索膜结构体育馆发展综述

牛海　刘科元

【摘 要】索膜结构是一种新型的建筑结构形式，本文总结了国内外索膜结构的发展及部分著名的索膜结构建筑的特点，阐述了索膜结构的现状，分析了索膜结构的设计和施工技术，并根据建筑业特点分析了所膜结构未来发展趋势。

【关键词】索膜结构；结构特点；发展趋势

1 发展历史

索膜结构体系起源于远古时代人类居住的帐篷（支杆、绳索与兽皮构成的建筑物），到20世纪70年代以后，高强、防水、透光且表面光洁、易清洗、抗老化的建筑膜材料的出现，加之工程计算科学的飞速发展，索膜建筑结构体系东山再起，现已大量用于滨海旅游、博览会、文艺、体育等大空间的公共建筑上。因为索膜建筑具有易建、易拆、易搬迁、易更新、充分利用阳光、空气以及与自然环境融合等特长，成为21世纪“绿色建筑体系”的宠儿。

纵观索膜结构的发展历史，可分为以下几个阶段：

1.1 膜结构的出现

膜结构（Membrane）是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式，是以充气膜结构的形式出现，世界上第一座充气膜结构建成于1946年，设计者为美国的沃尔特·勃德（W.Bird），这是一座直径为15的充气穹顶。1967年在德国斯图加特召开的第一届国际充气结构会议，无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂。随后各式各样的充气膜结构建筑出现在1970年大阪世界博览会上。

充气膜结构它是以柔性结构体系来承受风荷载和雪荷载等各种外荷载的作用，由于膜结构的特点以及膜材的特殊性，充气膜结构的设计分析过程也不同于以往的钢筋混凝土和钢结构。充气膜结构的结构计算包括初始形态分析、受荷分析及模态分析等内容。充气膜结构的结构分析包括3个阶段：忽略其自身微小的自重和自平衡预张力，不承受任何外部荷载的零态；在确定的边界条件及施加预应力的分布和大小后所形成的初始态；在外荷载、自重及考虑材料张力作用的工作态。它们之间的膜面主应力方向、预张力的大小变化、形态变形过程和趋势等是相互联系、相互制约的，必须从全过程、一体化的角度加以考虑。

1.2 迅速发展

索膜结构作为新的建筑形式自出现，特别是到了20世纪70年代以后，索膜结构的应用得到了迅速发展，在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中，膜结构的出现为建筑师们提供了超出传统建筑模式以外的新选择。

1988年建成的日本东京室内棒球馆（Tokyo Dome“Big Egg”），是一座有55000个座位的体育馆（室内净面积46767m2），该设计是建筑行业的一种强有力的蜕变过程，其蛋形屋顶为具有弹性的薄膜，一般会把巨蛋内的气压控制在比巨蛋外高0.3%以维持蛋顶外型。结构从根本上克服传统结构在大跨度（无支撑）建筑上实现时所遇到的困难，创造了巨大的无遮挡的可视空间。其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、安装快捷、节能、使用安全等优点。另外值得一提的是，在阳光的照射下，由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光，无强反差的着光面与阴影的区分，室内的空间视觉环境开阔和谐。夜晚，建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空，建筑物的体型显现出梦幻般的效果。

1.3 膜结构在国内的发展

在世界建筑业的迅速发展中，中国现代空间结构的发展受到了西方国家先进技术的影响。近几年来，在索膜结构应用上显示了活跃的趋势。虽然一开始工程规模不大，但已逐渐扩展到更大的面积和跨度。所采用的技术与材料在某种程度上还要依靠国外，但预计会有更多的工程依靠自己的力量来完成。

在过去10年中，中国的许多城市都在筹划建设新的体育设施。由于其重量很轻的优点，膜结构往往被采用，体育建筑可以说是膜结构在中国应用的突破口。1997年之前，只建造了少量的小型与中型的膜结构，同年在上海举行的第七届全国运动会，膜结构被用在主体育场的看台挑篷，总面积达36100m2。这是中国第一次将膜材制成的屋顶用在大面积的永久性建筑上，具有深远的影响。

上海体育馆鲜明特点是大跨度、大空间，其外形既充分展示了体育运动的力度和气势，又体现了简洁流畅的整体风格，是建筑技术和建筑艺术完美的结合。观众席上方采用马鞍形大悬挑钢管空间屋盖结构，覆以乳白色半透明膜结构的顶面，面积为3.6万平方米，主席台正上方的一根最长单臂悬挑梁长73.5m，为世界建筑史之最。

在上海体育场成功的建成后，虽然它的价格仍高于传统的结构，又出现了一些膜结构屋顶的体育场。颐中体育场坐落在山东省的滨海城市青岛，这是中国第一个靠自己力量设计与施工的大型膜结构体育场，外包尺寸为266m×180m，可容纳6万观众。悬挑40m的屋盖是一个包括膜、索和钢支承结构的典型张拉体系，整个屋盖由70个锥形索膜单元组成，总面积为30000m2。环顾整个中国大地，膜结构成为覆盖主体育场的优选。

2 索膜体育馆的现状

目前，世界各地的索膜结构工程或研究领域的蓬勃发展，与现代科技发展，人类面临的任务，保护自然环境，建设了索膜功能和使用的不断扩大，结构跨度或高度的增加，从而索膜建筑开始在世界上广阔的应用。索膜结构是目前发展很快的一种新型空间结构，是一种效率极高的张力集成体系，可以充分发挥钢索的强度与张拉整体结构的空间作用。这种结构以造型新颖、质轻透光等优点在全球得到了推广应用，成为体育建筑、会展中心、商业设施、交通站场等屋盖的主要选型。

随着社会的发展和进步，以及建筑空间观念的日益深化和科学手段的不断提高，人们更注重追求更好的生活，“回归自然”、“沐浴自然之温馨”已是现代建筑环境学发展的主流。传统建筑室内外的视线越来越模糊，出现了许多亦内亦外、相互渗透的不定空间，由于膜材的光透性，白天阳光可以透过膜材形成慢射光，使膜覆盖空间内达到和室外几乎一样的自然效果，因此膜结构能创造出与自然环境相媲美的空间形式。一个新的膜结构和现代技术的结合，以其优越的实用性和美观性是越来越多的人所接受和喜爱在现代建筑中的广泛应用和当代建筑的发展，注入了新的活力。

2.1 索膜结构-膜结构设计

索膜结构设计主要包括以下内容：

（1）初始态分析：确保生成形状稳定、应力分布均匀的三维平衡曲面，并能够抵抗各种可能的荷载工况，这是一个反复修正的过程。

（2）荷载态分析：张拉膜结构自身重量很轻，仅为钢结构的1/5，混凝土结构的1/40；因此膜结构对地震力有良好的适应性，而对风的作用较为敏感。此外还要考虑雪荷载和活荷载的作用。由于目前观测资料尚少，故对膜结构的设计通常采用安全系数法。

（3）主要结构构件尺寸的确定，及对支承结构的有限元分析。当支承结构的设计方法与膜结构不同时，应注意不同设计方法间的系数转换。

（4）连接设计：包括螺栓、焊缝和次要构件尺寸。

（5）剪裁设计：这一过程应具备必要的试验数据，包括所选用膜材的杨氏模量和剪裁补偿值（应通过双轴拉伸试验确定）。

2.2 索膜结构方案问题

索膜结构在方案阶段需要考虑的问题有：

（1）预张力的大小及张拉方式；

（2）根据控制荷载来确定膜片的大小和索的布置方式；

（3）考虑膜面及其固定件的形状以避免积水（雪）；

（4）关键节点的设计，以避免应力集中；

（5）考虑膜材的运输和吊装；

（6）耐久性与防火考虑。

2.3 膜结构施工技术

膜结构一般是由多种高强薄膜材料及加强构件通过一定方式使其内部产生一定的张应力，加上高强度材料钢索、钢结构、混凝土结构的采用，使其成为能承受一定外荷载作用力，适合跨度大空间而形成无柱的大跨度结构体系。该体系自重轻、造型可以灵活多样，具有良好的环保性、透光性、自清洁性，更具有良好的防火性和抗震性，它可以打破纯直线建筑风格模式达到了刚与柔、力与美的完美结合。

膜安装时要安排好和主体结构安装单位的关系，协调相互间的进度；施工时注意天气预报，保证在整个安装过程中无四级以上大风和大雨；安装过程中发生膜面破损需要立即进行修补，膜面应力张拉不可一次到位，以防主体结构侧向失稳，应分块逐步张拉到位；膜面张拉到位后，监理将会同安装单位质检人员对膜面张力按照结构设计提供的膜面应力值、测试部位和测试工具对膜面应力进行全面检查验收，另外做好防水密封工作。

2.4 索的制作

钢索制作一般包括下料、编束、预张拉、防护等几个程序。为了使钢索在受荷后各根钢丝或钢股均匀受力，制索下料时应尺寸精确、等长。一般采用“应力”下料，即将开盘、调直后的钢丝或钢绞线在一定张拉力状态下号料，在拉应力下钢丝或钢绞线可以拉直，消除一些非弹性因素对长度的影响；此外还要注意同一工程所有的索号料的张力保持一致。钢丝或钢绞线的切断应采用切割机或摩擦锯片，不得采用电弧切割或气切割。

2.5 索的安装

各类钢索在使用前都必须进行预张力，以消除的非弹性形变，保持索在使用阶段的弹性工作。索要经过2～3次反复张拉后，工作性能才能比较稳定。

索头的安装根据索头种类的不同，其安装方法也不一样。索头将索与索具直接连接起来，索头设计和加工正确，索端头的强度一般都能达到索的极限拉伸强度。索和索头的耐腐蚀性较差，裸露在大气作用下会产生锈蚀，索锈蚀以后，截面积减小，承载力降低，结构的使用寿命缩短，因此，防锈对索膜结构来说是至关重要的。

3 索膜结构发展趋势

索膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式，它以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧，形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。膜结构已成为结构设计选型中的一个主要方案，也成为化纤纺织品应用的一个重要领域，在中国建筑结构中也有长足的进展。

现阶段国内有好多厂家都能生产有PVC涂层聚酯织物，但其性能尚未能完全达到建筑织物的要求，作为建筑用的永久性材料尚需进一步提高。到目前为止，国内外对索膜结构的设计理论、设计方法与施工技术开展了相对系统的研究和工程实践；我国也制定了《索膜结构设计规程》，但尚缺相应的施工技术规范，尤其是在索膜结构的安全使用与维护方面研究甚少，这是索膜结构的一个缺憾。

据悉最近有些公司正在试制有PVDF面层的聚酯织物和PTFE玻璃纤维织物，外观与性能都大有改进。近一段时间来，国外媒体表现出了对中国建筑设计前所未有的关注。近年来的美国《商业周刊》评选出了中国十大新建筑奇迹，包括北京奥体主会场、国家游泳中心、北京首都国际机场、上海世界金融中心、国家大剧院、中央电视台、上海崇明东滩生态城、当代MOMA、长城脚下的公社、东海大桥（上海）。其中地处北京的建筑就有七家之多。“中国正逐步成为当今最具有创意性建筑和工程设计的舞台。”中国建筑事业的发展，正在为今日最顶尖建筑及工艺技术创造一个舞台。

4 结语

索膜结构作为一种较新颖的大跨度空间结构建筑形式，由于其所用材料及受力体系特殊性的特点，所以在施工中必须做到科学统筹，尽量做到设计、施工统一配合，建议索膜结构专业施工单位应定期安排设计人员到施工现场观摩学习，以使设计与施工、理论与实践完美结合，从而改进施工质量，提升以索膜结构为代表的一系列空间结构体系施工水平。

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[责任编辑：王楠]