国内外充气膜结构发展研究综述

贾碧原，宗兰，陈德根

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京211167）

0 引言

建筑结构顶部受自身材料重力、跨度、经济性等各种因素的影响，在建筑设计时受到各种各样的限制。这些限制因素阻碍了空间结构体系的发展以及建筑内在意义的表达。膜结构作为现代空间结构体系中一个重要方向，是建筑学、计算机科学、结构力学、材料科学、现代化学和现代景观学等学科的综合产物。它是一种新型的建筑结构，在结构构件受力优异的前提下，为空间结构体系的发展提供了广阔的空间，使结构向大跨度大空间方向发展。

充气膜结构作为膜结构的重要组成部分，凭借高效率的结构受力性能、经济性、环保性、自重轻、大跨度、施工快、可回收、艺术性强等诸多的优越特点，被广泛应用于各类大跨度的建筑以及建筑的维护结构当中。其以柔性薄膜为主要材料，利用膜内外压力差来稳定结构的形状和刚度以进行承重。充气膜结构造型丰满，类型丰富，除了民用建筑之外，还能够广泛地在航空航天、农业、污染防治等诸多方面扩展，具有极大的发展应用空间。21世纪的大跨度空间结构式建筑，充气膜结构必将成为最具有代表性的结构形式之一。

然而，与平时所熟知的刚性结构相对，充气膜结构是一种典型的柔性结构体系，具有一套较为独特的设计和分析的理论体系。由于充气膜结构的膜材、结构特性的限制，其本身有着难以完善处理的缺陷，如膜结构受风荷载、雪荷载影响较为敏感。在风荷载或雪荷载较大的情况下，结构易发生一系列变形，进而导致膜材的撕裂或承载力的丧失，造成结构的失效，因此如果建立起相对完善的充气膜结构分析体系，采取措施降低风荷载以及雪荷载对结构的影响程度，实现充气膜结构和现有建筑的有机组合，制作出性能优越的薄膜材料，从而使充气膜结构维持良好的形态和受力性能，延长膜结构的使用年限，将会对充气膜结构的发展和应用有着重大的意义，进而推动大跨度空间结构的进一步发展。

1 膜结构的发展进程

1.1 国外充气膜结构的发展

现代意义上的膜结构，最开始时是以充气膜结构为主要形式出现并进行发展的。在1917年，英国人W.Lanchester提出了最早的充气膜构想，用鼓风机使膜布立起以作为临时性的医院，由于当时的物质技术条件的局限，只成为一种假想，并没有实现。直到1946年，一个直径15 m的球形多谱勒雷达穹顶由美国人Walter Bird建成，保护雷达免受天气影响的同时，又不对电波产生干扰，第一个充气膜结构从此问世。20世纪70年代的日本大阪万国博览会上，呈现了各式各样的优秀充气膜结构，膜结构屋顶开始系统地走向了世界。首次出现的大跨度气承式充气膜结构是由建筑师Davis Brody与工程师David Geiger共同完成创作的美国馆。川口卫设计的富士馆，是截至于今所建立的最大的气肋式充气膜结构。人们认为这是一场历史性的建筑转折，一个由刚性结构过度到柔性结构的开端。

但由于当时科学技术的限制，加上受天气的影响较大，几乎所有的充气场馆在使用中都出现过问题，加之张拉膜结构的兴起，大型充气膜结构逐渐被张拉膜取代。随着科技的发展和新型材料的出现，21世纪以来，充气膜结构再次焕发出光彩，受到建筑师们的追捧。造型丰富，各具特色的充气膜结构逐一呈现。本世纪初的瑞士气囊膜屋顶自行车竞技场；瑞士博览会在苏黎世建成的3个名为艺术海滩的膜结构展览馆；2006年世界杯中慕尼黑的安联体育场，其外墙设计有充满惰性气体的气枕，夜晚比赛可以发出不同的颜色。气囊的网格化、精小化并与其他结构体系相结合等将是未来气囊膜的发展趋势。

1.2 国内充气膜结构的发展

国内的充气膜结构发展起步较晚，但是我国率先进行的张拉膜结构的有关研究，为充气膜结构的发展奠定了一定的理论基础。国内真正意义上充气膜结构工程的开端，是20世纪90年代北京建成的房山游泳馆，同年在鞍山建成的农委游泳馆。尽管起步较晚，但是国内充气膜结构的发展势头迅猛，尤其是北京奥运会的开展，重新为其发展注入了强大的动力。作为奥运会比赛场馆之一的“水立方”，是当前世界上最大的膜结构工程，采用3 000多个大小各异的ETFE透明气垫作为墙体填充构件，建筑外层膜结构透明轻巧，具有良好的自洁性，尘埃可随雨水排除，同时给人以美轮美奂的视觉冲击和艺术感受，“水立方”做到了艺术、科技、环保的完美结合。并且膜材研究领域以此为契机，在境内开设了ETFE膜材的生产工厂，摆脱了膜材依赖高价进口的局面，进一步为膜结构的进一步发展奠定了基础。

2 充气膜结构的工作特点

2.1 充气膜结构的分类

充气膜结构是膜结构的重要分支，它是以优性能的薄膜为材料，通过膜内外形成的气压差，使膜面处于绷紧状态，形成具备一定刚度和形态的结构形式，从而抵抗外界施加的荷载。从充气膜的工作原理来分，充气膜结构可分为气承式膜结构和气囊式膜结构；从空间结构效用亦可分为单层膜和双层膜结构。气承式膜结构是将膜面周围固定在闭合的刚性支撑上，形成密闭空间，借用鼓风机增大室内气压，膜面受拉鼓起达到设计曲面，确保内外压差维持结构的形态和刚度。气承式充气膜结构需不断地鼓入空气，在暴雪、大风等恶劣的环境下，需要提高室内气压增加结构刚度来抵抗外部荷载。气囊式膜结构为双层封闭膜，通过向封闭膜空间内鼓入空气获得高压使膜面绷紧受拉，维持一定的形态和刚度。气囊式膜结构不需持续鼓入空气，对膜材要求较高，其与外部结构的组合性较强，可形成多式多样的建筑风格，具有浓重的艺术性。

2.2 充气膜结构的特点

在建筑领域，充气膜结构和传统建筑结构相比，除传统建筑功能之外，还具有下面等诸多优势。

（1）充气膜的自重较轻，膜的透光性、耐火性、耐久性、耐候性好，结构可实现大跨度，且跨中不需设置任何的支撑，可扩大建筑设计空间。

（2）充气膜膜材自身自洁性好且绿色环保，在雨水冲刷下可进行自我清洁，其膜材废弃后可回收重复利用。

（3）充气膜结构的经济性好，和传统的建筑相比，性价比高，其造价只有普通建筑的1/3至1/2左右，且施工快捷方便，工期可缩至传统建筑的一半，工厂化生产性强，从建设到运营及维护阶段花费极低。

（4）充气膜结构的空气过滤性能好，其通风系统可大量吸收空气中的颗粒粉尘，极大改善结构内部空间的空气环境且不受外界天气影响。

（5）充气膜结构的抗震性能杰出，为柔性结构，可承受较大的结构位移。

（6）充气膜结构适用性强，不仅可以用于临时性结构，还可以用于体育馆、工业厂房、仓库等大跨度的永久结构中，也无地区性的限制。

（7）和刚性建筑结构相比，充气膜结构的艺术性强，其结构外形丰富，变化性强，可形成独特新颖的造型，给以美轮美奂的艺术审美体验。

（8）与张拉膜结构相比，充气膜结构初始预应力源自内外气压差，张拉膜结构则是通过张拉索和支座位移实现，这是充气膜结构和张拉膜结构之间的本质区别。在抵抗外荷载方面，张拉膜通过曲面曲率变化来实现，充气膜结构通过曲面曲率变化和内压共同作用；初始形态分析方面，张拉膜结构的预应力和膜的几何形态是一一对应的，充气膜结构则是预应力、形态和压差三者相对应，且内压在其中起到了关键作用，直接对形态分析的结果产生影响；膜面受力上，张拉膜为平面受力，充气膜结构除平面应力外，还需考虑内压压力作用，受力分析较为复杂；膜面绷紧情况上，张拉膜结构受拉张力极大，膜面长期处于高度张拉状态，膜材较易起褶，并容易老化变形。而充气膜结构在正常使用状态下，其膜材内部仅需低压维持，就可受到较好保护，唯有在承担大量风荷载或雪荷载的状况下，提高结构内压，薄膜表面的应力增大，结构整体刚度和整体稳定性提高。

3 国内常见的充气膜结构形式

根据充气膜结构在建筑中所起的作用以及和不同建筑构件组合，目前国内的充气膜结构大致可分为以下几种形式：

（1）充气膜结构作为大跨度空间结构的主体构件，直接用于建筑结构顶部。例如富士康的可移动洁净厂房，厂房顶部直接采用充气膜结构，不仅扩大了厂房内部空间，气膜的降尘节能功能，亦有效地缓解了气体无组织排放的的问题，体现了绿色环保的主题。

（2）充气膜结构不直接承受结构顶部荷载，作为建筑结构的维护构件用于建筑中。“水立方”外墙体和屋面围护结构采用了气囊式膜结构，将ETFE透明气枕填充入类似细胞排列的钢结构骨架之中，使建筑物外观表现出水的流动状态，走入其中，整个空间都给人一种被水滴充满的感觉。同时，“水立方”气枕上的镀点还起到反射光线的作用，将强光以及多余热量挡在馆外，气枕中充入了惰性气体，在夜晚可呈现出不同色彩，给人强烈的美感和艺术感受。

（3）充气膜结构取代传统的钢模板和木模板，作为永不撤除的外模板，用于大型仓储。位于内蒙古自治区的葫芦素选煤厂，是典型的气膜混凝土穹顶球仓式结构。球仓采用充气膜结构和混凝土组合的形式，以充气后定型的大型气膜作为外模板，气膜内部喷涂聚氨酯作为保温材料，进而进行结构钢筋绑扎，放弃传统的混凝土浇筑选用喷射混凝土完成主要的结构。相比于其他结构形式的仓储结构，如球形网架、筒形、槽仓式储仓，气膜混凝土穹顶球仓的施工更为快捷，保温效果更加明显，容量更大，结构的刚性和稳定性更强，结构的经济效果更好。

4 充气膜结构当前存在的问题

（1）充气膜结构在动力荷载分析上的研究仍需发展，索膜协同工作研究缺少对摩擦力的分析。

（2）由于充气膜膜材的制约，膜材仍需不断改进以提高充气膜结构的耐久性。

（3）充气膜和混凝土组成的气膜混凝土穹顶球仓，充气膜结构和其他结构的有机组合仍有广阔的发展空间。

（4）充气膜结构受风荷载、雪荷载的影响仍比较敏感，需采取措施降低风雪对其的影响程度。

5 结语

我国虽然在充气膜结构上的研究起步较晚，但是发展还比较迅速。目前，国内关于充气膜结构的找形分析、荷载分析以及裁剪分析的研究取得了一系列进展，尤其在索膜协同工作上的研究取得了很大成果。

在不久的将来，随着充气膜结构的进一步试验研究，采取措施降低风雪荷载的影响，更加全面地对膜的受力进行分析，实现充气膜结构和现有建筑的有机组合，完善膜材的性能，增加其耐久性，将推动充气膜结构体系的完善和成熟，充气膜结构一定会得到更为广泛的应用。