概述

         膜结构建筑作为新的建筑形式于本世纪五十年代在国际上开始出现，至今已有五十多年的历史，特别是到了七十年代以后，膜结构的应用得到了迅速发展。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。

介绍

         膜结构建筑(Membrane)是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式，是由多种高强薄膜材料(PVC或Teflon)及加强构件（钢架、钢柱或钢索）通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构建筑可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。充气膜结构是靠室内不断充气，使室内外产生一定压力差（一般在10㎜～30㎜水柱之间）,室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力，从而实现较大的跨度。张拉摸结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型，其造型非常优美灵活。

        膜结构建筑作为一种建筑体系所具有的特性主要取决于其独特的形态及膜材本身的性能。恰由于此，用膜结构建筑可以创造出传统建筑体系无法实现的设计方案。

膜材的组成

         膜结构所用膜材料由基布和涂层两部分组成.基布主要采用聚酯纤维和玻璃纤维材料；涂层材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材为聚酯纤维覆聚氯乙烯（PVC）和玻璃纤维覆聚聚四氟乙烯（Teflon）。PVC材料的主要特点是强度低、弹性大、易老化、徐变大、自洁性差，但价格便宜，容易加工制作，色彩丰富，抗折叠性能好。为改善其性能，可在其表面涂一层聚四氟乙烯涂层，提高其抗老化和自洁能力，其寿命可达到15年左右。Teflon材料强度高、弹性模量大、自洁、耐久耐火等性能好，但它价格较贵，不易折叠，对裁剪制作精度要求较高，寿命一般在30年以上，适用于永久建筑。

膜结构建筑发展历程

       世界上最早的膜结构建筑出现在1970年大阪世博会，此后膜结构建筑得到了很大的发展。

        1975年在美国密执安州庞提亚克兴建了平面尺寸243.9X183m的银色穹顶，这是第一次将气承式膜结构建筑应用于永久性的大型体育馆。其后在北美地区，类似的膜结构就建了9座，其中象美国的明尼阿波利斯和加拿大的温哥华均位于北方地区。虽然象这样的充气结构也发生过几次不愉快的坍塌事故，但是膜结构终于登堂入室，进入永久性建筑的行列。日本在徘徊了10多年之后，也在1988年修建东京后乐园棒球场时采用了气承式膜结构建筑。

        1986年以后，在美国建造的大型体育馆就没有采用过空气膜结构建筑，对于有些已建成的体育馆，其膜材将达到保证的使用年限，需改建时也不再考虑采用气承式膜结构。不过由于其造价低廉、安装方便，中小跨度的健身房、网球馆、仓库等，气承式膜结构还是受到欢迎。

        位于号称日本雪国的秋田县，最深积雪可达150cm。1990年建造了天空穹顶体育馆，其外形从球体截取，长边为130m、短边为100m。这座体育馆的设计构思来源于当地著名的雪窑洞，但置身其中又有在户外的感觉。屋盖承重是正交的格构式空间拱系，沿长方向采用空腹拱并设有钢索，沿短方向采用钢管拱。长向钢索被用来对膜面施加张力，同时与骨架在屋面形成V形槽沟，以便于雪滑落。紧贴屋面的钢管拱被用作输送暖风的通道，既起到融雪的作用，也解决了膜面的结露问题。膜材为单层玻璃纤维织物，透光率可达10%，在场中仰望屋顶，给人以通透明亮的感觉。在寒冷地区建造大跨度膜结构，秋田天空穹顶是一个成功的范例。

        在全世界众多的纪念性建筑中，英国所建造的千年穹顶（Millennium Dome）尤为突出。当2000年子夜的钟声敲响时,在伦敦泰晤士河畔五彩缤纷焰火的照耀下，千年穹顶以它银白色的圆顶迎接新的千禧年。这座直径 320m、以 12根高山100m的桅杆所支承的圆球形屋顶采用了膜结构建筑。正是这座穹顶集中体现了20世纪建筑技术的精华，用它来迎接新世纪，的确是再恰当不过了。

        水立方”是世界上最大的膜结构工程，建筑外围采用世界上最先进的环保节能ETFE(四氟乙烯)膜材料。2008年北京奥运会标志性建筑物之一。其与国家体育场分列于北京城市中轴线北端的两侧，共同形成相对完整的北京历史文化名城形象。

建筑特点

        1、 轻质：张力结构自重小的原因在于它依靠预应力形态而非材料来保持结构的稳定性。从而使其自重比传统建筑结构的小得多，但却具有良好的稳定性。建筑师可以利用其轻质大跨的特点设计和组织结构细部构件，将其轻盈和稳定的结构特性有机地统一起来。

        2、 透光性：透光性是现代膜结构最被广泛认可的特性之一。膜材的透光性可以为建筑提供所需的照度，这对于建筑节能十分重要。对于一些要求光照多且亮度高的商业建筑等尤为重要。通过自然采光与人工采光的综合利用，膜材透光性可为建筑设计提供更大的美学创作空间。夜晚，透光性将膜结构变成了光的雕塑。

        膜材透光性是由它的基层纤维、涂层及其颜色所决定的。标准膜材的光谱透射比在10%~20%之间，有的膜材的光谱透射比可以达到40%，而有的膜材则是不透光的。膜材的透光性及对光色的选择可以通过涂层的颜色或是面层颜色来调节。

        通过膜材和透光保温材料的适当组合，可以使含保温层的多层膜具有透光性。即使光谱透射只有几个百分点，膜屋面对于人眼来说依然是发亮和透光的，具有轻型屋面的观感。

       3、柔性：张拉膜结构不是刚性的，其在风荷载或雪荷载的作用下会产生变形。膜结构通过变形来适应外荷载，在此过程中荷载作用方向上的膜面曲率半径会减小，直至能更有效抵抗该荷载。

       张拉结构的灵活性使其可以产生很大的位移而不发生永久性变形。膜材的弹性性能和预应力水平决定了膜结构的变形和反应。适应自然的柔性特点可以激发人们的建筑设计灵感。

       不同的膜材的柔性程序也不相同，有的膜材柔韧性极佳，不会因折叠而产生脆裂或是破损，这样的材料是有效实现可移动、可展开结构的基础和前提。

       4、 雕塑感：张拉膜结构的独特曲面外形使其具有强烈的雕塑感。膜面通过张力达到自平衡。负高斯膜面高低起伏具有的平衡感使体型较大的结构看上去像摆脱了重力的束缚般轻盈地飘浮于天地之间。无论室内还是室外这种雕塑般的质感都令人激动。

        张拉膜结构可使建筑师设计出各种张力自平衡、复杂且生动的空间形式。在一天内随着光线的变化，雕塑般的膜结构通过光与影而呈现出不同的形态。日出和日落时，低入射角度的光线将突现屋顶的曲率和浮雕效果，太阳位于远地点时，膜结构的流线型边界在地面上投入弯弯曲曲的影子。利用膜材的透光性和反射性，经过设计的人工灯光也可使膜结构成为光的雕塑。

        5、 安全性：按照现有的各国规范和指南设计的的轻型张拉膜结构具有足够的安全性。轻型结构在地震等水平荷载作用下能保持很好的稳定性。

        由于轻型结构自重较轻，即使发生意外坍塌，其危险性也较传统建筑结构小。膜结构发生撕裂时，若结构布置能保证桅杆、梁等刚性支承构件不发生坍塌，其危险性会更小。

        膜结构的柔性使其在任一荷载作用下均以最有利的形态承载。当然，结构的布置和形状要根据荷载情况来进行设计和调整。设计要确何膜面与其辅助结构协调工作，以避免力在膜面或辅助结构上集中而达结构破坏的临界值。

建筑形式

建筑体系：膜结构体系由膜面、边索和脊索、谷索、支承结构、锚固系统，以及各部分之间的连接节点等组成。

支承分类：膜结构按支承条件分类为：柔性支承结构体系、刚性支承结构体系、混合支承结构体系。

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3种形式

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，且经济效益高等特点，广泛适用于任何大,小规模的空间。

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

       以膜材、钢索及支柱构成，利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安 定的形式。除了可实践具创意，创新且美观的造型外,也是最能展现膜结 构精神的构造形式. 近年来，大型跨距空间也多采用以钢索与压缩材构成钢索网来支撑上部膜材的形式。因施工精度要求]高，结构性能强，且具丰 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，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，及钢索作为辅助材,无需任何梁,柱支撑，可得更大的空间，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。

        现今，城市中已越来越多地可以见到膜结构的身影。膜结构已经被应用到各类建筑结构中，在我们的城市中充当着不可或缺的角色：

应用领域

       1.娱乐空间：近年来，随着建筑空间观念的日益深化以及科学手段的不断提高，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。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，如：天井、四季厅、动植物园、体育、文化娱乐场所等。由于膜材的光透性，白天阳光可以透过膜材形成慢射光，使室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。

         2.标志性小品：一个城市的中心区反映一个城市的地理风貌和民族风情，同时，也是一个城市文化发展程度的标志。而景观设计要求其具有广泛的可读性、雅俗共赏，既有超凡脱俗的艺术价值，又能使大众喜闻乐见与大众息息相通。膜结构以其鲜明的个性和标识性，应用于城市小品设计中。

       3.绿色漫步道：近年来，在人口密集的大城市，在居住区周边配置绿色空间并有人行步道。居民可以在不受车辆的影响下，在居住区附近的街心地带轻松愉快地散步、休憩，而感到十分惬意。在绿色空间中构造一座膜小品，即生动的美化了环境--如同广阔绿洲中的点点白帆，又有很强的功能性--人们可以在行走之暇小憩一会儿。

       4.商业街：商业街在城市中占有相当大的比重。商业街的建筑与环境是城市文明的窗口，代表着物质文明和精神文明的水平，同时，也是景观环境的重要组成部分。膜结构轻巧别致极具现代化风格，且易于安装移动，在商业街设计中得以广泛应用。

       5.建筑入口：建筑入口使城市公共空间与建筑空间相邻的界面，成为城市空间的组成部分。它是人们视觉最先接触的部分，因此，除了功能以外，还应有很强的标识性，并能体现建筑的个性，是建筑环境和城市景观的重要组成部分。由于膜结构独特的造型是其他结构类型无法比拟的，故成为近来建筑入口经常采用的形式。

       6.步行街：利用膜结构轻巧，别致的造型建造各种半封闭，全封闭的不行空间，使其形成全天候的 建筑空间，提供防风雨，防日晒等人工环境，并有较好的标识招揽效果，因此是步行街改造和新建的绝佳选择。

       7.停车场：随着都市现代化步伐的加快,汽车成为任何一个都市不可缺少的交通工具。我国由于汽车工业高速发展，城市的汽车拥有量成倍上升，但城市建设规划没能尽快适应这一发展的要求，常常是车无停放之地。所以在建设群规划时就应充分考虑停车场的问题，把停车场的建设和规划当成现代城市建设规划的重要组成部分，变得越来越重要。同样，膜结构在停车场建设中也担当重要角色。

        生活在现代都市的人们已经从过去以谋生为目的的社会行为走上了以乐生为目的的新台阶，在精神上追求健康向上，愉快和富有人性的文化环境。现代建筑环境是现代城市，现代文化与社会，现代人的生活和观念的综合表象。在展现人的个性化，自娱性和多元性环境空间方面，膜结构以其独具魅力的建筑形式，必将会在环境建设中得到越来越广泛的应用。

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