膜结构及索膜结构综述

膜结构及索膜结构综述

——结构选型期中作业

城市建设与管理学院

10级景观建筑设计专业

汪珂珂（20101150175）

1.膜结构建筑概述

膜结构也称为织物结构，是世纪中叶20 发展起来的一种新型空间结构形式，它以性能优良柔软织物为材料，由膜内空气压力支撑膜面，或利用柔性钢索或刚性支撑结构使膜面产生一定的预张力，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。

膜结构的起源可追溯至远古时代人们利用牛皮或布等制作的帐篷结构。但是长期以来由于技术原因，这种结构发展并不快。1970年日本大阪世界博览会，由美国工程师盖格尔(David Geiger)设计的美国馆，其屋顶采用空气支撑膜结构，平面尺寸达到83.5 m×142 m，采用以聚氯乙烯(PVC)涂层的玻璃纤维织物建造。通常被认为是第一个现代意义上的大跨度膜结构。

虽然现代膜结构出现仅有几十年时间，但发展迅速。在20 世纪后期成为国际上大跨度空间建筑及景观建筑的主要形式之一,具有强烈的时代感和代表性。它是集建筑学、结构力学、精细化工、材料科学、计算机技术等为一体的多学科交叉应用工程,具有很高的技术含量和艺术感染力,实用性强、应用领域广泛,既可应用于大型大跨度的公共建筑，如体育场馆、机场大厅、展览中心、购物中心，也适用于规模较小而造型各异的休闲景观设施、建筑小品等。其发展潜力巨大,将成为21 世纪空间结构的发展主流。

2.膜结构的分类

根据不同的支撑方式，通常将膜结构分为空气支撑式、张拉式及骨架支撑膜结构3大类。

2.1 充气式膜结构

向由膜结构构成的室内充入空气,使室内的空气压力始终大于室外的空气压力,使膜材料处于张力状态来抵抗负载及外力的构造形式有单层结构和双层结构两种。单层结构如同肥皂泡,单层膜的内压大于外压。此结构具有大空间,重量轻,建造简单的优点,但需要不断输入超压气体及日常维护管理。双层结构是在双层膜之间充入空气,和单层相比可以充入高压空气,形成具有一定刚性的结构。而且进出口可以敞开。

2.2张拉式膜结构

张拉式膜结构是通过拉索将膜材料张拉于结构上而形成的构造形式。由于膜材是柔性结构,本身没有抗拉、抗压能力,抗弯能力也很差,完全靠外部施加的预应力保持其形状,即使在无外力且不考虑自重的情况下,也存在着相当大的拉应力。膜表面通过自身曲率变化达到内外力平衡。薄膜材料既承载结构，又起到围护功能，充分发挥了膜材的结构功能。具有高度的形体可塑性和结构灵活性,是索膜建筑的代表和精华。但对施工精度要求较高，工程造价相对较高。

2.3骨架式膜结构

骨架式膜结构是指以刚性结构(通常为钢结构)为承重骨架、在钢架或其他材料的骨架上铺装张紧的膜材,由此构成屋顶或外墙壁的构造形式。刚性骨架是主要受力体系，膜材仅作为围护结构，故设计、制作比较简单，工程造价相对较低。但未发挥出膜材料本身的结构承

载力，跨度也受支撑骨架的限制。形态有平面形、单曲面形和以鞍形为代表的双曲线形。

2.4 组合式膜结构

组合式膜结构通常在自身稳定的桁架体系上划分成若干个单元,每个单元上布置张拉式膜结构单元,膜单元之间在受力上基本是相互独立的,可以认为是多个简单张拉式膜结构单体的物理组合,受力的复杂性介于张拉式膜结构与骨架式膜结构之间。这种体系在目前膜结构体育场罩篷中也有较广泛的应用。

3.膜结构建筑的特点

3.1 跨度较大

自重轻、跨度大、抗震性能好。薄膜结构与传统结构相比自重有数量级的差别(约为后者的1/30)。可以轻易地跨越较大的跨度，且单位面积的自重与造价未明显增加。由于自重轻，膜结构建筑具有良好的抗震性能。

3.2 造型优美、富有时代气息

膜结构突破了传统的建筑结构形式,易做成各种造型,且色彩丰富,在灯光配合下易形成夜景,富有时代气息，给人以现代美的享受。又由于其技术上的先进性,可为建筑师提供较大的想象和创作空间。膜结构被誉为现代建筑高科技,是21 世纪的建筑。

3.3 减少能源消耗

膜材料自身透光性较好,透光率在7 %～20 %左右,可充分利用自然光,白天使用不需人工照明,完全能满足各种体育比赛等活动需要;膜材料对光的折射率在70 %以上,在日光照射下,室内形成柔和的散光,给人以舒适、梦幻般的感受。

3.4 施工速度快

膜片的裁剪、钢索及钢结构等的制作均在工厂内完成,可与下部钢筋混凝土结构或构件等同时进行,在施工现场只是钢索、钢结构及膜片的连接安装定位及张拉的过程,故在现场的施工安装比较文明、迅速快捷。3）施工方便。膜材料的裁剪、熔接等工作主要在工厂完成，现场主要是将膜成品张拉就位安装。与传统建筑相比，施工程序简单，施工周期大为缩短。

3.5 经济效益明显

虽然膜结构建筑项目从目前来说一次投资较大,但膜材的表面涂层、特别是聚四氟乙烯(PTFE)涂层，具有良好的非粘着性，大气中的灰尘及脏物不易附着，表面灰尘也会被雨水冲刷干净，常年使用后仍能保持外观洁净与室内美观。由于此类结构的日常维护费用极小(被称为“免维护结构”) ,从长远来看,经济效果非常明显。若用于超大跨度建筑中,则有更为突出的价格优势。索膜结构的经济优势是与空间跨度和技术难度成正比的。

3.6 使用安全可靠

由于其自重轻,抗震性能比较好;膜结构属柔性结构,能够忍受很大的位移,不易整体倒塌,且膜材料一般都是阻燃材料,也不易造成火灾。

3.7 方便拆卸转移

易做成可拆卸结构,易于运输,可用作巡回演出、展览等如美国某公司设计制作的音乐篷覆盖面积300 多m2 ,其拆卸和安装只需用不足6 h 的时间。

3.8 使用范围广

从气候条件看,它适用于从阿拉斯加到沙特这样广阔的地域;从规模上看,可以小到单人帐篷、花园小品,大到覆盖几万、几十万平方米的建筑。甚至有人曾设想覆盖一个小城,实现人造自然。

除了以上优点，膜结构也有一定的不足。如耐久性、保温隔热性能以及隔音效果都不及传统的砖石、钢筋混凝土等材料，仍有待研究。

4.问题与展望