气肋式膜结构及其应用

钢结构(中英文), 39(2), 20-29(2024)) DOI: 10.3724/j.gjgS23072902 ISSN 2096-6865 CN10-1609/TF
20
气肋式膜结构及其应用
王宁睿 张 福 吴明儿
(同济大学土木工程学院，上海 200092)
摘 要 气肋式膜结构是一种采用高压气肋作为支承体系的充气膜结构，通过将多根气肋连接成整体的方式创造出使用空间，具有轻质便携、可快速运输、低耗能、安全可靠等优点。

为满足跨度大、承载性能强的要求，国内外学者对此进行了充分的研究，气肋式膜结构得到了广泛的应用和发展，成为国内外众多城市的象征性建筑。

为此，首先对气肋式膜结构的结构形式进行了综述，概述了气肋内压的作用和设计要求，简述了工程应用中的设计内压，概括了使用性能监测手段和失效性能研究方法。

随后对气肋式膜结构工程应用案例进行了归纳，此种结构形式已广泛应用于展览馆、运动场所、实验室、充气机库、存储仓库等实际工程项目中。

在大跨度气肋式膜结构建筑中，索笼绑带型气肋式膜结构提供了一种有效的方法来连接多根气肋使其形成整体。

绑带式连接可以通过增加绑带布置提高单根气肋的承载能力以及气肋之间的协同工作能力，着重介绍了索笼绑带型气肋式膜结构的结构特点和BUILDAIR 公司采用索笼绑带型气肋式膜结构建设的大型飞机机库工程应用。

最后对索笼绑带型气肋式膜结构工程应用中的气肋直径与结构跨度的关系进行了统计分析，结果表明，在大部分索笼绑带型气肋式膜结构工程案例中气肋直径与结构跨度的比值约为1/10，但具体气肋直径的选取，还需根据实际的工程条件通过设计分析后确定。

关键词 气肋；充气结构；膜结构；索笼绑带型；工程应用
0 引 言
随着我国经济的发展，环境问题日益突出，充气膜结构作为低碳、环保的绿色结构形式，可以满足“零”排放、“零”污染的环保政策要求，具有造价成本低、重量轻、制作过程快、安装要求简单、在多种场地均可自由架设、可重复拆收使用等优点，还可以实现传统结构无法形成的曲线与柔性姿态。

最早建成的现代充气膜结构是由Bird [1]于1946年建造的直径为15 m 、矢高为18.3 m 的多普勒雷达穹顶(Doppler Radome)，该结构可以有效地保护雷达，且不干扰雷达接受和发送信号。

充气膜结构可以分为气承式膜结构、气肋式膜结构、气枕式膜结构和气囊式膜结构[2]，其中大型气肋式膜结构是通过向单个管状膜结构内充气，使其保持设定的内压，再将多个管状膜结构组合形成一个整体结构体系。

此种结构形式可以满足跨度大且无柱的使用需求，并且具有移动方便、进出不受限制等优势，适用于建造大型展馆、运动场馆、实验室、充气机库、紧急救援设施等[3–4]。

国内外学者通过大量理论分析、数值模拟和试验测试对气肋式膜结构的结构特性和结构设计方法进行了研究，实现了建筑造型与结构设计的完美结合，并可以将此种结构形式应用于极端气候条件下和恶劣地质环境条件下的建筑设计。

为了进一步扩大结构的跨度和提高结构的承载性能，Buildair 公司提出并研发了增加绑带布置从而形
成索笼绑带型的气肋式膜结构[5]，绑带式连接可以大幅提高单根气肋的承载能力和结构整体性，并且提升气肋之间的协同工作能力。

近几年国内建成的工程项目很多为充气膜结构，但绝大部分为气承式膜结构以及ETFE 气枕式膜结构，大型气肋式膜结构工程应用还不多。

首先介绍气肋式膜结构的结构形式，简述结构使用性能的监测方法和其损伤失效性状，进而总结目前建造完成的部分气肋式膜结构应用实例，浅析索笼绑带型气肋式膜结构的特点和工程案例，最后通过现有的工程结构探究了气肋直径与跨度的关系。

1 气肋式膜结构概述
1.1 结构形式
气肋式膜结构一般使用聚酯纤维基布的P 类膜材，其材料价格低、柔韧性好、具有较高的强度，膜面本身形成封闭曲面，外形通常为管状，加压气体作用于膜面且可形成自平衡体系。

气肋式膜结构的结构形式为采用由气压支撑的充气圆管构成拱[6](图1)、柱和梁[2]，单根气肋可以构
第一作者：王宁睿，硕士研究生，。

通信作者：吴明儿，博士，教授，主要从事索膜结构及可展结构等轻型柔性结构的研究，。

收稿日期：2023–07–29
气肋式膜结构及其应用
21
成空间充气展开结构的充气梁、充气环(图2)[7]和可快速架设的充气桥梁[8]等。

利用膜材之间的焊接、绑带连接和气梁连接等形式，可以将多根气肋连接起来形成整体结构，例如将气肋连续无缝隙拼接可以构成多管式充气机翼(图3)[9]和大型建筑结构(图4)，在气肋之间设置连接气梁可形成框架式气肋式膜结构(图5)[10]。

图1 拱形气肋[6]
Fig. 1
Arch air-inflated rib
图2 充气展开天线[7]
Fig. 2
Inflatable deployable antenna
图3 多管式充气机翼[9]
Fig. 3
Multi-tubular inflatable wing
图4 建筑类气肋式膜结构[7]
Fig. 4
Architectural air-inflated rib membrane structure
图5 框架式气肋式膜结构[10]
Fig. 5 Framed air-inflated rib membrane structure
与气承式膜结构相比，气肋式膜结构的室内空间无需密闭，人员可以自由进出，并且便于移动，但由于气肋截面的尺寸有限，其承载能力较小。

1.2 内压设计
内压是充气膜结构形成刚度、维持稳定的核心因素，合适的内压荷载可有效调整结构形态、避免膜面褶皱失效和结构大变形等情况的发生。

气肋式膜结构的内压一般较高，可达5~20 kPa ，内压设计时应考虑以下四种状态：1)设计最大内压；2)最大工作内压；3)最小工作内压；
4)正常工作内压[2]。

周子龙等[11]研究了不同直径的气肋在不同内压、自重、风荷载及雪荷载作用下的应力与变形情况，提出对于气肋直径与结构跨度的比值为1/10的气肋式膜结构，建议内压为7 kPa ，且风荷载为确定气肋内压的决定性因素。

提高气肋内压可显著提高气肋式膜结构的抗弯刚度和承载能力，使气肋在荷载较大时才会出现褶皱现象[12]，但内压增加至一定范围内，增加内压对结构的抗侧向变形能力增强不大，反而会增大气肋的长期荷载，不利于结构安全[11]。

具体气肋内压的选取，还需根据实际的工程条件和要求通过设计计算后确定。

正常工作状态下，结构只需要较低的内压；当遭遇大风、大雪等极端气候条件时，需根据情况调节内压以维持结构稳定。

在气肋式膜结构工程应用中，川口卫[13]设计的日本富士馆(气肋直径为4 m ，圆形底座外径为50 m)通过空气式调节装置来调整拱形气肋内压，使气肋的内部压力一直保持在1.08倍大气压。

而当风速超过30 m/s 时，气压
则上升到1.25倍大气压。

由于结构的供气装置可以提供比结构所需供气量多几倍的供气能力，为防止由于异常加压造成的气肋爆炸，设计了如图6所示的安全装置来实现超压时自动泄气，以确保内部压力不超过内压上限。

BUILDAIR 公司建造的Hangar H75 Jeddah 充气机库(气肋直径为7.5 m ，结构净宽为75 m)，在其使用期间，气肋内压为1 500 Pa 。

出于安全考虑，在峰值风荷载作用下，气肋内压调整为2 500 Pa [14]。

1.3 使用性能监测
气肋式膜结构依靠充气内压成形并抵抗外部荷载作
用，属于柔性结构，使用过程中容易出现膜面褶皱、结构大变形等情况，因此使用期间对其安全性和可靠性进行监测至关重要。

王宁睿, 等/钢结构(中英文), 39(2), 20-29, 2024
22
图6 防高气压的安全装置[13] mm Fig. 6 High-pressure safety device
气肋式膜结构使用过程中需要监测的对象有以下6类。

1)内部压力监测与控制：监测气肋内部压力变化，可以使用气压表、压差计和气压控制柜等进行监测和控制[15–16]。

2)温度监测：温度对膜材性能、气肋式膜结构的内压和形状变化有影响，可以使用温度传感器对气肋的温度进行监测。

3)风速监测：风荷载是影响气肋结构稳定性的关键因素，可以使用风速仪和风向仪来监测风速、风向，以评估结构的风荷载。

4)应变监测：在结构关键部位安装应变片或应变计等。

5)位移监测：气肋式膜结构的膜材较柔，采用接触式测量方法会带来较大的测量误差。

采用激光位移计、摄影测量等非接触式的测量方法可以得到气肋式膜结构在充气、泄气和荷载作用过程中各部分的变形，并且可以实现动态测量[12]。

6)结构整体形状监测：可以使用无人机或3D 扫描仪等设备对气肋式膜结构的整体形状进行视觉监测，观察结构的形状、变形和损坏情况。

1.4 泄气倒塌及刺破失效 1.4.1 泄气倒塌
气肋式膜结构因某种原因泄气导致内压下降，结构会在一定时间内出现倒塌。

李庆松[17]通过试验得到内压为4 kPa 的单根气肋式膜结构的倒塌过程：结构泄压开始后，气肋局部膜材出现褶皱，气压快速下降；气肋根部褶皱发育形成塑性铰，呈现平面外倒塌趋势；结构失去足够的约束变为可变机构，结构倒塌(图7)。

李庆松[17]还对内压为2.25 kPa 的气肋框架进行了泄气倒塌试验研究。

泄气过程为：气肋框架两侧表面膜材出现了明显的褶皱，气肋框架向右倾倒(图8(a)~(c))；气肋框架结构顶部出现了明显的褶皱(图8(d))；继续泄气后气肋框架跨中及右侧相继形成了近似塑性铰(图8(e))；气肋框架完全倒塌(图8(f))。

图7 气肋式膜结构自由泄气倒塌过程[17]
Fig. 7 Deflation and collapse behavior of the air-inflated rib membrane
structure
图8 气肋框架泄气倒塌过程[17] Fig. 8 Deflation behavior of arch frame
1.4.2 刺破损伤失效
气肋式膜结构设计内压最大可达数万帕，远高于气承式膜结构，高压气肋膜面遭遇突然刺破时可能发生瞬间撕裂甚至爆炸。

川口卫[13]对大阪世博会富士馆气肋结构进行了竹枪刺破试验(图9)。

试验体为与建筑实物具有相同材料、相同直径、长度为12 m 的“香肠状”模型，在气肋内压为24.52 kPa 的恒定状态下，使装有锋利刀尖的竹枪从试验体上方5 m 高差的位置处落下并进行刺破。

试验结果表明，虽然膜面上出现了刀具的通孔，但是切口并没有出现扩展现象，试验体没有出现爆炸。

图9 竹枪刺破试验[13]
Fig. 9 Bamboo spear puncture test
为了进一步研究气肋内压及刀具宽度对气肋发生破坏性状的影响，王宁睿[12]进行了多种气肋内压及刀具宽度的垂直下落式气肋刺破试验。

气肋试验体长度为5.5 m ，直径为1 m ，试验气肋内压为20 kPa 和30 kPa ，刀具分
气肋式膜结构及其应用
23
别采用10，100，200，300 mm 四种宽度。

当用300 mm 宽刀具刺入内压30 kPa 气肋时，裂缝瞬间扩展，结构瞬时垮塌失效，并产生超过100 dB(A)的噪声(图10)。

图10 300 mm 宽刀具刺入内压30 kPa 气肋后的整体变形[12]
Fig. 10 Deformation after a 300 mm wide blade is inserted into the air-rib
with internal pressure of 30 kPa
2 气肋式膜结构工程应用 2.1 展览场馆
表1为气肋式膜结构在展览场馆中的应用。

川口卫[13]于1970年在日本大阪设计了日本富士馆，其圆形底座外径为50 m ，结构高度为20 m ，采用水平绑带将16根直径为4 m 、长度为72 m 的拱形气肋连接起来。

气肋的材料为采用双层维纶织物(单轴断裂强度为2 000 N/cm)，用氯丁胶黏剂粘合而成，并采用聚氯乙烯涂层保证气密性[23]，膜材料的厚度为4 mm ，质量为5 kg/m 2。

2013年，Mossine Partners [18]计了充满未来主义感的临时销售办公室，其位于俄罗斯莫斯科地区。

该建筑结构内部分为三个区域：最大的中央“气泡”区域是一个1∶1公寓模型的展览区；一个较小的“气泡”是经理的销售区域；另一个较小的“气泡”是休闲区，里面有咖啡厅和儿童游戏室。

2014年，乌克兰公司holstroy [19]建造了一个彩色的
临时售楼处。

2016年，加拿大建造了名为Ontario’s
Celebration Zone Pavilion [20]的临时会馆，该结构采用气枕将一系列气肋拱连接起来，使得气肋拱之间的剪切应力实现纵向传递。

表1 展览场所
Table 1 Exhibition Venues
建筑名称及规模
图片
建筑名称及规模
图片
大阪世界博览会富士馆[13]
(结构高度为20 m)
临时销售办公室[18]
临时售楼处[19] (覆盖面积为1 000 m 2)
Ontario’s Celebration Zone Pavilion [20]
(长度约为60 m ，高度约为15 m)
“冰雪讲堂”大跨度冰壳[21]
(高度为5 m)
苏州蓝天泡[22]
2017年，哈尔滨工业大学[21]设计并建造完成了国内首个气肋式冰壳结构——“冰雪讲堂”结构。

其由10个拱形气肋组成，跨度由入口向内部逐渐变大，跨高比由5/4变至3。

施工过程中以气肋作为模板，将复合冰材料喷射至模板上，待冰壳厚度达到设计要求后拆除气肋模板。

为解决传统锚固方式导致结构整体上翘的问题，设计人员利用冰砖砌筑基础槽的形式为气肋施加水平约束(图11)。

2020年，众造建筑公司[22]设计了造型新颖的苏州“蓝天泡”展览装置，其灵活解决了缺乏庇护场
所、休息空间等问题，为游客提供屋顶或露台上的聚会场所的同时，也彰显了我国在“蓝天保卫战”中取得的卓越成果。

2.2 运动场馆
气肋式膜结构便于移动和拆卸，对建设场地要求不高，可以采用该种结构形式在各类土地条件上建造运动场所，也可以灵活地将其应用于社区内闲置场地，更方便快捷地让社区有更多的体育活动空间。

表2为气肋式膜结构在运动场馆的应用。

王宁睿, 等/钢结构(中英文), 39(2), 20-29, 2024
24
图11 “冰雪讲堂”基础施工方式[21]
Fig. 11 Construction method for the “Ice and Snow Lecture Hall” foundation
乌克兰holstroy 公司具有丰富的建造充气膜结构建筑的业绩，可以根据不同的运动需求定制结构。

该公司[24]采用轻质的气肋式膜结构形式在购物中心的平坦屋顶上建造了一个功能齐全的健身房，提供拳击、瑜伽、乒乓球和排球场地。

2016年，holstroy 公司[25]建造了建筑面积为740 m 2的足球俱乐部，为体育运动提供足够的空间和良好的通风条件，为运动员提供舒适的运动环境。

2017
年，holstroy 公司[26]利用气肋式膜结构建造了游泳馆，在冬季，通过搭建拱形气肋建筑可以使室内保持环境温暖，在夏季，该结构还可以被拆除。

表2 运动场所
Table 2 Sports Venues
建筑名称及规模
图片
建筑名称及规模
图片
屋顶健身房[24] (面积为1 300 m 2)
足球俱乐部[25] (跨度为23 m ， 长度为40 m ，高度为11 m)
游泳馆[26] (跨度为20.5 m ， 长度为
32.5 m)
武汉充气体育馆[27] (跨度为18 m
， 长度为
60 m)
框架式气肋结构具有较高的刚度和气密性，艾尔兄弟公司[27]应用此种结构形式建造了武汉充气体育馆，并配置了多台智能压力监测及充气装置，可以根据内压高低自动补气和停止充气，充气周期为7~10 d ，满足了低
能耗需求。

2.3 其他应用领域
表
3为气肋式膜结构在停车场、实验室、机库、仓储设施、桥梁等领域的应用。

表3 气肋式膜结构的其他应用领域
Table 3 Other Applications of air-inflated rib membrane structures
建筑名称及规模
图片
建筑名称及规模
图片
蒙特勒停车场[28–29] (最大跨度为28 m)
希思罗机场的国家快车站
屋顶[30] (跨度为45 m)
中德野战医院手术室充气
帐篷[31]
充气机库Hangar H20
Santiago [32] (净宽为20 m ， 净长为45 m ，净高为10 m)
气肋式膜结构及其应用
25
续表3
建筑名称及规模
图片
建筑名称及规模
图片
充气机库Hangar H45
Budapest [33] (净宽为45 m ， 净长为62 m ，净高为18 m)
北京航空航天大学某工程
实验室[34]
(柱面气肋部分跨度为30 m ，长度为38 m ，
高度为22 m)
病毒检测实验室[35] (跨度约为5.2 m ， 长度约为14.5 m)
储藏室[36]
(覆盖面积为4 000 m 2)
高耸气肋膜重要物项
围护结构[37]
(结构净跨约为11 m ， 高度约为10 m)
圣凯瑟琳街建筑工地 充气围护结构[38]
瑞士学者Luchsinger [39]提出了由充气管、
柔性拉索、刚性受压构件组成的Tensairity 梁结构，此种结构形式使其在受力时实现了拉压分离，从而提高结构的刚度和整体稳定性。

世界上第一座Tensairity 梁结构建筑物——蒙特勒停车场[28–29]于2004年在瑞士建造完成，设计人员采用12根平行排列的Tensairity 梁构成其屋顶。

为了更好地抵抗风荷载，将Tensairity 梁的下弦也做成了能够承受压力的刚性构件。

2006年，世界上第一个永久性气肋式膜结构屋顶[30]
在希思罗机场建造完成，其可以预制，并快速安装。

该屋顶结构非常轻，只需在浅层地基上安装较小的支撑结构，从而可以解决由于场地下方是地铁站而没有地方可以设置传统地基结构的问题。

为防止气肋拱被刺穿后结构失效，设计人员将屋顶划分为几个单元，每个单元由几个连接在一起的拱形气肋组成，当一根气肋被刺破时可增加其相邻气肋的内压，使其被相邻两边的气肋支撑起来。

2008年汶川发生了特大地震，德国红十字会[31]为汶川建造了采用多根纵向小气管将五榀气肋拱连接而成的野战医院。

此种充气帐篷可以在山地、沙漠等各种不良地形环境上建造完成，具有便于运输、安装方便、隔热、防雨等优点，并且可以实现正压环境，满足手术室需求。

BUILDAIR 公司[32]于2008年在两个月内建造完成了充气机库Hangar H20 Santiago ，并将整体结构安装在轮式基础结构上，允许整个充气机库在几分钟内移动。

为了增加跨度和结构稳定性，采用加强带形成索笼绑带型气肋式膜结构建造了充气机库Hangar H45 Budapest [33]，各根气肋间所采用的绑带式连接形式使其能够承受较大
的风荷载，结构设计风速为120 km/h 。

2013年，上海交通大学和北京中天久业膜建筑技术有限公司[34]设计建造的北京航空航天大学某工程实验室为气承与气肋组合式充气膜结构。

该结构体系可以满足使用空间和大门尺寸的要求，并可显著节省工程成本和运输费用。

主体采用半椭球体和圆柱形壳体相贯的气承式膜结构，当大门开启时，气承式膜结构将会失去承载能力，因此设置气肋式膜结构作为开门时的支承体系。

2020年，利用气肋式膜结构在极短的时间内快速建成了大量气膜方舱实验室、核酸采样亭、病毒检测实验室等，其中病毒检测实验室[35]需采用机械通风系统，根据生物安全的要求，可将部分核心区设置为压差不高于–10 Pa 的负压。

在大型工程项目施工前，很多辅助设备如钢结构模块、大宗物项等需要临时存放在施工现场。

为满足易建造、方便安装拆卸、可快速施工、保证存放空间与室内作业空间及仓储设备安全等要求，乌克兰holstroy 公司[36]于2015年建造了一个面积4 000 m 2的储藏室。

法尔福空间结构公司[37]于2022年研制了高耸气肋膜重要物项围护结构，该结构可以有效抵抗11级以上的台风，并在核电、工业存储等领域拥有广阔的应用前景。

KANVA 公司[38]为正在进行地下结构施工的圣凯瑟琳街建筑工地建造了由一系列模块化悬链线充气拱构成的围护结构，其可以锚定在混凝土建筑围栏上，与建筑工地融为一体。

该建筑结构可以减轻建筑工地对街道的负面影响，最大限度地减少施工对城市日常运营的干扰。

王宁睿, 等/钢结构(中英文), 39(2), 20-29, 2024
26
3 索笼绑带型气肋式膜结构
气肋式膜结构通常将多根气肋组合形成整体结构。

采用膜片焊接的方式进行连接组合的工艺简单，但一般适用于跨度较小的结构。

BUILDAIR 公司在建设大型飞机机库中采用了类似于富士馆的绑带连接形式，建成的气肋式膜结构跨度达到75 m 。

绑带式连接的各类索带限制了气肋的充气膨胀，提高了单根气肋的承载能力，保证了多根独立气肋的相互作用，增强了气肋间的协同工作作用。

本节详细介绍BUILDAIR 公司索笼绑带型气肋膜结构的工程应用。

3.1 结构形式
索笼绑带型气肋式膜结构采用脊带、肋带、箍带、竖向带和交叉带连接各根气肋，使各类索带形成封闭索笼，如图12所示。

脊带布置在气肋翼缘，肋带布置在相邻气肋间的接触面，箍带和竖向带使各根气肋紧密连接在一起，交叉带可分别与竖向带和肋带形成三维三角网格形状，从而提高了整体结构的抗侧能力。

图12 索笼绑带型气肋式膜结构形式示意
Fig. 12 Schematic diagram of strip-cage type air-inflated rib membrane
structure
3.2 索带的作用
通常提高气肋内压、增大气肋直径可以减少结构变形，提高承载力，但高内压和大直径会导致膜面应力增大。

应用各类索带可以有效降低膜面应力，限制气肋的变形，使得结构刚度增大，提高结构的整体稳定性。

同时，索带相互连接形成网格，使膜面上的力通过索带以轴向力的形式传递到基础锚固点[5]。

各类索带的作用如下：
1)脊带和肋带共同限制气肋的外扩趋势，设置脊带
可以显著降低膜面的最大应力，但对结构抗侧刚度贡献较小；肋带对结构抗侧刚度贡献较大，对降低膜面最大应力有一定作用。

2)箍带可有效降低膜面最大应力，减小结构位移，且箍带数量越多，效果越显著。

多根箍带共同受力可以减少单根箍带的索力。

3)箍带和竖向带形成闭环，限制了气肋的环向变形，也使得相邻气肋紧密接触，保证了体系的空间协同作用。

4)交叉带分担了肋带和竖向带的承载，显著提高了结构的抗侧能力，缺少交叉带会使得气肋结构的位移明显增大。

3.3 工程案例
作为充气机库的重要企业，BUILDAIR [40]是在加泰罗尼亚理工大学土木工程学院和国际工程数值方法中心的一组教授和研究人员的倡议下于2001年创建的，主要为航空和工业领域设计、制造、安装和维护大型充气结构。

BUILDAIR 的索笼绑带型气肋式膜结构建造安装时通常被钉入软土地基内或者直接固定在可移动的混凝土块上，减小了对现有地面的影响。

该结构形式可满足飞机自由进出、机库自由移动的要求。

BUILDAIR 公司利用索笼绑带型气肋式膜结构建造完成了一系列充气机库和存储仓库，其净宽范围在20~ 75 m 之间，净长范围在30~110 m 之间，净高范围在10~ 26 m 之间，且具有优秀的便携性，每个模块收纳后可以被装入一个20 ft(1 ft=30.48 cm)的海运集装箱。

当结构净
宽小于25 m 时，项目工期在2个月左右；当结构净宽小于45 m 时，项目工期在3个月左右；对于净宽要求更大的结构，其项目工期为6个月。

Hangar H54 Getafe [41]充气机库(图13)于2013年6月建造完成，工期为6个月。

其净宽为54 m ，净长为110 m ，净高为23 m ，管径约为5 m ，实用面积为6 000 m²，允许容纳2架大型飞机(如空客A310、空客A400M 、波音707等)。

从电脑或智能手机可以实时访问压力、风速、电机功率、能源消耗等相关参数。

结构设计时，使用脊带加强每根气肋的刚度，从而显著降低了膜面应力，使用肋带、箍带、竖向带和交叉带连接多根气肋，如图14所示，从而实现了跨度大、承载性能高的目标。

机库前门采用可移动的充气圆柱组合而成。

图13 Hangar H54 Getafe 充气机库[41]
Fig. 13 Hangar H54 Getafe
图14 Hangar H54 Getafe 索带构造[41]
Fig. 14 The strip connection of Hangar H54 Getafe
气肋式膜结构及其应用
27
Hangar H75 Jeddah [42]充气机库(图15)于2019年6月在沙特阿拉伯建造完成，工期为6个月，是当今世界上最大的充气机库，保证使用寿命为7年。

该结构由13根气肋组成，其净宽为75 m ，净长为80 m ，净高为26 m ，管径为7.5 m ，实用面积为6 000 m²，需用13台鼓风机填充主体结构6.8万m 3空气，内部压力控制在15~25 mBars(1.5~2.5 kPa)。

当地平均风速达到83 km/h ，最大振风风速达到152 km/h ，温度达到60℃，利用索笼绑带型气肋式膜结构可以实现抵御出现在沙特阿拉伯王国吉达的恶劣环境条件，包括沙尘暴、紫外线等。

为满足飞机的进出时间不超过30 min 、前门在开闭操作过程中最大风速允许量等要求，充气机库的前门由24根直径为2.5 m 的充气圆柱组成，每4根为一组，共6组，采用6辆货车拉动从而实现前门的启闭操作。

充气机库的后门是不可移动的，其由12根直径为4 m 的充气圆柱组成，并由固定在地面上的垂直钢柱加固。

图15 Hangar H75 Jeddah 充气机库
[42]
Fig. 15 Hangar H75 Jeddah
当气肋式膜结构跨度增大时，需增大气肋直径以满足对结构变形、稳定性以及承载力的要求。

对BUILDAIR 已建的实际工程案例进行分析，得到各工程案例的气肋直径与结构跨度的关系如图16所示。

可知，在大部分工程案例中，气肋直径与结构跨度的比值约为1/10。

在恶劣环境条件下气肋直径与结构跨度的比值略大，例如位于沙特阿拉伯吉达地区时，由于该地区为热带沙漠气候，全年大部分时间气候炎热、潮湿、风速较大，故建设于该地区的充气机库的气肋直径与结构跨度的比值接近1/5。

具体气肋直径的选取，还需通过设计计算后确定。

图16 气肋直径与结构跨度
Table 16 Relation between diameter of air-rib and span of structure
4 结 论
气肋式膜结构具有重量轻、建设容易、便于移动、使用空间无需密闭等特点，已广泛应用于展览馆、运动场所、实验室、充气机库、存储仓库等。

在气肋内压的作用下，气肋表面可以产生较大的初始应力，使气肋具有初始抗弯刚度，从而具备承受荷载的能力。

在实际工程应用中，气肋内压的选取需根据实际的工程条件通过设计分析后确定.
为避免在自然和人为因素作用下气肋式膜结构出现安全性问题，使用过程中应对内压、位移等进行动态监测。

气肋内压达数千至数万帕，膜面局部破损可导致气肋坍塌，设计上应考虑场内人员和物品安全。

索笼绑带型气肋式膜结构中各类索带形成的网格可以限制气肋变形、降低膜面应力，有效地将荷载传递到锚固点，提高了抗侧刚度和整体稳定性，增强了气肋间的协同工作作用，工程应用中结构跨度已达到75 m 。

统计已建的索笼绑带型气肋式膜结构可知，气肋直径与结构跨度的比值大部分约为1/10，在恶劣环境条件下，该比值提高至约1/5。

参 考 文 献
[ 1 ] 陈务军. 膜结构工程设计[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2005. [ 2 ] 薛素铎. 充气膜结构设计与施工技术指南[M]. 北京: 中国建筑工
业出版社, 2019.
[ 3 ] 孙茹洁, 张天娇. 轻型易变结构: 膜结构[J]. 中外建筑, 2013,
143(3): 90–92.
[ 4 ] 蓝天. 当代膜结构发展概述[J]. 世界建筑, 2000(9): 17–20. [ 5 ] Buildair. Inflatable structures [EB/OL]. [2019-04-05] https://buildair.
com/inflatable-structure/.
[ 6 ] 冯远红, 杨风雷, 闫文魁, 等. 拱形气肋承载力分析与试验[J]. 建
筑结构, 2009, 39(增刊2): 398–400.
[ 7 ] 杜振勇. 充气梁弯皱特性研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2012. [ 8 ] 张立乾, 冯中华, 闫晶, 等. 一种快速架设的充气桥梁结构研究[J].
建筑结构, 2022, 52(增刊2): 1662–1667.
[ 9 ] 吕强, 叶正寅, 李栋. 充气结构机翼的设计和试验研究[J]. 飞行
力学, 2007, 98(4): 77–80, 85.
[ 10 ] 颜卫亨, 胡云龙, 张茂功, 等. 气肋式充气拱结构的应用[C]//天津
大学, 上海交通大学. 第十届全国现代结构工程学术研讨会论文集. 上海: 2010.
[ 11 ] 周子龙, 严帅, 陈龙龙, 等. 大跨气肋与拉片式多气室拱形充气
膜结构分析研究[C]//天津大学, 天津市钢结构学会. 第二十三届全国现代结构工程学术研讨会论文集. 兰州: 2023: 21–29. [ 12 ] 王宁睿. 气肋式充气膜结构褶皱及损伤失效性能研究[D]. 上海:
同济大学, 2023.
[ 13 ] 川口卫. 構造と感性 構造デザインの原理と手法[M]. 東京: 鹿
島出版会, 2015.
[ 14 ] Gonzalez J, Marcipar J, Estruch C, et al. Structural analysis and design
of a large inflatable hangar for aircrafts[J]. Structural Engineering
International, 2022, 33: 3473–3477.
[ 15 ] 叶云凌. 海上浮式充气膜结构承载性能研究[D]. 武汉: 武汉理工
大学, 2019.。