膜结构的应用及发展

膜结构的应用及发展王自豪(河南大学土木建筑学院，河南开封475000)摘要：膜结构是一种相当古老的建筑结构，随着现代建筑技术的不断发展而重生，本文分析了膜结构的几何建筑特征从膜材种类，膜结构体系特点入手，展示了膜结构的体系类型和特点，介绍了膜结构的最新研究成果，从不同方面和层面分析了我国膜结构的发展现状和趋势，探讨了膜结构的应用和发展趋势，从而揭示了我国膜结构的发展前景。关键词:膜结构建筑,膜材,膜结构体系,发展ApplicationanddevelopmentofmembranestructureWangZihao(Schoolofcivilandarchitecturalengineering,HenanUniversity,Kaifeng,Henan475000)Abstract:membranestructureisaveryoldbuildingstructure,withthecontinuousdevelopmentofmodernconstructiontechnology,thispaperanalyzesthestructureofthemembranestructurefromthemembranetype,membranestructuresystemcharacteristics,showingthetypeandcharacteristicsofthemembranestructure,introducesthelatestresearchresultsfromdifferentaspectsandaspectsofthedevelopmentstatusandtrendofmembranestructure,andrevealsthedevelopmentprospectsofChina'smembranestructure.Keywords:membranestructure,membranematerial,membranestructuresystem,development一,引言膜结构也即织物结构,是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间结构形式，最早的膜结构雏形可追溯到公元前若干世纪的帐篷结构。现代意义上的膜结构工程最早出现于20世纪50年代,是集建筑、结构、材料和计算机等科学为一体的高科技工程。膜结构之所以得到如此众多的建筑师的青睐和日益广泛的应用，根本原因在于膜材料的独特性。膜材料是一种完全“柔性”的材料，又是一种介乎不透明的钢或混凝土与全透明的玻璃之间的“半透光”的材料。因这些特质，膜结构已广泛应用于大型体育场馆、展览中心、航空和铁路交通、文化娱乐等公共建筑中。膜结构按所采用的材料，可划分为PVC材料膜结构、PTFE材料膜结构、ETFE材料膜结构；按其建筑几何元素，可划分为马鞍形膜结构、伞形膜结构、碗形膜结构；按其支承结构体系及支承方式，可划分为张拉膜结构、框架支承膜结构、气承式膜结构、气枕膜结构；按其使用功能和使用方式，还可划分为可移动、可展开、可开合膜结构等。二,膜结构体系的分类及特点按膜在结构中所起的作用和膜的结构形式,膜结构体系一般可分为充气式膜结构、骨架式膜结构、张拉膜结构及索穹顶结构等。2.1充气膜结构充气膜结构是膜发展过程中最初阶段的主要形式,分为气撑式与充气胎式两种，充气膜结构适用于跨度超过70ｍ的大跨度体育设施,一般采用低拱度、一层膜或二层膜的结构形式。2.2骨架式膜结构骨架式膜结构以钢或其他材料构成刚性骨架,膜张拉并置于骨架上，其显著特点在于:膜不是维持结构体系存在的必要结构单元,也不仅仅是单纯的覆盖屋面体系,而是充分发挥了采光建筑功能和高强受力特性。2.3张拉膜结构张拉膜结构是通过给膜材直接施加预拉力使之具有刚度,并承担外荷载的结构形式。完整的张拉式膜结构一般由张拉薄膜、加劲索及支承结构三部分组成。目前各种形式张拉膜结构广泛应用于各个领域,包括大型或大中型体育、文化、娱乐、商业设施以及小型景观作品等。2.4索穹顶结构索穹顶结构是空间双层索系和覆面膜材的联合运用,形成的一种高效的大跨度轻型屋盖结构形式。可细分为Ｇｅｉ-ｇｅｒ索穹顶和Ｆｕｌｌｅｒ三角索穹顶。索穹顶一般由中心受拉(钢)环梁、径向脊索、环向拉索、受压立杆、斜向对角索及外侧受压环梁组成。其造型新颖、造价经济、安装方便,结构效率极高,成功地应用于一些大跨度、超大跨度的结构。膜结构有以下特点；1)建筑的形体塑造更自由。多变的支承结构和柔性膜材使建筑物造型更加多样化,新颖美观,富有时代气息。(2)经济效益更明显。膜结构屋面重量仅为常规钢屋面的1/30,降低了墙体和基础的造价。同时膜建筑奇特的造型和夜景效果有明显的“建筑可识性”和商业效应,其价格效益比更高。(3)施工周期更短。膜工程中所有加工和制作均可在工厂内完成,在现场只进行安装作业。比传统建筑的施工周期几乎要快一倍。(4)能源损耗更低。具有良好的透光性,透光率7%～20%,可以充分利用自然光,减少能源消耗。并且具有良好的阻燃性和自洁性。(5)建筑空间具有更大的跨度。由于膜结构自重轻,膜建筑可以不需要内部支承,这使人们可以更灵活、更有创意地设计和使用建筑空间。三,多功能膜结构建筑公共建筑、体育场馆甚至建筑小品有时需要满足开启、展开、移动等特殊功能要求。而膜材料的质量远远轻于其他传统建筑材料，这就使得在设计具备特殊功能要求的建筑物时，膜结构建筑往往成为首选甚至必选。在多功能膜结构设计中，最困难的首先是开合、展开或移动的机械传动和控制系统的设计，这是决定能否顺利实现膜结构各项特殊功能的关键。所谓开合或移动膜结构，膜面设计完全等同于一般膜结构；但对于可展开膜结构，必须同时充分考虑展开前后两个状态的建筑效果，而展开前膜面的建筑观感和效果较难进行理论模拟，只能通过缩尺模型进行实验模拟。四、新型膜结构体系的研究和发展膜结构体系的创新一直是工程界和设计界所追求的目标。如果循着建筑结构发展的历史脉络，我们不难发现，建筑结构的材料经历了天然的土、木、石到工业革命后的钢、混凝土、玻璃、纤维有机等人工材料的发展,天然材料的特点是强度低且抗压性能优于抗拉性能，而人工材料的特点是强度高而导致截面小，因而抗拉性能优于必须考虑稳定问题的抗压性能。与材料类型发展相对应的是，建筑结构的体系也经历了以受压为主逐渐向轻型的以受拉为主的发展历程。所以，结构体系创新的原动力是材料的创新，一旦材料领域生产出各项建筑和力学性能超过现有膜材、并更适用于建筑结构的新型柔性面料，必定会出现与之对应的新型膜结构体系。结构体系创新可以通过在前述各类膜结构体系内创造新的种类来实现，也可以通过在前述各类膜结构体系外创建新的体系来实现。五,我国膜结构目前存在的问题及对策5.1膜材质量与国外有一定差距质量问题是制约现阶段国内膜结构发展的最重要因素之一。目前我国膜材基本来自国外,ＰＴＦＥ膜材主要来自美国、德国、日本,ＰＶＣ膜材主要来自法国(ＦＥＲＲＡＲＩ)、德国(ＭＥＨＬＥＲ、ＤＵＲＡＳＫＩＮ)、美国(ＳＥＡＭＥＮ)以及韩国的秀博公司等。国内生产的膜材或因物理性能欠佳,或因力学性能不足,尚难满足大型工程及我国膜结构发展的需要。因此,国内企业应当在引进相关人才、加大研发力度、提高生产质量上下功夫,这样才能使我国膜材质量有所突破、赶超国外先进水平。5.2膜材价格偏高由于我国现阶段膜建筑建设所需膜材大多数依赖美国、德国、日本等膜材公司,所以膜材的价格一直偏高,这也就提高了工程造价。只有我国企业能自主研发物理性能与力学性能具佳的膜材产品才能打破长期依赖国外进口的尴尬局面。5.3国外相关理论和技术的保密由于膜材的基层材料是由纤维按经纬方向编织而成,材料属正交异性,膜材受力时表现出明显的非线性,这些力学特性的存在决定了膜结构设计的复杂性。而我国膜结构研究起步较晚,国外的文献都没有公开核心部分,许多是以专利的形式存在的,且膜结构分析设计理论本来就还不够成熟和完善,因此难以获得国外膜材的相关核心理论和技术。六,我国膜结构的发展前景随着我国综合国力的增强和经济建设的快速发展,膜结构建筑设施已得到广泛地应用。进入21世纪后,随着中国申奥的成功和加入了ＷＴＯ,由中国人自己设计和施工的膜结构体育场馆和展览馆如雨后春笋般涌现在中国广袤的大地上。膜建筑在我国广泛适用于以下各个领域:文化设施—展览中心、剧场、会议厅、博物馆、植物园、水族馆等;体育设施—体育场、体育馆、健身中心、游泳馆、网球馆、篮球馆等;商业设施—商场、购物中心、酒店、餐厅、商店门头(挑檐)、商业街等;交通设施—机场、火车站、公交车站、收费站、码头、加油站、天桥连廊等;工业设施—工厂、仓库、科研中心、处理中心、温室、物流中心等;景观设施—建筑入口、标志性小品、步行街、停车场等。我国目前每年大约有10万平方米的膜结构工程,虽然基数不高,可发展的潜力和势头非常迅猛。参考文献[1]张其林.索和膜结构，上海：同济大学出版社，2002.[2]吴明儿，慕仝，刘建明.ETFE薄膜循环拉伸试验及徐变试验，建筑材料学报，2008，11(6)：690－694.[3]吴源远，吴明儿，王暄.弹簧支撑ETFE枕式膜结构模型试验，第十二届空间结构学书会议论文集，北京，2008：195－200.[4]完海鹰,李童.张拉膜结构设计简介[Ｊ].安徽建筑,2004(2).[5]钱基宏,宋涛,刘枫,等.关于张拉膜结构设计与施工规定的建议[Ｊ].建筑结构学报,2003(6).[6]朱海峰.新型索膜建筑结构技术的发展[Ｊ].江苏建筑,2006(3).[7]李淑惠.浅谈索膜结构的消防问题[Ｊ].消防科学与技术,2003(1).[8]罗永赤.膜结构工程事故分析[Ｊ].特种结构,2006(1).