浅谈膜结构的发展及应用

张莹

膜结构是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间结构形式，是21世纪最具代表性与充满前途的建筑形式，它通过施加预应力，使结构具有一定的刚度以承受各种荷载作用，其设计思路和设计步骤与传统结构相比都有很大的不同，索膜结构用高强度柔性薄膜材料经受其他材料的拉压作用而形成的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形式，其造型自由、轻巧、柔美、充满力量感，阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于使用、安全等优点，因而自1970年代以来，膜结构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。

膜材表面采用PVDF（聚偏二氟乙烯）涂层、或二氧化钛涂层，具有较好的隔热效果，对太阳热能可反射掉70%，膜材本身吸收了17%，传热13%，而透光率却在20%以上，经过1年的太阳光直接照射，其灰度仍能保留70%，膜结构中所使用的膜材料每平方1公斤左右，由于自重轻，加上钢索、钢结构高强度材料的采用，大部分的力以轴力传递使受力体现简洁合理，因此膜结构适合大跨度空间结构体系。膜结构建筑所采用的膜材具有卓越的阻燃性和耐高温性，故能很好的满足防火要求。由于结构自重轻，又为柔性结构且有较大变形能力，故抗震性能好。工期短：膜材裁剪。拼合成型及骨架的钢结构、钢索均在工厂加工制作，现场只需组装，施工简便，故施工周期比传统建筑短。

1 常见的膜结构分类

从结构上分可分为：骨架式膜结构，张拉式膜结构，充气式膜结构。

1.骨架式膜结构（Frame Supported Structure）

以钢构或是集成材构成的屋顶骨架，在其上方张拉膜材的构造形式，下部支撑结构安定性高，因屋顶造型比较单纯，开口部不易受限制，经济效益高等特点，骨架式膜结构中的膜面仅仅起到对框架结构的维护作用，框架结构可以是传统的刚性结构，也可以是各类索结构 ，因此广泛适用于任何大，小规模的空间。

2.张拉式膜结构（Tension Suspension Structure）

张拉膜结构是通过边界条件给膜材施加一定预张应力，膜既是建筑的围护体又作为结构以抵抗外部荷载的作用，因此在一定的初始条件下，其形状的确定、在外荷载作用下膜中应力分布与变形以及怎样用二维的膜材料来模拟三维空间等一系列复杂问题，都通过计算确定，张拉膜结构的发展离不开计算机的进步和新算法的提出。但张拉膜结构因施工精度要求高，结构性能强，且具有丰富的表现力，所以造价略高于骨架式膜

结构。

3.充气式膜结构（Pneumatic Structure）

充气式膜结构是将膜材固定于屋顶结构周边，依靠曲面内外气压差来维持膜曲面的形状，利用送风系统让室内气压上升到一定压力后，使屋顶内外产生压力差，以抵抗外力，因利用气压来支撑，充气式膜结构是在膜结构构成的室内冲入空气，保持室内的空气压力始终大于室外的空气压力，由此使膜材料处于张力状态来抵抗荷载及外力的构造形式，及钢索作为辅助材，无需任何梁，柱支撑，可得更大的空间，气膜结构分为单层结构和双层结构，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、建造简单特点，但需要不断输入超压气体及需日常维护管理。双层结构是双层膜之间充入气体，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，施工快捷，经济效益高，但需维持进行24小时送风机运转，在持续运行及机器维护费用的成本上较高。

2 膜结构应用材料

目前膜材料建筑中最常用的材料主要有聚四氟乙烯（PTFE）膜材、聚氯乙烯（PVC）膜材和加面层的PVC膜材：PVDF膜材和PVF膜材。

PTFE類膜材料商品名叫特氟隆（Teflon），是在玻璃纤维布基上敷聚四氟乙烯树脂（简写PTFE），树脂含量大于90%，PTFE膜的特性是耐久性、防火性与防污性高。但PTFE膜与PVC膜比较，材料费与加工费高，且柔软性低，在施工上为避免玻璃纤维被折断，必须有专用的工具与施工技术。

PVC类膜材料的布基织物为聚酯或聚氨酯等，涂层为PVC树脂，或氯丁橡胶类物质，一般另加有聚氟乙烯（PVF）或聚偏氟乙烯（PVDF）类面层。PVC膜材在材料及加工上都比PTFE膜便宜，且具有材质柔软、易施工的优点，但在强度、耐用性、防火性等性能上较PTFE膜差。为了改善PVC膜材的耐火性及防污性，近年来已研发出以氟素系树脂于PVC涂层材的表面处理上做涂层。

为了解决PVC膜材的自洁性，在PVC涂层上再涂上PVDF膜材料。PVDF是聚偏氟乙烯的简称，可以抵抗由紫外线引起的降解，颜色变化，失去光泽，抵抗腐蚀，抵抗脏污，抵抗发霉。PVDF膜与一般的PVC膜比较，耐用年限可达7～10年左右，耐火性基本上达到了难燃级水平。

PVF膜材是在PVC膜的表面处理上以PVF树脂做薄膜状薄片加工，比PVDF膜的耐久性更佳，且具有防油污的优点。但因加工性、施工性与防火性不佳，使用受到一定的限制。

3 膜结构的工程实例及应用

2008年竣工的北京奥运会场馆“鸟巢”和“水立方”膜结构采用ETFE膜材，是目前国内最大的ETFE膜材结构建筑，“鸟巢”采用双层膜结构，外层用ETFE防雨雪防紫外线，内层用PTFE达到保温、防结露、隔音和光效的目的。“水立方”采用双层ETFE充气膜结构，共1437块气枕，气枕可以通过控制充气量的多少，对遮光度和透光性进行调节，有效地利用自然光，节省能源，并且具有良好的保温隔热和消除回声。随着国内一些大型体育馆、候机大厅等建设以及2010年上海世博会和广州亚运会等国际盛会的举办，为中国膜结构的发展带来了机遇和挑战。尤其在膜材方面，中国起步晚，技术水平低，大部分膜材还主要依靠进口。PTFE、PVC和表面改性的PVC、ETFE等膜材是市场的主流，应用比较广泛。中国已有PTFE膜材的自主知识产权，性能也基本达到国外同类产品的要求。

由于膜结构新颖美观的造型和多变的色彩，还可用于标志性建筑，例如城市与地方的标识等。然而，目前膜结构在我国尚处于小范围试验阶段，但随着我国经济实力的增强，新工艺、新材料、新设备的出现，膜材料建筑将成为我国21世纪空间结构的发展主流。

参考文献

[1]《拉索预应力网格结构的分析理论、施工控制与优化设计》东南大学出版社。

[2]《膜结构工程设计》中国建筑工业出版社。

[3]《CECS158-2004膜结构技术规程》中国计划出版社

[4]《空间网格结构》中国建筑工业出版社。

张莹

膜结构是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间结构形式，是21世纪最具代表性与充满前途的建筑形式，它通过施加预应力，使结构具有一定的刚度以承受各种荷载作用，其设计思路和设计步骤与传统结构相比都有很大的不同，索膜结构用高强度柔性薄膜材料经受其他材料的拉压作用而形成的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形式，其造型自由、轻巧、柔美、充满力量感，阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于使用、安全等优点，因而自1970年代以来，膜结构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。

膜材表面采用PVDF（聚偏二氟乙烯）涂层、或二氧化钛涂层，具有较好的隔热效果，对太阳热能可反射掉70%，膜材本身吸收了17%，传热13%，而透光率却在20%以上，经过1年的太阳光直接照射，其灰度仍能保留70%，膜结构中所使用的膜材料每平方1公斤左右，由于自重轻，加上钢索、钢结构高强度材料的采用，大部分的力以轴力传递使受力体现简洁合理，因此膜结构适合大跨度空间结构体系。膜结构建筑所采用的膜材具有卓越的阻燃性和耐高温性，故能很好的满足防火要求。由于结构自重轻，又为柔性结构且有较大变形能力，故抗震性能好。工期短：膜材裁剪。拼合成型及骨架的钢结构、钢索均在工厂加工制作，现场只需组装，施工简便，故施工周期比传统建筑短。

1 常见的膜结构分类

从结构上分可分为：骨架式膜结构，张拉式膜结构，充气式膜结构。

1.骨架式膜结构（Frame Supported Structure）

以钢构或是集成材构成的屋顶骨架，在其上方张拉膜材的构造形式，下部支撑结构安定性高，因屋顶造型比较单纯，开口部不易受限制，经济效益高等特点，骨架式膜结构中的膜面仅仅起到对框架结构的维护作用，框架结构可以是传统的刚性结构，也可以是各类索结构 ，因此广泛适用于任何大，小规模的空间。

2.张拉式膜结构（Tension Suspension Structure）

张拉膜结构是通过边界条件给膜材施加一定预张应力，膜既是建筑的围护体又作为结构以抵抗外部荷载的作用，因此在一定的初始条件下，其形状的确定、在外荷载作用下膜中应力分布与变形以及怎样用二维的膜材料来模拟三维空间等一系列复杂问题，都通过计算确定，张拉膜结构的发展离不开计算机的进步和新算法的提出。但张拉膜结构因施工精度要求高，结构性能强，且具有丰富的表现力，所以造价略高于骨架式膜

结构。

3.充气式膜结构（Pneumatic Structure）

充气式膜结构是将膜材固定于屋顶结构周边，依靠曲面内外气压差来维持膜曲面的形状，利用送风系统让室内气压上升到一定压力后，使屋顶内外产生压力差，以抵抗外力，因利用气压来支撑，充气式膜结构是在膜结构构成的室内冲入空气，保持室内的空气压力始终大于室外的空气压力，由此使膜材料处于张力状态来抵抗荷载及外力的构造形式，及钢索作为辅助材，无需任何梁，柱支撑，可得更大的空间，气膜结构分为单层结构和双层结构，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、建造简单特点，但需要不断输入超压气体及需日常维护管理。双层结构是双层膜之间充入气体，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，施工快捷，经济效益高，但需维持进行24小时送风机运转，在持续运行及机器维护费用的成本上较高。

2 膜结构应用材料

目前膜材料建筑中最常用的材料主要有聚四氟乙烯（PTFE）膜材、聚氯乙烯（PVC）膜材和加面层的PVC膜材：PVDF膜材和PVF膜材。

PTFE类膜材料商品名叫特氟隆（Teflon），是在玻璃纤维布基上敷聚四氟乙烯树脂（简写PTFE），树脂含量大于90%，PTFE膜的特性是耐久性、防火性与防污性高。但PTFE膜与PVC膜比较，材料费与加工费高，且柔软性低，在施工上为避免玻璃纤维被折断，必须有专用的工具与施工技术。

PVC类膜材料的布基织物为聚酯或聚氨酯等，涂层为PVC树脂，或氯丁橡胶类物质，一般另加有聚氟乙烯（PVF）或聚偏氟乙烯（PVDF）类面层。PVC膜材在材料及加工上都比PTFE膜便宜，且具有材质柔软、易施工的优点，但在强度、耐用性、防火性等性能上较PTFE膜差。为了改善PVC膜材的耐火性及防污性，近年来已研发出以氟素系树脂于PVC涂层材的表面处理上做涂层。

为了解决PVC膜材的自洁性，在PVC涂层上再涂上PVDF膜材料。PVDF是聚偏氟乙烯的简称，可以抵抗由紫外线引起的降解，颜色变化，失去光泽，抵抗腐蚀，抵抗脏污，抵抗发霉。PVDF膜与一般的PVC膜比較，耐用年限可达7～10年左右，耐火性基本上达到了难燃级水平。

PVF膜材是在PVC膜的表面处理上以PVF树脂做薄膜状薄片加工，比PVDF膜的耐久性更佳，且具有防油污的优点。但因加工性、施工性与防火性不佳，使用受到一定的限制。

3 膜结构的工程实例及应用

2008年竣工的北京奥运会场馆“鸟巢”和“水立方”膜结构采用ETFE膜材，是目前国内最大的ETFE膜材结构建筑，“鸟巢”采用双层膜结构，外层用ETFE防雨雪防紫外线，内层用PTFE达到保温、防结露、隔音和光效的目的。“水立方”采用双层ETFE充气膜结构，共1437块气枕，气枕可以通过控制充气量的多少，对遮光度和透光性进行调节，有效地利用自然光，节省能源，并且具有良好的保温隔热和消除回声。随着国内一些大型体育馆、候机大厅等建设以及2010年上海世博会和广州亚运会等国际盛会的举办，为中国膜结构的发展带来了机遇和挑战。尤其在膜材方面，中国起步晚，技术水平低，大部分膜材还主要依靠进口。PTFE、PVC和表面改性的PVC、ETFE等膜材是市场的主流，应用比较广泛。中国已有PTFE膜材的自主知识产权，性能也基本达到国外同类产品的要求。

由于膜结构新颖美观的造型和多变的色彩，还可用于标志性建筑，例如城市与地方的标识等。然而，目前膜结构在我国尚处于小范围试验阶段，但随着我国经济实力的增强，新工艺、新材料、新设备的出现，膜材料建筑将成为我国21世纪空间结构的发展主流。

参考文献

[1]《拉索预应力网格结构的分析理论、施工控制与优化设计》东南大学出版社。

[2]《膜结构工程设计》中国建筑工业出版社。

[3]《CECS158-2004膜结构技术规程》中国计划出版社

[4]《空间网格结构》中国建筑工业出版社。