膜結(jié)構(gòu)介紹

膜結(jié)構(gòu)介紹

一種適合建筑的新材料的出現(xiàn)，必然引建筑結(jié)構(gòu)的革命，如歷史上的混凝土

和鋼材，70年代以來(lái)，以歐美為中心發(fā)展起來(lái)的新型織物膜材，也是如此，用

這種優(yōu)良的織物，輔以柔性或鋼性支撐，可繃成一個(gè)曲率互反，有一定剛度和張

力的結(jié)構(gòu)體系。這種全新的建筑結(jié)構(gòu)形式，集建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料學(xué)與精細(xì)

化工、計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體，具有以下優(yōu)秀的特點(diǎn)：

1、造型的藝術(shù)性。它既能充分發(fā)揮建筑師的想象力，又能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件清

晰受力之類(lèi)。

2、良好的自潔性。膜建筑中采用具有防護(hù)涂層的膜材，可使建筑具有良好

的自潔效果，同時(shí)保證建筑的使用壽命。

3、施工的快捷性。膜建筑工程中所有加工和制作均在工廠內(nèi)完成，現(xiàn)場(chǎng)只

進(jìn)行半成品組裝，因此施工簡(jiǎn)便快捷，施工周期短。

4、較好的經(jīng)濟(jì)性。由于膜材具有一定的透光率，白天可減少照明強(qiáng)度和時(shí)

間，因而比較節(jié)約能源，降低了長(zhǎng)期使用費(fèi)用，同時(shí)夜間彩燈透射形成的絢爛景

觀也能達(dá)到很好的廣告宣傳效益。

5、 結(jié)構(gòu)自重輕，非常適合于建造大跨度空間結(jié)構(gòu)。

膜結(jié)構(gòu)的分類(lèi)

膜結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)受力特性大致可分為充氣式膜結(jié)構(gòu)、張拉式膜結(jié)構(gòu)

（Tension/Suspension membrane structure）、骨架式膜結(jié)構(gòu)（Frame membrane

strcture，Cable dome membrane structure）、組合式膜結(jié)構(gòu)（Compound membrane

structure）等幾大類(lèi)。

充氣式膜結(jié)構(gòu) 張拉式膜結(jié)構(gòu)

骨架式膜結(jié)構(gòu) 組合式膜結(jié)構(gòu)

膜 應(yīng) 用 領(lǐng) 域：

★ 體育設(shè)施： 體育場(chǎng)、健身中心、游泳館、網(wǎng)球館、籃球館等。

★ 商業(yè)設(shè)施： 商場(chǎng)、購(gòu)物中心、大型會(huì)展場(chǎng)所、餐廳、酒店（挑檐）等。

★ 文化設(shè)施： 展覽中心、劇院、會(huì)議廳、博物館、植物園、水族館、音樂(lè)廣場(chǎng)

等。

★ 交通設(shè)施： 機(jī)場(chǎng)、火車(chē)站、公交車(chē)站、收費(fèi)站、碼頭、加油站、天橋連廊等。

★ 工業(yè)設(shè)施： 工廠、倉(cāng)庫(kù)、科研中心、處理中心、溫室、物流中心等。

★ 景觀設(shè)施： 建筑入口、標(biāo)志性建筑或景觀性小品、廣場(chǎng)休閑區(qū)、海濱娛樂(lè)休

閑建筑、居住小區(qū)、游樂(lè)場(chǎng)、步行街、停車(chē)場(chǎng)、樓宇屋頂改造更新等。

與膜結(jié)合的結(jié)構(gòu)大約有下述幾類(lèi):

純鋼拱形結(jié)構(gòu)

采用傳統(tǒng)的梁柱系統(tǒng)，屋頂為圓拱式，柱梁間距一般為8m左右。

混凝土結(jié)構(gòu)主體加鋼拱

以上兩種最簡(jiǎn)單的膜結(jié)構(gòu)，依平面的形狀，如方形、菱形等，可有許多變化，拱

的間距依使用的膜材強(qiáng)度、設(shè)計(jì)荷載、風(fēng)力等確定。

混凝土主體結(jié)構(gòu)加鋼索

脊素為上彎，位于膜布下面，谷索為下彎，位于膜上面。兩種鋼索的彎向相反張

拉后造成相反方向的垂直力，使膜市受到垂直方向的張力，膜布中水平方向的張

力直接張拉形成。

混凝土主體結(jié)構(gòu)加鋼柱

張拉式帳篷膜結(jié)構(gòu)

大型（跨度在200m以上）氣撐式膜結(jié)構(gòu)

用扁鋼作的鋼索加上膜布，可以做成大跨度的巨型屋頂。這種建筑，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，

施工方便，經(jīng)濟(jì)效益高，無(wú)需維修。但因需常年維持封閉，進(jìn)出較不便，現(xiàn)己不

再新建，但仍不失為一種好的結(jié)構(gòu)形式。由于膜結(jié)構(gòu)需要精確的設(shè)計(jì)及剪裁，以

達(dá)到理想的效果，大衛(wèi)、蓋格和哥倫比亞大學(xué)的同僚邁克、馬克麥克和約塞夫、

賴(lài)特共同開(kāi)發(fā)了非線性鋼索計(jì)算程式，為氣撐式大型膜屋頂工程設(shè)計(jì)奠定了基

礎(chǔ)。自1973年至1978年，在世界各地一連建造了12座氣撐式膜結(jié)構(gòu)大型室內(nèi)

體育館，與同時(shí)期落成的其他球場(chǎng)比較，這些膜結(jié)構(gòu)的體育館不但價(jià)格便宜，而

且施工快。面積40000m2的銀頂球場(chǎng)的屋頂只用了11.5個(gè)月即全部完成。為世

界最大之室內(nèi)體育館。

鋼索穹頂

1980年左右，蓋格先生又創(chuàng)造了使用永久性結(jié)構(gòu)膜的新技術(shù)，這種新技術(shù)是基

于工程哲學(xué)家巴克明斯特．富勒的理論。富勒認(rèn)為現(xiàn)代的結(jié)構(gòu)都是在對(duì)抗地心吸

引力，不斷地爭(zhēng)取壓力的連續(xù)性，但自然界并非如此。這是一項(xiàng)看似平淡，實(shí)則

非常智慧的哲理，1983年他發(fā)表的文章中建議在結(jié)構(gòu)上逐步減少壓力的影響，

而增加張力的作用，富勒將他的新觀念命名為“張力式”,英語(yǔ)是張力（Tension）

和完整(Integrity）二字的合成。在這種理想的結(jié)構(gòu)中“壓力桿件是張力大海中

的一個(gè)小島”。蓋格先生對(duì)富勒的哲理，則有更進(jìn)一步的解釋?zhuān)?/span>他認(rèn)為“空間的

跨越是由連續(xù)的張力索和不連續(xù)的壓力桿”完成的。在這一理論基礎(chǔ)上，他提出

鋼索穹項(xiàng)由以下桿件組成：中央張力環(huán)經(jīng)由數(shù)目為四的倍數(shù)的脊索、環(huán)索、中繼

斜拉索、壓力桿和斜拉索而到達(dá)壓力環(huán)梁，形成一個(gè)完整封閉的張力拱結(jié)構(gòu)系

統(tǒng)。

現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的新發(fā)展

一、 概述

空間結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)的形態(tài)呈三維狀態(tài)，在荷載作用下具有三維受力特性并呈

空間工作的結(jié)構(gòu)。平板網(wǎng)架、網(wǎng)殼以及懸索結(jié)構(gòu)等空間結(jié)構(gòu)在我國(guó)得到了廣泛的

應(yīng)有，已為人們所熟悉。空間結(jié)構(gòu)與平面結(jié)構(gòu)相比具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外

應(yīng)用非常廣泛。特別是近年來(lái)，人們生活水平不斷提高，工業(yè)生產(chǎn)、文化、體育

等事業(yè)不斷進(jìn)步，大大增強(qiáng)了社會(huì)對(duì)空間結(jié)構(gòu)尤其是大跨度高性能空間結(jié)構(gòu)的需

求。而計(jì)算理論的日益完善以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使得對(duì)任何極其復(fù)雜的三

維結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)成為可能。這些正是空間結(jié)構(gòu)能夠擴(kuò)大應(yīng)用范圍得以蓬勃發(fā)

展的主要因素。近幾十年來(lái)，世界上建造了成千上萬(wàn)的大型體育館、飛機(jī)庫(kù)、展

廳，采用了各類(lèi)空間結(jié)構(gòu)，展示著優(yōu)美的造型，成為一道道風(fēng)景。更有無(wú)數(shù)的廠

房、倉(cāng)庫(kù)等采用空間結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、合理的完美統(tǒng)一。

目前空間結(jié)構(gòu)向著輕量、大跨方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢(shì)要求必須千方百計(jì)降

低結(jié)構(gòu)自重，降低結(jié)構(gòu)自重的途徑一方面是研制運(yùn)用輕質(zhì)高強(qiáng)的新型建筑材料，

另一方面是研究開(kāi)發(fā)合理的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)受拉部位采用膜材或鋼索，受壓部分

采用鋼或鋁合金構(gòu)件，這樣膜、索、桿結(jié)合使用，形成雜交結(jié)構(gòu)，可望實(shí)現(xiàn)理想

的輕量大跨結(jié)構(gòu)。

張拉整體結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)是降低結(jié)構(gòu)自重的較理想的結(jié)構(gòu)體系，可跨越很大的

跨度。目前跨度已做到200m左右。這兩種結(jié)構(gòu)我美國(guó)和日本發(fā)展最快，建造了

很多大型工程。

另外適應(yīng)全天候氣候條件的開(kāi)合結(jié)構(gòu)、施工便捷的折疊結(jié)構(gòu)，以及外觀華麗

扌度結(jié)構(gòu)等也都有屬于現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)新發(fā)展的課題。國(guó)外已有很多的工程應(yīng)用。

下面對(duì)前面提到的幾種空間結(jié)構(gòu)分別予以論述。

二、張拉整體結(jié)構(gòu)

“張拉整體”（Tengrity）概念是美國(guó)著名建筑師富勒（）的

發(fā)明，這旨“張拉”（tensile）和“整體”（integrity）的縮合。一社概念的

產(chǎn)生受到了大自然的啟發(fā)。富勒認(rèn)為宇宙的運(yùn)行是按照張拉一只析原理進(jìn)行的，

即萬(wàn)有引力是一個(gè)平衡的張力網(wǎng)，而各個(gè)星球是這個(gè)網(wǎng)中的一個(gè)個(gè)孤立點(diǎn)。按照

這個(gè)思想張拉整體結(jié)構(gòu)可定義為一組不連續(xù)的受壓構(gòu)件與一套連續(xù)的受拉單元

組成的自支承、自應(yīng)力的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的剛度由受拉和受壓?jiǎn)卧g

的平衡預(yù)應(yīng)力提供，在施加預(yù)應(yīng)力之前，結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有剛度，并且初始預(yù)應(yīng)力的

大小對(duì)結(jié)構(gòu)的外形和結(jié)構(gòu)的剛度起著決定性作用。由于張拉整體結(jié)構(gòu)固有的符合

自然規(guī)律的特點(diǎn)，最在限度地利用了材料和截面的特性，可以用盡量少的鋼材建

造超大跨度建筑。

對(duì)于張拉整體結(jié)構(gòu)的研究開(kāi)始于40多年前，從最初的設(shè)想到工程實(shí)踐大約

經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：想象和幾何學(xué)、拓?fù)浜蛨D形分析、力學(xué)分析及試驗(yàn)研究。

其中力學(xué)分析包括找形、自就歷程準(zhǔn)則、工作機(jī)理工科穩(wěn)步力作用下的性能等。

張拉整體結(jié)構(gòu)的幾何形狀同時(shí)依賴(lài)于構(gòu)件的初始幾何形狀、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)（拓?fù)洌?/span>及

形成一定剛度的自應(yīng)力的存在。另外這種結(jié)構(gòu)在外力作用下的變形（與自應(yīng)力的

效果不同）也提出了其它結(jié)構(gòu)問(wèn)題，首先它屬于臨界類(lèi)體系，結(jié)構(gòu)在外荷載過(guò)程

中剛度不斷發(fā)生變化，傳力途徑也就隨之改變；其次這種結(jié)構(gòu)只能在考慮了幾何

非線性甚至材料非線性時(shí)才能分析。

從50年代起，許多研究工作者都采用了靠想象的實(shí)用方法，如斯耐爾森

（n）的雕塑及莫瑞挪（Moreno）的設(shè)想等。最重要的幾何學(xué)上的工作

是由富勒和埃墨瑞赤（ch）完成的。加拿大的結(jié)構(gòu)拓?fù)溲芯啃〗M在形

態(tài)學(xué)方面做了最重要的工作，他們出版的雜志包括了許多張拉整體體系拓?fù)浞矫?/span>

的文章，但這些研究都是數(shù)學(xué)上的，在三維空間上工程應(yīng)用的研究也只為警告設(shè)

計(jì)者們?nèi)菀壮霈F(xiàn)的不穩(wěn)定方案。在大多數(shù)情況下，張拉整體多面體幾何的構(gòu)成特

性使得圖形理論可以用來(lái)模型化它們的拓?fù)洹?/span>

張拉整體的找形分析為的是使體系的幾何形式滿足自應(yīng)力準(zhǔn)則。對(duì)于一個(gè)基

本單元，可以用一種簡(jiǎn)單的靜力方法來(lái)獲得自應(yīng)力幾何，其原則包括尋找一個(gè)或

一套元素的最大或最小和度，同時(shí)得到其它元素的尺寸條件。佩里哥瑞挪

（rino）建議了用一種標(biāo)準(zhǔn)非線性程序解決這一問(wèn)題的方法。而一個(gè)基

于虛阻尼的動(dòng)力松馳方法也得到了同樣的結(jié)果。

張拉整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析類(lèi)似于預(yù)應(yīng)力鉸節(jié)點(diǎn)索桿網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，除了一些特殊

的圖形外，都含有內(nèi)部機(jī)構(gòu)，呈現(xiàn)幾何柔性。為了研究的目的，除了一般的找形

和靜動(dòng)力分析過(guò)程外，有時(shí)還用到一個(gè)中間過(guò)程：穩(wěn)定性、機(jī)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力狀態(tài)的

研究。張拉整體體系的分析模型必須考慮非線性特性和平衡自就歷程的存在。莫

赫瑞（Mohri）說(shuō)明了如何保證適當(dāng)?shù)淖詰?yīng)力及單元的剛度，還給出了識(shí)別與索

提供的剛度相一致的自應(yīng)力狀態(tài)的算法。張拉整體結(jié)構(gòu)的靜力性能的非線性分析

已經(jīng)完成，其模型基于松馳原理或牛頓-拉夫遜型過(guò)程的矩陣追趕法原理，有人

也做了動(dòng)力松馳的模型。

斯耐爾森的極具藝術(shù)性的雕塑是體現(xiàn)富勒張拉整體思想的最早嘗試。這之后

富勒、埃墨瑞赤、瓦爾耐（）、莫特羅（）、漢納（）

等創(chuàng)造了多種張拉整體結(jié)構(gòu)體系。目前在世界很多地方都有建造了藝術(shù)品性質(zhì)的

張拉整體結(jié)構(gòu)，如法國(guó)的公園雕塑、華沙國(guó)際建筑聯(lián)合會(huì)前的自張拉空間填充體、

荷蘭國(guó)家博物館前覆蓋的四棱柱張拉整體單體以及1958年富勒為布魯塞爾博覽

會(huì)設(shè)計(jì)的一個(gè)有表現(xiàn)力的張拉整體桅桿等。

美國(guó)已故著名工程師蓋格爾（）為張拉整體思想的發(fā)展做出了極

大貢獻(xiàn)。他在富勒創(chuàng)造的富勒張拉整體穹頂?shù)幕A(chǔ)上，發(fā)明了支承于周邊受壓環(huán)

梁上的一種索桿預(yù)應(yīng)力張拉整體穹頂體系，即索穹頂，從而使得張拉整體的概念

首次應(yīng)用到大跨度建筑工程中。1986年以他的名字命名的蓋格爾公司將索穹頂

結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用于漢城奧運(yùn)會(huì)的體操館（D=119.8m）和擊劍館（D=89.9m）。之后

又相繼建成了美國(guó)伊利諾斯州大學(xué)的紅鳥(niǎo)體育館（橢圓91.4m×76.8m）及佛羅

里達(dá)州的太陽(yáng)海岸穹頂（D=210m）。1992年在美國(guó)建造了世界上最大的索穹頂

體育館—喬治亞穹頂（Georgia Dome），它是1996年亞特蘭大奧運(yùn)會(huì)的主體育

館，平面為橢圓形（193m×240m），這種雙曲拋物面型張拉整體索穹頂?shù)暮匿摿?/span>

少得令人難以置信，還不到30㎏/㎡.應(yīng)該看到蓋格爾發(fā)明的張拉整體索穹頂結(jié)

構(gòu)源于富勒的張拉整體思想，屬于張拉整體體系的范疇，但由于它還沒(méi)有完全實(shí)

現(xiàn)結(jié)構(gòu)自支承、自應(yīng)力的原則，離開(kāi)下部受壓環(huán)梁則不能成立，故而可以說(shuō)徹底

的大跨度張拉整體結(jié)構(gòu)還沒(méi)有建成。因此對(duì)于張拉整體結(jié)構(gòu)無(wú)論在理論分析方面

還是施工技術(shù)及建筑材料方面都還有很多工作要做。

三、膜結(jié)構(gòu)

膜結(jié)構(gòu)（Membrane）是20世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式，是

由多種高強(qiáng)薄膜材料（PVC或Teflon）及加強(qiáng)構(gòu)件（鋼架、鋼柱或鋼索）通過(guò)一

定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生一定的預(yù)張應(yīng)力以形成某種空間形狀，作為覆蓋結(jié)構(gòu)，并能

承受一定的外荷載作用的一種空間結(jié)構(gòu)形式。膜結(jié)構(gòu)可分為充氣膜結(jié)構(gòu)和張拉膜

結(jié)構(gòu)兩大類(lèi)。充氣膜結(jié)構(gòu)是靠室內(nèi)不斷充氣，使室內(nèi)外產(chǎn)生一定壓力差（一般在

10㎜～30㎜水柱之間），室內(nèi)外的壓力差使屋蓋膜布受到一定的向上的浮力，

從而實(shí)現(xiàn)較大的跨度。張拉摸結(jié)構(gòu)則通過(guò)柱及鋼架支承或鋼索張拉成型，其造型

非常優(yōu)美靈活。

膜結(jié)構(gòu)所用膜材料由基布和涂層兩部分組成。基布主要采用聚酯纖維和玻璃

纖維材料；涂層材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材為聚酯纖維覆聚氯乙

烯（PVC）和玻璃纖維覆聚聚四氟乙烯（Teflon）。PVC材料的主要特點(diǎn)是強(qiáng)度

低、彈性大、易老化、徐變大、自潔性差，但價(jià)格便宜，容易加工制作，色彩豐

富，抗折疊性能好。為改善其性能，可在其表面涂一層聚四氟乙烯涂層，提高其

抗老化和自潔能力，其壽命可達(dá)到15年左右。Teflon材料強(qiáng)度高、彈性模量大、

自潔、耐久耐火等性能好，但它價(jià)格較貴，不易折疊，對(duì)裁剪制作精度要求較高，

壽命一般在30年以上，適用于永久建筑。

世界上第一座充氣膜結(jié)構(gòu)建成于1946年，設(shè)計(jì)者為美國(guó)的沃爾特。勃德

（），這是一座直徑為15的充氣穹頂。1967年在德國(guó)斯圖加特召開(kāi)的第

一屆國(guó)際充氣結(jié)構(gòu)會(huì)議，無(wú)疑給充氣膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展注入了興奮劑。隨后各式各樣

的充氣膜結(jié)構(gòu)建筑出現(xiàn)在1970年大阪世界博覽會(huì)上。其中具有代表性的有蓋格

爾設(shè)計(jì)的美國(guó)館（137m×7m8卵形），以及川口衛(wèi)設(shè)計(jì)的香腸形充氣構(gòu)件膜結(jié)構(gòu)。

后來(lái)人們認(rèn)為70年大阪博覽會(huì)是把膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)地、商業(yè)性地向外界介紹的開(kāi)始。

大阪博覽會(huì)展示了人們可以用膜結(jié)構(gòu)建造永久性建筑。而70年代初美國(guó)蓋格爾-

勃格公司（Geiger-Berger Associates）開(kāi)發(fā)出的符合美國(guó)永久建筑規(guī)范的特氟

隆（Teflon）膜材料為膜結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于永久、半永久性建筑奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

之后，用特氟隆材料做成的室內(nèi)充氣式膜結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)在大中型體育館中，如

1975年建成的密歇根州龐蒂亞克“銀色穹頂”（橢圓形220×159m），1988年

建成的日本東京體育館（室內(nèi)凈面積4，6767㎡，）。

張拉形式膜結(jié)構(gòu)的先行者是德國(guó)的奧托（），他在1955年設(shè)計(jì)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(guò)邊

界條件給膜材施加一定的預(yù)張應(yīng)力，以抵抗外部荷載的作用，因此在一定初始條

件（邊界條件和應(yīng)力條件）下，其初始形狀的確定、在外荷載作用下膜中應(yīng)力分

布與變形以及怎樣用二維的摸材料來(lái)模擬三維的空間曲面等一系列復(fù)雜的問(wèn)題，

都需要有計(jì)算來(lái)確定，所以張拉膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展離不開(kāi)計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和新算法

的提出。目前國(guó)外一些先進(jìn)的摸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作軟件已非常完善，人們可以通過(guò)圖

形顯示看到各種初始條件和外荷載作用下的形狀與變形，并能計(jì)算任一點(diǎn)的應(yīng)力

狀態(tài)，使找形（初始形狀分析）、裁剪和受力分析集成一體化，使得膜結(jié)構(gòu)的設(shè)

計(jì)大為簡(jiǎn)便，它不但能分析整個(gè)施工過(guò)程中各個(gè)不同結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和膜中應(yīng)力，

而且能精確計(jì)算由于調(diào)節(jié)索或柱而產(chǎn)生的次生應(yīng)力，完全可以避免各種不利荷載

式?jīng)r產(chǎn)生的不測(cè)后果。因此計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展為張拉膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用開(kāi)辟了廣

闊的前景。而特氟隆摸材料的研制成功也極大地推動(dòng)了張拉膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。比較

著名的有沙特阿拉伯吉達(dá)國(guó)際航空港、沙特阿拉伯利雅得體育館、加拿大林德塞

公園水族館、英國(guó)溫布爾登室內(nèi)網(wǎng)球館、美國(guó)新丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)等。

膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括體形設(shè)計(jì)、初始平衡形狀分析、荷載分析、裁剪分析

等四大問(wèn)題。通過(guò)體形設(shè)計(jì)確定建筑平面形狀尺寸、三維造型、凈空體量，確定

各控制點(diǎn)的坐標(biāo)、結(jié)構(gòu)形式，選用膜材和施工方案。初始平衡形狀分析就是所謂

的找形分析。由于膜材料本身沒(méi)有抗壓和抗彎剛度，抗剪強(qiáng)主芤很差，因此其剛

度和穩(wěn)定性需要靠膜曲面的曲率變化和其中預(yù)應(yīng)力來(lái)提高，對(duì)膜結(jié)構(gòu)而言，任何

時(shí)候不存在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，因此膜曲面形狀最終必須滿足在一定邊界條件、一定預(yù)

應(yīng)力條件下的力學(xué)平衡，并以此為基準(zhǔn)進(jìn)行荷載分析和裁剪分析。目前膜結(jié)構(gòu)找

形分析的方法主要有動(dòng)力松馳法、力密度法以及有限單元法等。膜結(jié)構(gòu)考慮的荷

載一般是風(fēng)載和雪載。在荷載作用下膜材料的變形較大，且隨著形狀的改變，荷

載分布也在改變，因此要精確計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力要用幾何非線性的方法進(jìn)

行。荷載分析的另一個(gè)目的是一確定索、膜中初始預(yù)張力。在外荷載作用下膜中

一個(gè)方向應(yīng)力增加而另一個(gè)方向應(yīng)力減少，這就要求施加初始張應(yīng)力的程度要滿

足在最不利荷載作用下應(yīng)力不致減少到零，即不出現(xiàn)皺褶。因?yàn)槟げ牧媳容^輕柔，

自振頻率很低，在風(fēng)荷載作用下極易產(chǎn)生風(fēng)振，導(dǎo)致膜材料破壞，如果初始預(yù)應(yīng)

力施加過(guò)高，膜材涂變加大，易老化且強(qiáng)度儲(chǔ)備少，對(duì)受力構(gòu)件強(qiáng)度要求也高，

增加施工安裝難度。因此初始預(yù)應(yīng)力的確定要通過(guò)荷載計(jì)算來(lái)確定。經(jīng)過(guò)找形分

析而形成的摸結(jié)構(gòu)通常為三維不可展空間曲面，如何通過(guò)二維材料的裁剪，張拉

形成所需要的三維空間曲面，是整個(gè)膜結(jié)構(gòu)工程中最關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題，這正是裁

剪分析的主要內(nèi)容。

膜結(jié)構(gòu)是一種建筑與結(jié)構(gòu)完美結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系。它是用高強(qiáng)度柔性薄膜材料與支

撐體系相結(jié)合形成具有一定剛度的穩(wěn)定曲面，能承受一定外荷載的空間結(jié)構(gòu)形

式。其造型自由輕巧、阻燃、制作簡(jiǎn)易、安裝快捷、能易于、使用安全等優(yōu)點(diǎn)，

因而使它在世界各地受到廣泛應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)形式特別適用于大型體育場(chǎng)館、人

口廊道、小品、公眾休閑娛樂(lè)廣場(chǎng)、展覽會(huì)場(chǎng)、購(gòu)物中心等領(lǐng)域。

膜結(jié)構(gòu)建筑形式的分類(lèi)：

從結(jié)構(gòu)上分可分為：骨架式膜結(jié)構(gòu)，張拉式膜結(jié)構(gòu)，充氣式膜結(jié)構(gòu)3種形式

1、骨架式膜結(jié)構(gòu)

以鋼構(gòu)或是集成材構(gòu)成的屋頂骨架，在其上方張拉膜材的構(gòu)造形式，下部支

撐結(jié)構(gòu)安定性高，因屋頂造型比較單純，開(kāi)口部不易受限制，且經(jīng)濟(jì)效益高等特

點(diǎn)，廣泛適用于任何大，小規(guī)模的空間。

2、張拉式膜結(jié)構(gòu)

以膜材、鋼索及支柱構(gòu)成，利用鋼索與支柱在膜材中導(dǎo)入張力以達(dá)安定的形

式。除了可實(shí)踐具創(chuàng)意，創(chuàng)新且美觀的造型外，也是最能展現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)精神的構(gòu)造

形式。近年來(lái)，大型跨距空間也多采用以鋼索與壓縮材構(gòu)成鋼索網(wǎng)來(lái)支撐上部膜

材的形式。因施工精度要求］高，結(jié)構(gòu)性能強(qiáng)，且具豐富的表現(xiàn)力，所以造價(jià)略

高于骨架式膜結(jié)構(gòu)。

3、充氣式膜結(jié)構(gòu)

充氣式膜結(jié)構(gòu)是將膜材固定于屋頂結(jié)構(gòu)周邊，利用送風(fēng)系統(tǒng)讓室內(nèi)氣壓上升

到一定壓力后，使屋頂內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，以抵抗外力，因利用氣壓來(lái)支撐，及鋼

索作為輔助材，無(wú)需任何梁，柱支撐，可得更大的空間，施工快捷，經(jīng)濟(jì)效益高，

但需維持進(jìn)行24小時(shí)送風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在持續(xù)運(yùn)行及機(jī)器維護(hù)費(fèi)用的成本上較高。

現(xiàn)今，城市中已越來(lái)越多地可以見(jiàn)到膜結(jié)構(gòu)的身影。膜結(jié)構(gòu)已經(jīng)被應(yīng)用到各

類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)中，在我們的城市中充當(dāng)著不可或缺的角色：

體育設(shè)施：體育場(chǎng)／體育館／網(wǎng)球場(chǎng)／游泳館／訓(xùn)練中心／健身中心等

商業(yè)設(shè)施：商場(chǎng)／游樂(lè)中心／酒店／餐廳／商業(yè)街等

文化設(shè)施：展覽中心／劇院／表演中心／水族館等

交通設(shè)施：飛機(jī)場(chǎng)／火車(chē)站／碼頭／停車(chē)場(chǎng)／天橋／加油站／收費(fèi)站等

景觀設(shè)施：標(biāo)志性小品／廣場(chǎng)標(biāo)識(shí)／小區(qū)景觀／步行街等

工業(yè)設(shè)施：工廠／倉(cāng)庫(kù)／污水處理中心／物流中心／溫室等

膜結(jié)構(gòu)又叫張拉膜結(jié)構(gòu)（Tensioned Membrane structure）， 是以建筑

織物，即膜材料為張拉主體，與支撐構(gòu)件或拉索共同組成的結(jié) 構(gòu)體系，它以其

新穎獨(dú)特的建筑造型，良好的受力特點(diǎn)，成為大跨度空 間結(jié)構(gòu)的主要形式之

一。

膜材料是指以聚酯纖維基布或PVDF、PVF、PTFE等不同的表面涂層，配以?xún)?yōu)

質(zhì)的PVC組成的具有穩(wěn)定的形狀，并可承受一定載荷的建筑紡織品。它的壽命因

不同的表面涂層而異，一般可達(dá)成12—50年。

膜結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域：

膜結(jié)構(gòu)是一種全新的建筑結(jié)構(gòu)形式，它集建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、精細(xì)化工與材

料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體，具有很高技術(shù)含量。其曲面可以隨著建筑師的設(shè)

計(jì)需要任意變化，結(jié)合整體環(huán)境，建造出標(biāo)志性的形象工程。

藝術(shù)性：充分發(fā)揮建筑師的想象力，又體現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件清晰受力之美。

經(jīng)濟(jì)性：由于膜材具有一定的透光率，白天可減少照明強(qiáng)度和時(shí)間，能很好

地節(jié)約能源。同時(shí)夜間彩燈透射形成的絢爛景觀也能達(dá)到很好的廣告宣傳效益。

大跨度：膜結(jié)構(gòu)可以從根本克服傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在大跨度（無(wú)支撐）建筑上實(shí)現(xiàn)所

遇到的困難，可創(chuàng)造巨大的無(wú)遮擋可視空間，有效增加空間使用面積。

自潔性：膜建筑中采用具有防護(hù)涂層的膜材，可使建筑具有良好的自潔效果，

同時(shí)保證建筑的使用壽命。

工期短：膜建筑工程中所有加工和制作均在工廠內(nèi)完成，可減少現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)

間，避免出現(xiàn)施工交叉，相對(duì)傳統(tǒng)建筑工程工期較短。膜建筑可廣泛應(yīng)用于大型

公共設(shè)施：體育場(chǎng)館的屋頂系統(tǒng)、機(jī)場(chǎng)大廳、展覽中心、購(gòu)物中心、站臺(tái)等，又

可以用于休閑設(shè)施、使用工業(yè)設(shè)施及標(biāo)志性或景觀性建筑小品等。

膜結(jié)構(gòu)是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的全新建筑技術(shù)表現(xiàn)形式，是材料科

學(xué)、建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)以及現(xiàn)代環(huán)境學(xué)高速發(fā)展的綜合產(chǎn)物。

20世紀(jì)60年代隨著現(xiàn)代柔性建筑材料的發(fā)展，建筑師們從帳篷著一最古老

的簡(jiǎn)單建筑結(jié)構(gòu)出發(fā)，構(gòu)造出了魔幻般的形式——膜結(jié)構(gòu)。它可以構(gòu)成單曲面，

多曲面等不同建筑結(jié)構(gòu)形式，滿足了建筑師們對(duì)建筑與美學(xué)高度統(tǒng)一的要求。

柔性材料具有透光和防紫外線功能，在一些室外建筑和環(huán)境小品中得到廣泛

的應(yīng)用。正是由于這一特征，夜間的燈光設(shè)計(jì)使膜結(jié)構(gòu)具有鮮明的環(huán)境標(biāo)志特

征。

優(yōu)美造型的膜材，不銹鋼配件和緊固件加上設(shè)計(jì)輕巧合理，表面處理嚴(yán)格的

鋼結(jié)構(gòu)支撐，塑造出形式美觀，設(shè)計(jì)合理的膜結(jié)構(gòu)，在當(dāng)今世界范圍內(nèi)的建筑環(huán)

境設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的地位。

1、娛樂(lè)空間

近年來(lái)，隨著建筑空間觀念的日益深化以及科學(xué)手段的不斷提高，“回歸自

然”、“沐浴自然之溫馨”已是現(xiàn)代建筑環(huán)境學(xué)發(fā)展的主流。室內(nèi)外的視線越來(lái)

越模糊，出現(xiàn)了許多亦內(nèi)亦外、相互滲透的不定空間，如：天井、四季廳、動(dòng)植

物園、體育、文化娛樂(lè)場(chǎng)所等。由于膜材的光透性，白天陽(yáng)光可以透過(guò)膜材形成

慢射光，使室內(nèi)達(dá)到和室外幾乎一樣的自然效果，因此膜結(jié)構(gòu)能創(chuàng)造出與自然環(huán)

境相媲美的空間形式。

2、標(biāo)志性小品

一個(gè)城市的中心區(qū)反映一個(gè)城市的地理風(fēng)貌和民族風(fēng)情，同時(shí)，也是一個(gè)城

市文化發(fā)展程度的標(biāo)志。而景觀設(shè)計(jì)要求其具有廣泛的可讀性、雅俗共賞，既有

超凡脫俗的藝術(shù)價(jià)值，又能使大眾喜聞樂(lè)見(jiàn)與大眾息息相通。膜結(jié)構(gòu)以其鮮明的

個(gè)性和標(biāo)識(shí)性，應(yīng)用于城市小品設(shè)計(jì)中。

3、綠色漫步道

近年來(lái)，在人口密集的大城市，在居住區(qū)周邊配置綠色空間并有人行步道。

居民可以在不受車(chē)輛的影響下，在居住區(qū)附近的街心地帶輕松愉快地散步、休憩，

而感到十分愜意。在綠色空間中構(gòu)造一座膜小品，即生動(dòng)的美化了環(huán)境——如同

廣闊綠洲中的點(diǎn)點(diǎn)白帆，又有很強(qiáng)的功能性——人們可以在行走之暇小憩一會(huì)

兒。

4、商業(yè)街

商業(yè)街在城市中占有相當(dāng)大的比重。商業(yè)街的建筑與環(huán)境是城市文明的窗

口，代表著物質(zhì)文明和精神文明的水平，同時(shí)，也是景觀環(huán)境的重要組成部分。

膜結(jié)構(gòu)輕巧別致極具現(xiàn)代化風(fēng)格，且易于安裝移動(dòng)，在商業(yè)街設(shè)計(jì)中得以廣泛應(yīng)

用。

5、建筑入口

建筑入口使城市公共空間與建筑空間相鄰的界面，成為城市空間的組成部

分。它是人們視覺(jué)最先接觸的部分，因此，除了功能以外，還應(yīng)有很強(qiáng)的標(biāo)識(shí)性，

并能體現(xiàn)建筑的個(gè)性，是建筑環(huán)境和城市景觀的重要組成部分。由于膜結(jié)構(gòu)獨(dú)特

的造型是其他結(jié)構(gòu)類(lèi)型無(wú)法比擬的，故成為近來(lái)建筑入口經(jīng)常采用的形式。

6、步行街

利用膜結(jié)構(gòu)輕巧，別致的造型建造各種半封閉，全封閉的不行空間，使其形

成全天候的建筑空間，提供防風(fēng)雨，防日曬等人工環(huán)境，并有較好的標(biāo)識(shí)招攬效

果，因此是步行街改造和新建的絕佳選擇。

7、停車(chē)場(chǎng)

隨著都市現(xiàn)代化步伐的加快，汽車(chē)成為任何一個(gè)都市不可缺少的交通工具。

我國(guó)由于汽車(chē)工業(yè)高速發(fā)展，城市的汽車(chē)擁有量成倍上升，但城市建設(shè)規(guī)劃沒(méi)能

盡快適應(yīng)這一發(fā)展的要求，常常是車(chē)無(wú)停放之地。所以在建設(shè)群規(guī)劃時(shí)就應(yīng)充分

考慮停車(chē)場(chǎng)的問(wèn)題，把停車(chē)場(chǎng)的建設(shè)和規(guī)劃當(dāng)成現(xiàn)代城市建設(shè)規(guī)劃的重要組成部

分，變得越來(lái)越重要。同樣，膜結(jié)構(gòu)在停車(chē)場(chǎng)建設(shè)中也擔(dān)當(dāng)重要角色。

生活在現(xiàn)代都市的人們已經(jīng)從過(guò)去以謀生為目的的社會(huì)行為走上了以“樂(lè)

生”為目的的新臺(tái)階，在精神上追求健康向上，愉快和富有人性的文化環(huán)境。現(xiàn)

代建筑環(huán)境是現(xiàn)代城市，現(xiàn)代文化與社會(huì)，現(xiàn)代人的生活和觀念的綜合表象。在

展現(xiàn)人的個(gè)性化，自?shī)市院投嘣原h(huán)境空間方面，膜結(jié)構(gòu)以其獨(dú)具魅力的建筑形

式，必將會(huì)在環(huán)境建設(shè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

膜結(jié)構(gòu)建筑中最常用的膜材料有PTFE膜材料和PVDF膜材料兩種。PTFE膜材料

是指在極細(xì)的玻璃纖維編織成的基布上涂覆PTFE（聚四氟乙烯）而形成的復(fù)合

材料。PVDF膜材料是指在聚脂纖維編織的基布上涂覆PVC（聚氯乙烯）后再加版

100%PVDF（聚偏氟乙烯）表面涂層而形成的復(fù)合材料。

PTFE膜材的最大特點(diǎn)是強(qiáng)度高、耐久性好、防火難燃、自潔性好，不受紫

外線影響，使用壽命在25年以上。具有高透光率，透光率為13%,對(duì)熱能反射率

73%，熱吸收量很少。正是因?yàn)檫@種劃時(shí)代的膜材料的發(fā)明，使膜結(jié)構(gòu)建筑成為

現(xiàn)代化的永久性建筑。

PVDF膜材由于自潔性良好、價(jià)位適中、運(yùn)輸安裝方便，更廣泛應(yīng)用于各類(lèi)

建筑領(lǐng)域。

◇ 聲學(xué)性能

一般膜結(jié)構(gòu)對(duì)于低于60Hz的低頻幾乎是透明的，對(duì)于有特殊吸音要求的結(jié)

構(gòu)可以采用具有FABRASORB裝置的膜結(jié)構(gòu)，這種組合比玻璃具有更強(qiáng)的吸音效

果。

◇ 保溫性能

單層膜材料的保溫性能與磚墻相同，優(yōu)于玻璃。同其他材料的建筑一樣，膜

建筑內(nèi)部也可以采用其他方式調(diào)節(jié)其內(nèi)部溫度。例如：內(nèi)部加掛保溫層，運(yùn)用空

調(diào)采暖設(shè)備等。

◇ 防火性能

如今廣泛使用的膜材料能很好地滿足對(duì)于防火的需求，具有卓越的阻燃和耐

高溫性能，達(dá)到法國(guó)、德國(guó)、美國(guó)、日本等多國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。

◇ 力學(xué)性能

中等強(qiáng)度的PVC膜：其厚度僅0.61mm，但它的拉伸強(qiáng)度相當(dāng)于鋼材的一半。

中等強(qiáng)度的PTFE膜：其厚度僅0.8mm，但它的拉伸強(qiáng)度已達(dá)到鋼材的水平。 膜

材的彈性模量較低，這有利于膜材形成復(fù)雜的曲面造型。

◇ 光學(xué)性能

膜材料可濾除大部分紫外線，防止內(nèi)部物品褪色。其對(duì)自然光的透射率可達(dá)

25%，透射光在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生均勻的漫射光，無(wú)陰影，無(wú)眩光，具有良好的顯色

性，夜晚在周?chē)h(huán)境光和內(nèi)部照明的共同作用下，膜結(jié)構(gòu)表面發(fā)出自然柔和的光

輝，令人陶醉。

◇ 自潔性能

PTFE膜材和經(jīng)過(guò)特殊表面處理的PVC膜材具有很好的自潔性能，雨水會(huì)在其表

面聚成水珠流下，使膜材表面得到自然清洗。

ETFE是Ethylene（乙稀）、Tetra（四）、Flour（氟）、Ethylene（乙稀）四

個(gè)英文的縮寫(xiě)。ETFE膜材料沒(méi)有任何布基，僅由一層乙稀四氟乙稀薄膜構(gòu)成，

乙稀氟乙稀本身具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，不需要任何其它的面層保護(hù)。

一般來(lái)說(shuō)ETFE膜材料使用壽命在30年以上，具有很好的自潔性，耐火A1

級(jí)，根據(jù)膜材料厚度(0.012mm~0.5mm)不同其抗拉強(qiáng)度在45 N/mm2 ~ 60N/mm2

之間，透光率在95%左右。

乙烯-四氟乙烯共聚物，耐擦傷性、耐磨性、耐高溫、耐腐蝕，絕緣性、高

安全性材料。超輕重量：膜材薄輕。抗震性?xún)?yōu)越，施工便利。

耐久性好：氣候適應(yīng)：-200~150攝氏度，15年以上惡劣氣候，力學(xué)和光學(xué)性能

不改變。

抗拉強(qiáng)度高：破斷伸長(zhǎng)率達(dá)300%以上。高安全性：阻燃材料，熔后收縮但無(wú)滴

落物。如遇火災(zāi)其危害性較小，冰雹氣候，即使玻璃碎了，ETFE也僅留下小小

凹痕。表面非常光滑，極佳自潔性能，灰塵、污跡隨雨水沖刷而除去。

ETFE膜達(dá)到B1、DIN4102防火等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，燃燒時(shí)也不會(huì)滴落。且該膜質(zhì)量很輕，

每平方米只有0.15-0.35公斤。這種特點(diǎn)使其即使在由于煙、火引起的膜融化情

況下也具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。

根據(jù)位置和表面印刷的情況，ETFE膜的透光率可高達(dá)95%。該材料不阻擋紫

外線等光的透射，以保證建筑內(nèi)部自然光線。通過(guò)表面印刷，該材料的半透明度

可進(jìn)一步降低到50%。根據(jù)幾何條件及膜的層數(shù)，其K值可高達(dá)2.0W/m2K。耗能

指數(shù)以一個(gè)三層印刷的膜為例可達(dá)到0.77。

由于其優(yōu)秀品質(zhì)，ETFE膜幾乎不需日常保養(yǎng)。可對(duì)其由于機(jī)械損壞的屋頂

進(jìn)行簡(jiǎn)單檢查（一年一次為宜），并根據(jù)需要就地維修。同時(shí)也可檢查通風(fēng)系統(tǒng)，

更換過(guò)濾裝置。

ETFE膜完全為可再循環(huán)利用材料，可再次利用生產(chǎn)新的膜材料，或者分離

雜質(zhì)后生產(chǎn)其它ETFE產(chǎn)品。

施工工序

1.基礎(chǔ)及承重鋼構(gòu)

工程

2.搭設(shè)腳手架 3.現(xiàn)場(chǎng)除銹打磨

4.鋼結(jié)構(gòu)的拼裝 5.噴刷面漆 6.鋼構(gòu)件吊裝

7.膜材吊裝 8.壓膜邊 9.帽口固定

10.工程竣工