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膜結(jié)構(gòu)在我國發(fā)展的綜合探討

余  樂，王作文，劉冠男

(西南石油大學建筑工程學院，四川成都610500)

    膜結(jié)構(gòu)也即織物結(jié)構(gòu)，是20世紀中葉發(fā)展起來的一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)形式。它以性能優(yōu)良的柔軟織物為材辭，由膜內(nèi)充氣壓力支承膜面，或利用柔性鋼索、剛性支承結(jié)構(gòu)使膜產(chǎn)生一定的預張力，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大空間的結(jié)構(gòu)體系。最早的膜結(jié)構(gòu)雛形可追溯到公元前苦干世紀的帳篷結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代意義上的膜結(jié)構(gòu)工程最早出現(xiàn)于20世紀50年代，是集建筑、結(jié)構(gòu)、材料和計算機等科學為一體的高科技工程。近幾十年來，由于薄膜材料特殊的優(yōu)越性能及建筑技術(shù)水平的不斷提高，膜結(jié)構(gòu)在世界范圍內(nèi)的發(fā)展空前繁榮。

1、膜結(jié)構(gòu)材料種類

    目前膜結(jié)構(gòu)材料(簡稱膜材)主要有：(1)以聚酯織物為基材，上涂聚氯乙烯(PVC)；(2)以玻璃纖維織物為基材，上余聚氟乙烯(PVF)；(3)以玻璃纖維織物為基材，上涂聚四氟二烯(PTFE)即特氟隆(Teflon)；(4)以玻璃纖維織物為基材，上涂有機硅樹脂(Silion)，等等。

    以聚酯織物為基材加上乙烯基的涂層，這種材料價格便宜，但在污染的環(huán)境侵蝕下顏色變得難看，透光率降低，涂層容易被破壞而影響膜材的使用年限。如果在涂層外再加一面層，不但能保護織物抵抗紫外線，而且能大大改善自潔性。以玻璃纖維織物為基材涂上聚氟乙烯，這種材料面層需要一砷特殊的粘合劑涂在膜材表面，加層之后材料顯得有點硬。以玻璃纖維織物為基材涂上特氟隆或有機硅樹脂的膜材，則具有較好的耐久性。另外一種較新的面層是聚偏氟乙烯PVDF)，其價格雖是一般聚酯膜材的2.5倍，但仍不到玻璃纖維膜材的一半，而且具有較好的隔熱性能，自潔性也很好。

2、膜結(jié)構(gòu)體系的分類及特點

    按膜在結(jié)構(gòu)中所起的作用和膜的結(jié)構(gòu)形式，膜結(jié)構(gòu)體系一般可分為充氣式膜結(jié)構(gòu)、骨架式膜結(jié)構(gòu)、張拉膜結(jié)構(gòu)及索穹頂結(jié)構(gòu)等。它們具有不同的結(jié)構(gòu)特點和建筑表現(xiàn)形式，可適應不同的應用場所。

    2.1充氣膜結(jié)構(gòu)

    充氣膜結(jié)構(gòu)是膜發(fā)展過程中最初階段的主要形式，它利用膜內(nèi)外的氣壓力差為膜材施加預應力，使膜面能覆蓋所形成的空間。分為氣撐式與充氣胎式兩種。充氣膜結(jié)構(gòu)適用于跨度超過70m的大跨度體育設(shè)施，一般采用低拱度、一層膜或二層膜的結(jié)構(gòu)形式。發(fā)展至今，由于充氣膜結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)了較多問題，除在特殊領(lǐng)域應用外，已大部分被張力膜結(jié)構(gòu)所代替。

    2.2骨架式膜結(jié)構(gòu)

    骨架式膜結(jié)構(gòu)以鋼或其他材料構(gòu)成剛性骨架，膜張拉并置于骨架上。其顯著特點在于：膜不是維持結(jié)構(gòu)體系存在的必要結(jié)構(gòu)單元，也不僅僅是單純的覆蓋屋面體系，而是充分發(fā)揮了采光建筑功能和高強受力特性。現(xiàn)在骨架式膜結(jié)構(gòu)有膜面曲率減小、趨于平緩、預應力水平增加的趨勢。骨架式膜結(jié)構(gòu)具有廣泛地應用領(lǐng)域，特別是大型公共體育館、會展中心等。

    2.3張拉膜結(jié)構(gòu)

    張拉膜結(jié)構(gòu)是通過給膜材直接施加預拉力使之具有剛度，并承擔外荷載的結(jié)構(gòu)形式。完整的張拉式膜結(jié)構(gòu)一般由張拉薄膜、加勁索及支承結(jié)構(gòu)三部分組成。目前各種形式張拉膜結(jié)構(gòu)廣泛應用于各個領(lǐng)域，包括大型或大中型體育、文化、娛樂、商業(yè)設(shè)施以及小型景觀作品等。

    2.4索穹頂結(jié)構(gòu)

    索穹頂結(jié)構(gòu)是空間雙層索系和覆面膜材的聯(lián)合運用，形成的一種高效的大跨度輕型屋蓋結(jié)構(gòu)形式。可細分為Gei—ger索穹頂和Fuller三角索穹頂。索穹頂一般由中心受拉(鋼)環(huán)梁、徑向脊索、環(huán)向拉索、受壓立桿、斜向?qū)�角索及外�?cè)受壓環(huán)梁組成。其造型新穎、造價經(jīng)濟、安裝方便，結(jié)構(gòu)效率極高，成功地應用于一些大跨度、超大跨度的結(jié)構(gòu)。

    概括而言，膜結(jié)構(gòu)有以下特點。

    (1)建筑的形體塑造更自由。多變的支承結(jié)構(gòu)和柔性膜材使建筑物造型更加多樣化，新穎美觀，富有時代氣息。

    (2)經(jīng)濟效益更明顯。膜結(jié)構(gòu)屋面重量僅為常規(guī)鋼屋面的1/30，降低了墻體和基礎(chǔ)的造價。同時膜建筑奇特的造型和夜景效果有明顯的“建筑可識性”和商業(yè)效應，其價格效益比更高。

    (3)施工周期更短。膜工程中所有加工和制作均可在工廠內(nèi)完成，在現(xiàn)場只進行安裝作業(yè)。比傳統(tǒng)建筑的施工周期幾乎要快一倍。

    (4)能源損耗更低。具有良好的透光性，透光率7％、20％，可以充分利用自然光，減少能源消耗。并且具有良好的阻燃性和自潔性。

    (5)建筑空間具有更大的跨度。由于膜結(jié)構(gòu)自重輕，膜建筑可以不需要內(nèi)部支承，這使人們可以更靈活、更有創(chuàng)意地設(shè)計和使用建筑空間。

    目前，膜結(jié)構(gòu)的主要缺點是耐久性差。現(xiàn)在的設(shè)計壽命已達20年以上，介于臨時性建筑和永久性建筑之間；其次由于薄膜張力的連續(xù)性，局部的破壞就會造成整個薄膜結(jié)構(gòu)的垮塌。

3、國內(nèi)外膜結(jié)構(gòu)發(fā)展狀況

    3.1國外膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展

    早在1917年，英國的蘭徹斯特首次提出氣承式帳篷，用于野戰(zhàn)醫(yī)院，并申請了專利，但由于當時的技術(shù)條件原因沒有成為現(xiàn)實。l946年，華特·貝爾德為美國軍方做了一個直徑為l5m圓形充氣的雷達罩，可以保護雷達不受氣候侵襲，又可讓電波無阻地通過，從而使相隔了19年的專利付諸實施。

    張拉式膜結(jié)構(gòu)的先行者是德國的奧托，他在1955年設(shè)計的張拉膜結(jié)構(gòu)跨度在25m左右，用于聯(lián)合公園多功能展廳。由于張拉膜結(jié)構(gòu)是通過邊界條件給膜材施加一定的預張應力以抵抗外部荷載的作用，因此在一定初始條件下其初始形狀的確定，在外荷載作用下膜中應力與變形，以及怎樣7用二維的膜材料來模擬三維的空間曲面等一系列復雜的問題，都需要．由計算來確定，所以，張拉膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展離不開計算機技術(shù)的進步和新算法的提出。

    在1956年以后美國一共成立了約50多家的膜結(jié)構(gòu)公司，制造各種膜產(chǎn)品，用作體育設(shè)施、展覽場、設(shè)備倉庫、輕工業(yè)廠房等。1960年問，德國斯圖加特大學的弗賴．奧托先后于1962年和l965年發(fā)表了研究膜結(jié)構(gòu)的成果，并同帳篷制造廠商合作，做了一些帳篷式膜結(jié)構(gòu)和鋼索結(jié)構(gòu)。其中最引人注目的是1967年在蒙特利爾博覽會上的西德館和1972年建成的德國慕尼黑奧林匹克體育館，其造型是用絲網(wǎng)模型法實現(xiàn)的，屋蓋結(jié)構(gòu)為索網(wǎng)上覆蓋聚脂纖維膜材料。后來這種技術(shù)被美國的蓋格一勃格公司采納，并進一步完善發(fā)展成無需索網(wǎng)的張拉式膜結(jié)構(gòu)。在歐洲，尤其是德國，可以說是開了膜結(jié)構(gòu)商業(yè)化的先河。另一種新型的主要用于大型體育建筑中的骨架式膜結(jié)構(gòu)一索穹頂膜結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)體系的成型及受力分析非常復雜，施工難度大，技術(shù)條件要求高，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代建筑的高科技。其中規(guī)模最大的要屬英國的“千年穹頂”。它是由l2根180 m高的鋼構(gòu)式桅桿支撐72塊膜材料構(gòu)成，直徑為320m，相當于20塊足球場地大小，是目前世界上單體規(guī)模最大的膜結(jié)構(gòu)建筑，充分體現(xiàn)了當今人們對膜結(jié)構(gòu)技術(shù)的深入理解和建造能力。

    3.2國內(nèi)膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展

    膜結(jié)構(gòu)已經(jīng)有20多年的歷史了，膜結(jié)構(gòu)也不乏工程實例。20世紀80年代同濟大學的學者為上海工業(yè)展覽館設(shè)計建造了一座高27m、直徑15.4m的圓柱形氣承式膜結(jié)構(gòu)展廳，這是我國在膜結(jié)構(gòu)工程實踐方面的第一個嘗試。

    由加拿大某公司在1989年設(shè)計建造的北京麗都假日飯店網(wǎng)球館，該網(wǎng)球館為室內(nèi)充氣式膜結(jié)構(gòu)，建造在2層屋頂上，覆蓋4個網(wǎng)球場地的大小。隨后天津大學、哈爾濱建筑大學、中國建筑科學研究院、同濟大學、浙江大學、北方交通大學、西安交通大學等高校及科研單位對膜結(jié)構(gòu)展開了廣泛而深入的研究，在理論上取得了不少科研成果。20世紀90年代初，北京、天津等地相繼成立了幾個從事膜結(jié)構(gòu)建筑的企業(yè)，只是大部分業(yè)務還僅局限于膜結(jié)構(gòu)遮陽等臨時性或半臨時性建筑。近幾年來，由于一些專業(yè)膜結(jié)構(gòu)工程師、建筑師的加盟與努力，極大地推動了我國膜結(jié)構(gòu)建筑業(yè)的迅速發(fā)展，建成的膜結(jié)構(gòu)建筑代表了我國目前膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計和建造水平，它們遍布全國各地，大到幾萬平方米的體育場罩篷，小到花園小品，有氣承式、骨架式，但大部分是張拉式與組合式膜結(jié)構(gòu)，這些膜結(jié)構(gòu)建筑千嬌百媚形狀各異，在空間結(jié)構(gòu)的百花園里獨樹一幟，分外惹人注目。

    1997年為召開第八屆全國運動會，上海建造了8萬人體育場。該體育場看臺罩篷是在懸挑鋼桁架與環(huán)形鋼桁架共同形成的剛性骨架上面采用張拉式膜結(jié)構(gòu)單元，為一組合式膜結(jié)構(gòu)體系。這是我國首次將膜結(jié)構(gòu)應用到大型永久性建筑上，標志著膜結(jié)構(gòu)已被我國工程界所接受，為膜結(jié)構(gòu)在我國的廣泛應用拉開了序幕。上海虹口體育場采用了鞍形大懸挑空間索桁架支承的膜結(jié)構(gòu)；青島頤中體育場的看臺挑篷為組合錐形張拉膜結(jié)構(gòu)形式；武漢體育場是由上下外環(huán)梁和內(nèi)環(huán)索支承的波形膜屋蓋；深圳大學體育場也采用了膜結(jié)構(gòu)方案。我國自行設(shè)計、自行施工，并采用國產(chǎn)材料的首例大型典型索膜結(jié)構(gòu)是長沙的世界之窗劇場。

    用于2000年奧運會游泳選拔賽的杭州游泳館膜結(jié)構(gòu)工程是由國內(nèi)專業(yè)膜結(jié)構(gòu)公司制作的最大的工程，且為首例采用全封閉式、雙層膜結(jié)構(gòu)，就其結(jié)構(gòu)形式和節(jié)點難度在國外膜結(jié)構(gòu)專家看來是非常罕見的。建筑師將當今流行于國際上的膜結(jié)構(gòu)應用于該工程健身樓、網(wǎng)球館及游泳館的屋面，并確定只有膜材才能實現(xiàn)風格獨特的屋面造型。威海體育中心體育場可容納觀眾近40000人，體育場看臺主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土斜向框架。看臺上空設(shè)一大型輕質(zhì)罩篷，用膜結(jié)構(gòu)設(shè)計。

    在2008北京奧運會上，膜結(jié)構(gòu)在我國的應用也得到了完美的體現(xiàn)。作為奧運游泳中心的“水立方”是目前世界上最大的膜結(jié)構(gòu)工程。除了地面之外，外表部都采用了膜結(jié)構(gòu)—ETFE(聚乙烯一四氟乙烯共聚物)材料，藍色的表面出乎意料的柔軟但又很充實。國家體育館工程承包總經(jīng)理唐曉春透露，這種材料的壽命為20多年，但實際會比這長，人們可以踩在上面行走，感覺特別棒。目前世界上只有三家企業(yè)能夠完成這樣的膜結(jié)構(gòu)．  

4、我國膜結(jié)構(gòu)目前存在的問題及對策

    膜結(jié)構(gòu)在我國目前發(fā)展是非常迅速的，但仍舊存在許多亟待解決的問題。

    4.1膜材質(zhì)量與國外有一定差距

    質(zhì)量問題是制約現(xiàn)階段國內(nèi)膜結(jié)構(gòu)發(fā)展的最重要因素之一。目前我國膜材基本來自國外，PTFE膜材主要來自美國、德國、日本，PVC膜材主要來自法國(FERRARI)、德國(MEHLER、DURASKIN)、美[](SEAMEN)以及韓國的秀博公司等。國內(nèi)生產(chǎn)的膜材或因物理性能欠佳，或因力學性能不足，尚難滿足大型工程及我國膜結(jié)構(gòu)發(fā)展的需要。因此，國內(nèi)企業(yè)應當在引進相關(guān)人才、加大研發(fā)力度、提高生產(chǎn)質(zhì)量上下功夫，這樣才能使我國膜材質(zhì)量有所突破、趕超國外先進水平。

    4.2膜材價格偏高

    由于我國現(xiàn)階段膜建筑建設(shè)所需膜材大多數(shù)依賴美國、德國、日本等膜材公司，所以膜材的價格一直偏高，這也就提高了工程造價。只有我國企業(yè)能自主研發(fā)物理性能與力學性能具佳的膜材產(chǎn)品才能打破長期依賴國外進口的尷尬局面。 

    4.3國外相關(guān)理論和技術(shù)的保密

    由于膜材的基層材料是由纖維按經(jīng)緯方向編織而成，材料屬正交異性，膜材受力時表現(xiàn)出明顯的非線性，這些力學 特性的存在決定了膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的復雜性。而我國膜結(jié)構(gòu)研究起步較晚，國外的文獻都沒有公開核心部分，許多是以專利的形式存在的，且膜結(jié)構(gòu)分析設(shè)計理論本來就還不夠成熟和完善，因此難以獲得國外膜材的相關(guān)核心理論和技術(shù)。

    4.4沒有開發(fā)出商業(yè)性的膜結(jié)構(gòu)分析計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)

    國際上膜結(jié)構(gòu)分析軟件主要有美國Birdair公司的MCM軟件與美國電腦設(shè)計公司的ACP軟件(均適用于找形分析與荷載分析)以及美國Autometrix公司的PS軟件(適用于裁剪分析)。而德國Technet公司的EASY軟件既可用于找形分析、荷載分析，又可用于裁剪分析，具有較強的功能，目前已為國內(nèi)不少單位使用。

    國內(nèi)高校、科研單位與企業(yè)也相繼開發(fā)出一些膜結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件。如天津麥卡特膜結(jié)構(gòu)科技發(fā)展公司開發(fā)的MEDE 軟件、同濟大學開發(fā)的3D3s膜結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件、北京光翌空間膜技術(shù)工程有限公司開發(fā)的MCAD軟件等，另外還有一些相關(guān)軟件也正在研發(fā)中。這些軟件雖各有特點，但膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展還期盼研究部門早日推出功能強大、界面友好、易于操作的高質(zhì)量商品化軟件。

    4.5國內(nèi)膜結(jié)構(gòu)施工與維護方面存在的問題

    (1)施工過程中預張力取值難以控制。由于膜材是一種抗彎、抗壓剛度趨近于零的材料，抗剪強度也很差，因此就需要靠膜曲面的曲率變化和其中預張應力來提高其結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性。膜結(jié)構(gòu)的荷載一般只考慮風荷載和雪荷載，荷載作用下膜材料的變形較大。施工中為使膜面減少褶皺，且為了控制由風產(chǎn)生的膜面震動，就要求在膜結(jié)構(gòu)的施工中對膜面形成一定的張力。但目前尚未出現(xiàn)能準確測量膜材的儀器，僅靠經(jīng)驗施工難免出現(xiàn)差錯，對施工效果也有一定的影響。因此膜結(jié)構(gòu)安裝前必須對相關(guān)土建尺寸進行復核，及時調(diào)整膜片剪裁尺寸。

    (2)膜結(jié)構(gòu)的排水問題不易解決。在膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計中不可忽視的一點就是膜結(jié)構(gòu)的排水問題。因為膜面有一定的形狀和造型，難免會在膜材端部的拉結(jié)點與建筑物的接觸處形成雨水的導水口，大面積的雨水匯集從接觸處向下流淌從而污染墻面，影響美觀。在設(shè)計找形時應當避免局部存在平坦區(qū)域，通過增大膜結(jié)構(gòu)形體周邊圓弧的弧度和加大膜體坡度來防止。因此，在設(shè)計中做好膜結(jié)構(gòu)的排水問題至關(guān)重要。

    (3)膜材料的加工、裁剪要求較高。在裁剪膜片時，一般應使膜片纖維方向與主應力方向一致。但實際操作時特別是對一些角部或邊緣區(qū)域，裁剪精度不高易造成熱合后的膜片收縮不一致，這些區(qū)域的膜材往往易出現(xiàn)褶皺。為避免這種情況的發(fā)生，應制作尺寸精確的模型來估計薄膜拉力并確定裁剪方案。

    (4)膜結(jié)構(gòu)的保護工作有一定難度。膜材料屬于易損物品，破損后難以恢復原樣。但是，施工中難免會對其造成損壞。因此，施工過程中施工組織設(shè)計的合理編制同安全管理一樣重要。

    (5)膜結(jié)構(gòu)維護中的消防問題不可小視。對于使用不燃材料PTFE膜材的建筑，沒有問題。但如果使用PVC膜材，其燃燒性能是81級，對外部火焰的抵御能力相對較差，遇到較強熱輻射和帶沖擊的飛火侵害，可能會燒壞膜材。雖然由于PVC膜材具有自熄性，不會造成火的擴大蔓延，但也要及時對膜材進行局部的修補或更換，否則膜材破壞失去張力對結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性會產(chǎn)生嚴重影響。

5、我國膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景

    (1)隨著我國綜合國力的增強和經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展．膜結(jié)構(gòu)建筑設(shè)施已得到廣泛地應用。進入21世紀后，隨著中國申奧的成功和加入了WT0，由中國人自己設(shè)計和施工的膜結(jié)構(gòu)體育場館和展覽館如雨后春筍般涌現(xiàn)在中國廣袤的大地上。膜建筑在我國廣泛適用于以下各個領(lǐng)域：文化設(shè)施一展覽中心、劇場、會議廳、博物館、植物園、水族館等；體育設(shè)施一體育場、體育館、健身中心、游泳館、網(wǎng)球館、籃球館等；商業(yè)設(shè)施一商場、購物中心、酒店、餐廳、商店門頭(挑檐)、商業(yè)街等；交通設(shè)施一機場、火車站、公交車站、收費站、碼頭、加油站、天橋連廊等；工業(yè)設(shè)施一工廠、倉庫、科研中心、處理中心、溫室、物流中心等；景觀設(shè)施一建筑入口、標志性小品、步行街、停車場等。我國目前每年大約有10萬平方米的膜結(jié)構(gòu)工程，雖然基數(shù)不高，可發(fā)展的潛力和勢頭非常迅猛。

    (2)膜結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與施工技術(shù)日趨完善。從20世紀80年代起，我國一些研究部門和高等院校開始對膜結(jié)構(gòu)進行研究，經(jīng)過這些年的努力，為我國膜結(jié)構(gòu)事業(yè)建立了一定的理論儲備和技術(shù)儲備，培養(yǎng)了一批專門從事膜結(jié)構(gòu)研究的博士、碩士和工程技術(shù)人員。2004年《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的出臺，為推動膜結(jié)構(gòu)在我國的蓬勃發(fā)展向前邁開了一大步，相信我國還會制定更多更全的相關(guān)技術(shù)標準，健全膜結(jié)構(gòu)的行業(yè)組織。加強對膜結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)交流、培訓，設(shè)備更新、加快工藝改革，推動膜結(jié)構(gòu)在我國積極健康地發(fā)展。

參考文獻

[1]陳務軍·膜結(jié)構(gòu)工程設(shè)計[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社．2005.

[2]舒群芳.科技奧運建筑為先[J]．今日中國(中文版)，2006(3)．

[3]焦紅，王松巖、膜建筑的起源、發(fā)展與張望[J]工業(yè)建筑2006.36(增刊)．

[4]完海鷹，李童.張拉膜結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]安徽建筑，2004（2）

[5]錢基宏，宋濤，劉楓，等.關(guān)于張拉膜結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)定的建議[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2003(6)．

[6]朱海峰.新型索膜建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展[J]．江蘇建筑，2006(3)．

[7 ]李淑慧. 淺談索膜結(jié)構(gòu)的消防問題[J]。消防科學與技術(shù)，2003[J]。

[8]羅永赤·膜結(jié)構(gòu)工程事故分析[J]．特種結(jié)構(gòu)，2006(1)．

[91]Karsten.Moritz.Membrance.Materialsin.Building[J].Detail.2000(6).

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)