同济大学土木案例分析作业膜结构

膜结构的发展历史与结构形式

——土木工程案例分析课程论文

课程名称土木工程案例分析

报告名称膜结构的发展历史与结构形式

指导教师

姓名薛高

学号*******

膜结构的历史发展及结构形式

前言

膜结构也即织物结构, 是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间结构形式。最早的膜结构雏形可追溯到公元前若干世纪的帐篷结构。现代意义上的膜结构工程最早出现于20世纪50年代, 是集建筑、结构、材料和计算机等科学为一体的高科技工程。近几十年来, 由于薄膜材料特殊的优越性能及建筑技术水平的不断提高, 膜结构在世界范围内的发展空前繁荣。

1 膜结构及其发展历史

1.1膜结构的定义及应用现状

膜结构(Membrane)是以性能优良的柔软织物为材料, 由膜内充气压力支承膜面, 或利用柔性钢索、刚性支承结构使膜产生一定的预张力, 从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。

膜结构作为建筑结构中最新发展起来的一种形式，由于其独特的建筑形态以及膜材本身的特性，使得自1970年代被初步尝试使用以来，目前已经在国内外得到广泛的应用。膜结构自身的优良特性包括以下几方面：

轻质

张力结构自重小的原因在于它依靠预应力形态而非材料来保持结构的稳定性。从而使其自重比传统建筑结构的小得多，但却具有良好的稳定性。建筑师可以利用其轻质大跨的特点设计和组织结构细部构件，将其轻盈和稳定的结构特性有机地统一起来。

透光性

透光性是现代膜结构最被广泛认可的特性之一。膜材的透光性可以为建筑提供所需的照度，这对于建筑节能十分重要。对于一些要求光照多且亮度高的商业建筑等尤为重要。通过自然采光与人工采光的综合利用，膜材透光性可为建筑设计提供更大的美学创作空间。夜晚，透光性将膜结构变成了光的雕塑。膜材透光性是由它的基层纤维、涂层及其颜色所决定的。标准膜材的光谱透射比在10%~20%之间，有的膜材的光谱透射比可以达到40%，而有的膜材则是不透光的。膜材的透光性及对光色的选择可以通过涂层的颜色或是面层颜色来调节。通过膜材和透光保温材料的适当组合，可以使含保温层的多层膜具有透光性。即使光谱透射只有几个百分点，膜屋面对于人眼来说依然是发亮和透光的，具有轻型屋面的观感。

柔性

张拉膜结构不是刚性的，其在风荷载或雪荷载的作用下会产生变形。膜结构通过变形来适应外荷载，在此过程中荷载作用方向上的膜面曲率半径会减小，直至能更有效抵抗该荷载。张拉结构的灵活性使其可以产生很大的位移而不发生永久性变形。膜材的弹性性能和预应力水平决定了膜结构的变形和反应。适应自然的柔性特点可以激发人们的建筑设计灵感。不同的膜材的柔性程序也不相同，有的膜材柔韧性极佳，不会因折叠而产生脆裂或是破损，这样的材料是有效实现可移动、可展开结构的基础和前提。

雕塑感张拉膜结构的独特曲面外形使其具有强烈的雕塑感。膜面通过张力达到自平衡。负高斯膜面高低起伏具有的平衡感使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。张拉膜结构可使建筑师设计出各种张力自平衡、复杂且生动的空间形式。在一天内随着光线的变化，雕塑般的膜结构通过光与影而呈现出不同的形态。日出和日落时，低入射角度的光线将突现屋顶的曲率和浮雕效果，太阳位于远地点时，膜结构的流线型边界在地面上投入弯弯曲曲的影子。利用膜材的透光性和反射性，经过设计的人工灯光也可使膜结构成为光的雕塑。

安全性按照现有的各国规范和指南设计的轻型张拉膜结构具有足够的安全性。轻型结构在地震等水平荷载作用下能保持很好的稳定性。由于轻型结构自重较轻，即使发生意外坍塌，其危险性也较传统建筑结构小。膜结构发生撕裂时，若结构布置能保证桅杆、梁等刚性支承构件不发生坍塌，其危险性会更小。

膜结构的柔性使其在任一荷载作用下均以最有利的形态承载。当然，结构的布置和形状要根据荷载情况来进行设计和调整。设计要确定膜面与其辅助结构协调工作，以避免力在膜面或辅助结构上集中而达结构破坏的临界值。

目前，膜结构主要应用在了一些需要大空间的公用建筑物工业厂房，以及具有装饰性的建筑小品中，包括：

文化设施--展览中心、剧场、会议厅、博物馆、植物园、水族馆等；

体育设施--体育场、体育馆、健身中心、游泳馆、网球馆、篮球馆等；

商业设施--商场、购物中心、酒店、餐厅、商店门头（挑檐）、商业街等；

交通设施--机场、火车站、公交车站、收费站、码头、加油站、天桥连廊等；

工业设施--工厂、仓库、科研中心、处理中心、温室、物流中心等；

景观设施--建筑入口、标志性小品、步行街、停车场等。

1.2 膜结构的发展历史

3万年前

膜结构的雏形可以追溯到最原始的游牧民族的帐篷结构。

1960年代

1961年，德国的FreiOtto教授在一篇名为《Tent》的文章在AIA杂志的二、四月份刊上发表，FreiOtto 教授给所有人揭示了膜结构的重要性。由于FreiOtto教授的讲演和指导，膜结构的知识得以在许多国家快速地散布开来。他和他的小组于1965年出版了《Spannweiten》这本书，他们从建筑的角度研究并发展了现代的膜结构。这本书引起了全世界的关注。在轻型结构所工作的FreiOtto做了许多工作，代表着现代膜结构的起点。他们的技术和思想反映在蒙特利尔67年万国博览会上，这个建筑物对膜结构的世界有着广泛的影响，标志着膜结构正式成为建筑结构形式开始应用。

1970年在大阪举行的日本万国博览会开始对膜结构有了需求。许多日本建筑师向用膜这种新材料来创造新空间发起了挑战。大阪博览会也为发掘膜结构的潜力提供了极好的机会。为安全起见，这个结构装备了一个系统以保证屋盖在漏气时不与观众席或场地接触。这个想法成为膜结构设计史上的一个转折点，使充气式膜结构成为可能。

1970年代

GeigerBerger公司发展了充气膜。随之而来的是PTFE涂层的玻璃纤维膜作为新的膜材而发展起来，导致许多巨型膜结构在美国的出现。随着Milligan学院的SteveLacy战地医院（1974）和SantaClara大学的ThomasE.Leavey活动中心(1976)的建成，大规模的充气膜开始兴建。在美国还涌现了一批能容纳许多观