形态作用结构体系中的膜结构

数万平方米，小到十几平方米的建筑小品（如图
1.9），即可作为临时建筑，又可作为永久性建筑。 应用的建筑类型包含了我们生活、学习、工作、 娱乐的各个方面。
图1.4.1 海南蜈支洲岛
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膜结构形式不但适合体育、娱乐、交通运输、科学 研究等大跨度建筑采用，而且旅馆、办公楼等多高层建
筑物也可应用。不仅适用于民用建筑，而且也适用于工
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4 结语
膜结构是一种新型的建筑结构形式，它的出现
改变了长期以来建筑领域中形式单一、重复的结构 统一局面，使建筑结构领域发生了革命性的变化， 也使得建筑结构形式也更加丰富多彩。本文只是简 单的对膜结构的分类及受力特点进行了介绍，关于 膜结构其他方面的详细知识，还有待我们自己进行 深入了解。
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请同学们和老师指正，谢谢！
意外坍塌，其危险性也较传统建筑结构小。
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（5）大跨度
膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度(无支撑) 建筑上实现所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡可视空间， 有效增加空间使用面积。
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（6）工期短
膜结构建筑工程中许多工程量可在工厂内完成
可减少现场施工时间，避免出现施工交叉，相对传
统建筑工程工期较短。
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2）结构的受力分析
整个篷盖是由钢结构支
撑系统、钢索、膜共同组成 的一个典型索膜张拉体系， 每个索膜结构单元由一个吊 点悬挂于上环梁(实际是三角 形拱桁架)上，通过谷索(左 右各一个)、脊索(前面一个
后面三个)、内外边索(各二
个)的张拉作用成形。
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上拉索主要承受向下的活(雪)荷载和提供为保证内环 索形状和高度所需的预拉应力，再通过钢结构支撑系统把
纬两个方向的纤维构成。
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在向上和向下的荷载作用
下，该形体均具有清晰而独
立的传力路径。向下的雪荷 载由下垂的“悬挂”纤维承 担，向上的风吸力由上凸的 “拱形”纤维承担。
图2.1 负高斯曲面
然后再由膜结构的支撑体系将膜内预应力及荷载
产生的内力传递到基础和地基，形成连续的力流传递 路径。
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充气膜结构的受力特点
图1.2.8 固定点平行排列的体系
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拱支撑曲面 该结构中的支撑拱可以是钢拱，也可是混凝土
拱。拱支撑型膜结构中的拱也可以相对放置形成索
桁架结构，两拱之间以少量压杆和钢索连接，增加 拱的刚度，提高整体受力性能。覆盖于骨架上的膜 结构，表面高斯曲率往往为零或大于零。（如图 1.2.9
图1.2.9 单个拱支式
图1.1.5 膜结构体系示意图
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1.2 膜结构的分类
※ 曲面曲率与Gauss曲面
曲面任一点m上作曲 面的外法线mn，通过外 法线mn作一平面，称之 为法截面，它与曲面相 交的线为法截线。从图 中可知法截线即为曲面 上的某一曲线，它在m点 处的曲率成为法曲率。
图1.2.1 法截线和法线
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若将曲面上的主曲率分别k1和
图2.3 应力的变化
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气承式膜结构受力分析 气承式膜结构是将 加压的空气密封在体积 内以支承空间膜材，且 使之稳定以抵抗作用力。
此加压的体积也是使用
空间，薄膜的力量直接 释放于边界处（如图2.4）
图2.4 气承式膜结构受力
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当外荷载沿膜面的法线方向均匀满布时，膜面张
力将均匀减小，膜面形状仅发生微小且均匀的变化；
业厂房和仓储建筑。
图1.4.2 飞机库 图1.4.3 日本综合体育中心
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图1.4.4 上海八万人体育场
图1.4.5 美国丹佛国际机场 候机大厅
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2. 膜结构的受力特点
膜结构主要受恒载和活荷的作用，其中恒载一般是膜 结构的自重，而活载通常指雨、雪、风荷载。在这些力的
作用下，结构会发生变形。
张拉式膜结构受力特点 绝大多数的张拉膜结构都以“负高斯曲面”为基础， 这类曲面由一组张紧的“拱形”条元和与其反向的“悬挂” 条元组成（图2.1所示）。这两组元素分别由膜材织物经、
最大前挑出长度31米。
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为了丰富建筑艺术效果，东西看台篷盖设计成不对称
的高低跨外形，而中心环索则形成了倾斜的马鞍型立面， 主结构因此承担了巨大的不平衡力。如此大跨度非对称设 计的钢—索—膜体系，在国内体育场建筑中尚属首次应用， 从一个侧面向人们展示了膜结构的建筑特点和美好的发展 前景。
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图1.2.4 美国馆
度。
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气肋式膜结构（如图 1.2.5）是向特定形状的 封闭式气囊内充入一定压 力的气体，使之形成具有
一定刚度和形状的结构或
构件，再由这样的构件相 互联结形成使用空间。
图1.2.5 日本富士馆
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（2）张拉式膜结构
张拉式薄膜结构是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆 和拉索共同作用构成的结构体系，俗称帐篷结构。张拉
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8.缺点
膜结构建筑在实际应用中也有其固有的缺陷：由 于膜材质轻，热工性能较差，因此游泳池、植物园
等湿度较大的建筑中必须采取必要的防结露措施；
另外，由于薄膜张力的连续性，局部的破坏有可能 造成整个薄膜结构的垮掉。
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1.4 膜结构的应用领域
膜结构建筑因其独特的造型而受到人们的关注。 在工程中膜结构有很大的可塑性，工程规模大到
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气垫内的加压空气只负 责稳定承载薄膜，并使承
载薄膜与上部薄膜结合在
一起，形成屋顶结构。而 薄膜边缘的力量需要约束 构造来承受。受力形式如 图2.6所示。
图2.6 气垫薄膜的受力
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加压气体的使
筒的形状稳定，薄 膜的力量直接释放 于边界处。其受力 形式如图2.7所示。
图2.7 受力形式
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3.工程实例
照明效果；夜间逆光照射下表面发光。
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（3）艺术性
膜结构以造型学、色彩学为依托，结合自然条件
及民族风情，根据建筑师的创意展示出传统建筑难以
实现的曲线及造型。
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（4）安全性
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。膜结构作为轻型结构在地震等荷载作用下能保持
很好的稳定性。另外，由于轻型结构自重较轻，即使发生
壳体（图1.2.2）。当壳体一个方向的曲率半径为无
穷大而另一个方向的曲率半径为有限值时，高斯曲率 等于零，称为零高斯曲率壳体，如柱形壳和锥形壳等。 当其两个方向上的曲率半径均为无穷大时，壳体退化 成平板。
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由于构成膜结构的膜材是一种柔性材料，只能传
递膜面内的拉力，不能承受压力、弯矩。因此膜结构是 以在膜面内引入初始预张力而抵抗外荷载的一类结构体 系。这里从初始预张力的导入的方式及结构表面的曲率 将膜结构分为3类:骨架式、充气式、张拉式膜结构。
形态作用结构体系中的膜结构 浅析
报告人：王京京 指导老师：童丽萍（教授）
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主要内容
1. 膜结构的概述
2. 膜结构的受力特点 3. 工程实例分析
4. 结语
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1. 膜结构的概述
1.1 膜结构的定义及构成 1.2 膜结构的分类 1.3 膜结构的特点 1.4 膜结构的使用领域
（如图1.2.3 所示）
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图1.2.3 膜结构的类型
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（1）充气式膜结构
充气式膜结构是利用膜内外空气的压力差为膜材
施加预应力，使膜面能覆盖所形成的空间。充气式膜结
构又可分为气承式和气肋式两种。
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气承式膜结构（如
图1.2.4）是通过压力控 制系统向建筑物室内充 气，使室内外保持一定 的压力差，膜体受到上 浮力，并产生一定的预 张力，以保证体系的刚
安徽芜湖体育场膜结构罩篷
1）工程概况
芜湖体育场篷盖工程,可容纳6万多名观众，膜结构投影 面积20791平方米，采用张拉整体式索膜结构形式。由主桁 架拱，斜撑桁架，中心环索及斜拉索组成完整的空间受力体 系，而膜单元则通过谷索、脊索和边索的张拉作用成型，由
高到底共40个单元。主桁架拱跨度达254米，最大跨高67米，
力传递给下部钢筋混凝土看台(图中的三个小黑点)；罩篷
内圈由六根钢索组成钢索束形成受拉内环，通过两端部外 拉索的作用承受主要向上的风荷载，并通过外拉索把力传 递给锚座；钢结构上拱三角形桁架梁、三角形桁架斜腹杆 共同组成受压壳体。
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该体系具有良好的整体刚度及稳定性，受力合理，能够 很好地满足位移、排水等建筑功能要求。
图1.2.11 伦敦千年穹顶
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1.3 膜结构的特点
（1）轻质
膜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。
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（2）透光性好
半透明是膜结构最显著的特征，与其它材料相比， 无论是在美观上或是在操作上，都有显著的优越性；散 射光线，消除眩光，能将光线广泛地漫射到其内部空间； 材料内部涂层具有较高的反射率，能在夜间保持室内的
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锥形曲面
锥形曲面有一个支撑点，该点在边界平面外，
但在边界平面上的投影位于边界内。锥形膜面也 具有负高斯曲率的双曲线，水平圆环承受由内至 外的荷载。支撑点可以由曲面内或曲面外的抗压 件支撑或以索悬挂。（如图1.2.10）
图1.2.10 简单锥形
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（3）骨架式膜结构
骨架式膜结构是自身封闭的、稳定的骨架体系 （一般是钢桁架体系、网架结构、索网结构或张拉整体 体系）与膜材料共同组成一个结构受力体系。
充气膜结构以空气压力张拉膜材、使膜面张紧。
赋予一定的结构刚度以抵抗外部荷载。 充气膜结构膜面上任一点的承载力（气压差）是 相同的，且沿膜面法线方向（如图2.2）。
图2.2 膜面受力形式
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膜面的内力与其曲率成比例，随着曲率的增加（即半
径减小），并使室内气压保持不变，则薄膜应力降低，曲
率减小，则薄膜应力增加（如图2.3）。
界可以是点支撑，也可以是空间斜拱或垂直放置的拱，
同时可以采用脊索或谷索来加强膜面。（如图1.2.7所 示）
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对 称 高 低 点 支 撑
鞍形曲面的简图
多 点 支 撑
图1.2.7 简单鞍形体系
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波浪形曲面 波浪形曲面一般是在二维结构体系上张拉，该体系具 有承重索、张拉索及索之间的联系索单元。如果承重索和 张拉索是在平行的平面内，那么就可构成波浪形膜结构。 （如图1.2.8所示）
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（7）经济性
膜材强度高、厚度小、重量轻，是传统覆盖材料
重量的 1/10～1/30，从而减少了对支承构件的要求。
对于同等大小的建筑，如果采用膜结构，其成本只相当 于传统建筑的二分之一或更少，特别是在短期应用的大 跨度建筑中，就更为经济。而且膜结构能够拆卸，易于 搬迁。另外因为膜材不易老化，修理及维护费用少。
k2来表示，其对应的曲率半径分
别用R1和R2来表示，则k1 =1/
R1 ， k2 =1/ R2 。两主曲率的
乘积称为Gauss曲率，用K表示，
图1.2.2 负Gauss曲率壳体
即
K = k1k2 =1/(R1 R2 )
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当两主曲率方向相同时Gauss曲率大于零，称正高 斯曲率壳体；相反Gauss曲率小于零称为负高斯曲率
料(PVC或Teflon)及加强构件(钢架、钢柱或钢索)通过一定的 方式使其内部产生一定的预应力，以形成某种空间结构形状 ，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。
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膜结构的构成
膜结构体系由膜面、边索和脊索、谷索、支 承结构、锚固系统，以及各部分之间的连节点等 组成（如图1.1.5 所示）。
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1.1 膜结构的定义及构成
首先让我们认识一下膜结构建筑，在我们的生活中，经常 会见到。如图所示：
图1.1.1 体育看台
图1.1.2 停车棚
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图1.1.3 气囊式膜结构
1.1.4 收费站
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膜结构的定义
膜结构是近些年才发展起来的一种新型结构，对它并没
有一个明确的定义。但一般认为膜结构是用多种高强薄膜材
索膜结构中膜曲面通过预应力维持自身形状，膜既是建
筑物的维护体又作为结构来抵抗外部荷载效应。
图1.2.6 美国丹佛机场侯机大楼
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张拉式膜结构造型千变万化，主要有以下四种最基
本的曲面形式组合而成： 鞍形曲面 鞍形曲面是具有一条负高斯曲率的双曲线，下凸曲 线承受向下的荷载，上凸曲线承受向上的荷载。支撑边
然而外荷载常常呈非均匀分布状态，此时膜面形状将 发生较大改变以缩小室内容积和提高膜面内外压力差 来平衡外荷载。
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气肋式膜结构受力分析 气肋式充气膜结构则采用开放的室内空间，通
过向由膜面形成的密闭空间中充气使膜面张紧以获
得抵抗外部荷载所需的张力。 气肋式充气膜结构通常有气垫式和筒状等几种 形式的结构。