统的纯直线的建筑形式，就有独特优美曲面造型，清晰体现结构力与美的结合，呈现给人们耳目一新的感受。其独特曲面外形具有强烈的雕塑感，体型较大的结构看上去像摆脱了重力的束缚般轻盈地飘浮于天地之间。无论室内还是室外这种雕塑般的质感都令人激动。这正是我对膜结构一见钟情的主要原因。膜结构艺术性的一个很典型的例子就是位于阿拉伯海一个小岛的帆船酒店，它的垂直

双层膜，不仅利于通风排气，而且作为酒店内灯光夜色帷幕，给人很强的视觉美感。

膜结构的环保节能性。膜结构建筑是一种生态建筑，是环保节能的理想建筑。在建设阶段，由于膜材的自重轻，所以支承系统包括基础的用量都大大节省；在使用阶段，膜材对光反射高吸收低，而且热传导性较低，这在极大程度上阻止了太阳能进入室内；膜材的半透明性保证了适当漫射光照明室内，进行自然采光，节约了运营中的能源消耗；膜结构建筑中的主要材料——膜材和钢材都能回收，循环利用。德国布兰德市的飞船工棚用膜结构来做工棚那部分的屋顶可以说是最好的结构，因为实际上这种屋顶的钢筋使用量每平方米大约只有150千克。

膜结构的力学性能好。膜结构的形状由张力平衡条件决定，符合自然的结构原理，是一种自然结构。膜材轻质高强，与高强钢索相结合，使受力体系简洁合理，大部分以轴力传递，使膜结构能跨越大空间而形成开阔的无梁无柱大跨度结构体系，给建筑设计师与规划师提供了更大的想象和创造空间。萨翁林纳城堡的扩大建造正是运用了膜结构力学性能好的特点，其屋顶是整片的膜，而在城堡外面几乎看不到膜顶，膜顶是由五个脊索支承的，每个脊索都有两个高点，这样就形成了很多不均匀的“皱纹”，从而有助于在音乐厅内产生理想的音响效果。

膜结构的防火抗震性能好。膜结构建筑具有耐热性、耐气候性、阻燃性、防火等特性，故能很好地满足防火的要求。膜结构自重轻，且为柔性结构，具有较大的变形能力，故抗震性能好。此外，在发生灾害时，采用了膜结构的多功能设施及体育馆，其无柱而明亮的大空间，可以用来作为临时的避难场所、急救中心、抗灾指挥部等。因此，在危急之时，膜结构建筑可以保护人们的安全。

膜结构的经济性优良。膜结构的膜材、钢构支承系统均可在工厂内制作，运输到现场安装，缩短了施工周期；由于自重轻，膜材每平方米重量仅1千克左右，加上采用了钢索、钢结构等高强度的材料，大大减轻了膜结构建筑屋面重量，从而降低了墙体和基础的造价；

由于膜材具有一定的透光性，白天可减少照明强度和时间，能很好地节约能源，同时夜间彩灯透射形成的绚烂景观也能达到很好的广告宣传效益。膜建筑奇特的造型和夜景效果有明显的“建筑可识性”和商业效应，其价格效益比更高。

不可否认的是尽管膜结构具有这么多的优点，但在实际应用中也有其固有的缺陷。首先是耐久性差，使用年限短，一般为10-25年，间于临时性建筑与永久性建筑之间，比传统的混凝土或钢材的使用年限短。其次是热工性能较差，在游泳池、植物园等湿度较大的建筑中必须采取防结露措施；在寒冷地区，则需进行必要的保温设计。最后一个明显的缺点就是由于薄膜张力的连续性，局部的破坏就会造成整个薄膜结构的垮掉。

最后一点要谈及的就是膜结构建筑的设计。膜结构包括一个仅承受拉力的织物面层和一个支承体系，2其具体是由膜面、边索和脊索、谷索、支承结构、锚固系统，以及各部分之间的连接节点等组成的。膜结构的所有构件都是完全可见的，它是一种独特的结构，在设计时要仔细权衡，任何构件的设计都不能随意修改，因为修改任一件都将影响整个结构的几何形状以及预应力的平衡。膜结构的设计核心在于控制结构的边界条件以及支承结构的几何形状，从而找到满足设计要求的最佳膜面形态。因此，膜结构的选型主要包括膜面形状的确定和膜结构支承体系的选择。

膜面是指经过张拉并安装就位于支承结构上的膜材。为了保证膜结构的稳定性和刚度，膜面必须是具有一定曲率的双曲面。膜面的双曲面可以是负高斯曲率的，如预应力张拉膜结构；也可以是正高斯曲率的，如充气式结构。

膜结构的支承体系可以设计成刚性的，也可以设计成柔性的；即可以是曲线的，也可以是直线的。但支承体系必须足够坚实以承担预应力以及外荷载作用下产生的膜面力，必须在各个阶段均能与膜面张力相平衡。支承体系可分为：柔性支承结构体系、刚性支承结构体系及混合支承结构体系。

设计膜结构建筑时应注意以下几个方面。一是防火设计，由于膜