膜结构及索膜结构综述

膜结构及索膜结构综述

——结构选型期中作业

城市建设与管理学院

10级景观建筑设计专业

汪珂珂（2）

1.膜结构建筑概述

膜结构也称为织物结构，是世纪中叶20 发展起来的一种新型空间结构形式，它以性能

优良柔软织物为材料，由膜内空气压力支撑膜面，或利用柔性钢索或刚性支撑结构使膜面产

生一定的预张力，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。

膜结构的起源可追溯至远古时代人们利用牛皮或布等制作的帐篷结构。但是长期以来由

于技术原因，这种结构发展并不快。1970年日本大阪世界博览会，由美国工程师盖格尔(David

Geiger)设计的美国馆，其屋顶采用空气支撑膜结构，平面尺寸达到83.5 m×142 m，采用以

聚氯乙烯(PVC)涂层的玻璃纤维织物建造。通常被认为是第一个现代意义上的大跨度膜结

构。

虽然现代膜结构出现仅有几十年时间，但发展迅速。在20 世纪后期成为国际上大跨度

空间建筑及景观建筑的主要形式之一,具有强烈的时代感和代表性。它是集建筑学、结构力

学、精细化工、材料科学、计算机技术等为一体的多学科交叉应用工程,具有很高的技术含

量和艺术感染力,实用性强、应用领域广泛,既可应用于大型大跨度的公共建筑，如体育场馆、

机场大厅、展览中心、购物中心，也适用于规模较小而造型各异的休闲景观设施、建筑小品

等。其发展潜力巨大,将成为21 世纪空间结构的发展主流。

2.膜结构的分类

根据不同的支撑方式，通常将膜结构分为空气支撑式、张拉式及骨架支撑膜结构3大类。

2.1 充气式膜结构

向由膜结构构成的室内充入空气,使室内的空气压力始终大于室外的空气压力,使膜材料

处于张力状态来抵抗负载及外力的构造形式有单层结构和双层结构两种。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,建造简单的优点,但需要不断输入超压

气体及日常维护管理。双层结构是在双层膜之间充入空气,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。

2.2 张拉式膜结构

张拉式膜结构是通过拉索将膜材料张拉于结构上而形成的构造形式。由于膜材是柔性结

构,本身没有抗拉、抗压能力,抗弯能力也很差,完全靠外部施加的预应力保持其形状,即使在无

外力且不考虑自重的情况下,也存在着相当大的拉应力。膜表面通过自身曲率变化达到内外

力平衡。薄膜材料既承载结构，又起到围护功能，充分发挥了膜材的结构功能。具有高度的

形体可塑性和结构灵活性,是索膜建筑的代表和精华。但对施工精度要求较高，工程造价相

对较高。

2.3 骨架式膜结构

骨架式膜结构是指以刚性结构(通常为钢结构)为承重骨架、在钢架或其他材料的骨架上

铺装张紧的膜材,由此构成屋顶或外墙壁的构造形式。刚性骨架是主要受力体系，膜材仅作

为围护结构，故设计、制作比较简单，工程造价相对较低。但未发挥出膜材料本身的结构承

载力，跨度也受支撑骨架的限制。形态有平面形、单曲面形和以鞍形为代表的双曲线形。

2.4 组合式膜结构

组合式膜结构通常在自身稳定的桁架体系上划分成若干个单元,每个单元上布置张拉式

膜结构单元,膜单元之间在受力上基本是相互独立的,可以认为是多个简单张拉式膜结构单体

的物理组合,受力的复杂性介于张拉式膜结构与骨架式膜结构之间。这种体系在目前膜结构

体育场罩篷中也有较广泛的应用。

3.膜结构建筑的特点

3.1 跨度较大

自重轻、跨度大、抗震性能好。薄膜结构与传统结构相比自重有数量级的差别(约为后

者的1/30)。可以轻易地跨越较大的跨度，且单位面积的自重与造价未明显增加。由于自重

轻，膜结构建筑具有良好的抗震性能。

3.2 造型优美、富有时代气息

膜结构突破了传统的建筑结构形式,易做成各种造型,且色彩丰富,在灯光配合下易形成

夜景,富有时代气息，给人以现代美的享受。又由于其技术上的先进性,可为建筑师提供较大

的想象和创作空间。膜结构被誉为现代建筑高科技,是21 世纪的建筑。

3.3 减少能源消耗

膜材料自身透光性较好,透光率在7 %～20 %左右,可充分利用自然光,白天使用不需人工

照明,完全能满足各种体育比赛等活动需要;膜材料对光的折射率在70 %以上,在日光照射下,

室内形成柔和的散光,给人以舒适、梦幻般的感受。

3.4 施工速度快

膜片的裁剪、钢索及钢结构等的制作均在工厂内完成,可与下部钢筋混凝土结构或构件

等同时进行,在施工现场只是钢索、钢结构及膜片的连接安装定位及张拉的过程,故在现场的

施工安装比较文明、迅速快捷。3）施工方便。膜材料的裁剪、熔接等工作主要在工厂完成，

现场主要是将膜成品张拉就位安装。与传统建筑相比，施工程序简单，施工周期大为缩短。

3.5 经济效益明显

虽然膜结构建筑项目从目前来说一次投资较大,但膜材的表面涂层、特别是聚四氟乙烯

(PTFE)涂层，具有良好的非粘着性，大气中的灰尘及脏物不易附着，表面灰尘也会被雨水冲

刷干净，常年使用后仍能保持外观洁净与室内美观。由于此类结构的日常维护费用极小(被

称为“免维护结构”) ,从长远来看,经济效果非常明显。若用于超大跨度建筑中,则有更为突

出的价格优势。索膜结构的经济优势是与空间跨度和技术难度成正比的。

3.6 使用安全可靠

由于其自重轻,抗震性能比较好;膜结构属柔性结构,能够忍受很大的位移,不易整

体倒塌,且膜材料一般都是阻燃材料,也不易造成火灾。

3.7 方便拆卸转移

易做成可拆卸结构,易于运输,可用作巡回演出、展览等如美国某公司设计制作的音乐篷

覆盖面积300 多m2 ,其拆卸和安装只需用不足6 h 的时间。

3.8 使用范围广

从气候条件看,它适用于从阿拉斯加到沙特这样广阔的地域;从规模上看,可以小到单人

帐篷、花园小品,大到覆盖几万、几十万平方米的建筑。甚至有人曾设想覆盖一个小城,实现

人造自然。

除了以上优点，膜结构也有一定的不足。如耐久性、保温隔热性能以及隔音效果都不及

传统的砖石、钢筋混凝土等材料，仍有待研究。

4.问题与展望

我国在建筑膜材开发中需解决的核心问题有:

(1)

建筑膜材基布的织造。国内生产的基布都是平纹组织结构,还没有厂家开发出可用

于建筑膜材的Panama 结构的基布。

(2)

涂层工艺。采用的都是常规的单向张拉工艺,双向拉伸工艺未能开发。

(3)

表面防污自洁处理工艺。目前国内厂家都是直接买国外的表面处理剂,品种以丙烯

酸树脂为主,但防污自洁效果好的聚偏氟乙烯( PVDF) 与聚氟乙烯(PVF) 处理剂未能开发。

目前还没有机构对建筑膜材的开发进行深入系统的研究,上述问题未能顺利解决在很大

程度上制约了建筑膜材在我国的大量使用。膜结构由于造型新颖轻巧、具有强烈的时尚感及

艺术美感,且施工期短,综合造价低,将成为未来建筑结构发展的主流。据国外资料报道,全世界

建

筑织物的销售量在1990 年仅为21 亿美元,2000年已达34 亿美元,10 年内以6 %的增

长速率在增长,进入21 世纪膜结构会以略高于此速度持续发展。

5.结语

膜结构是21 世纪“绿色建筑体系”，膜材是21世纪“绿色建材”。从多年来国内外的实

践经验来看,由于新材料、新形式的不断出现,膜结构具有强大的生命力,必将是21 世纪建筑

结构发展的主流。它的应用范围不仅限于体育或展览建筑,而且已向房屋建筑的各个方面扩

展,因而具有广阔的发展前景。在中国,膜结构的开发与研究还刚刚起步,因此当务之急是学习

并引进国外先进技术,开发生产我国自己的膜材,解决设计。随着“鸟巢”、“水立方”的方案

采用膜结构幕墙和屋顶，我国索膜建筑和膜材事业的得到了长足发展。目前，在全球范围内

索膜结构无论在工程界还是在科研领域均处于热潮中。随着现代科技的进一步发展，使人类

面临着保护自然环境的使命。因此，天然材料和传统的古老建筑材料必将被轻而薄且保温隔

热性能良好的高强轻质膜材所取代，其在建筑领域内的应用会更加广泛。

索膜结构体系概述

索膜建筑具有易建、易拆、易搬迁、易更新, 充分利用阳光空气与自然环境融合等特

长, 它是21 世纪“绿色建筑体系”的宠儿。现代索膜建筑的设计过程是借助于计算机的图

形功能和多媒体技术, 把建筑功能, 内外环境的协调, 结构找型与材料的选择统筹规划集

成一体。专业化的制造公司兼做结构设计与施工。

结构设计包括: 结构找形, 结构体系内力分析, 膜面剪裁设计; 及完成相应的索与膜

的下料与零件的加工图纸。施工过程可为三阶段: 在工厂内完成膜材的剪裁, 初始粘合; 钢

索与膜面现场安装,拼合与初始成型; 张拉定位索与顶升支撑杆对膜面施加预应力达到设计

成型值。

当前, 国际范围内, 索膜建筑的功能膜材料的开发, 索膜结构的找形, 内力与裁剪计

算分析的科研正处于热潮中。索膜建筑的设计与施工领域中的诸多的“难点”问题急待解决。

城市与环境建设的发展不断提出的建设项目。常有建筑师和建筑系的学生上门来讨论设计方

案, 多数把索膜建筑曲解为可任意“畅想”和随意“造型”, 而对索膜建筑的基本体系和内

涵知道甚少, 当然这样的设计方案或是不能实现或是浪费资源。

一、充气式索膜结构体系建筑

充气式索膜建筑按其构成结构可分为, 气撑式索膜结构体系和气肋式索膜结构体系。

气撑式索膜结构体系

依靠空压和送风系统向室内充气(超压) 顶升和成型建筑物的膜面屋盖称为气撑式索膜

结构体系。气撑式索膜体系的覆盖膜面处于张力状态时, 合理的体型应是圆筒与割球弧面,

椭圆筒与割椭圆球弧面或变异的底部圆角矩形筒与割球弧面形体组合。膜面的矢跨比应考虑

结构在风载作用下的形体稳定和建筑功能的要求, 通常矢跨比不应大于0175。气撑式膜面

上应有交叉的缆索约束其变形, 缆索与膜面的底边嵌固在环形或矩形墙梁上。

气肋式膜结构体系

由充气后具有拱形支撑能力并用膜肋分隔的独立密闭仓构成的屋盖体系称为气肋式结

构体系。气肋式与气撑式相比的优越性是室内为常压气体环境。

二、空间张力膜结构体系及

它的基本形体单位

空间张力膜结构的基本形体体系单位为双曲抛物面单元(鞍型单元) 和类锥型悬链面单

元(帐篷单元)。

双曲抛物面单元(鞍型单元)

以世界著名B irdair 膜工程公司的入口雨篷为例。标准的双曲抛物面单元膜面的水平

投影为正方形或棱形, 膜面周边设置约束边索, 两对角点高差的存在使曲面稳定。在对膜面

的两对角张拉时(施加预应力) , 构成具有整体刚度的双曲抛物面空间形体, 俗称鞍型膜面

单元。鞍型膜面单元构成的屋盖易于排水, 投影下的建筑空间可充分利用, 因此它非常适合

做遮阳篷。

类锥型悬链面单元(帐篷膜单元)

类锥型悬链面单元是由悬链线绕中心轴旋围合而构成的空间曲面, 俗称帐篷膜单元。帐

篷是人类早期用兽皮( 膜) 为材料构筑的建筑空间。现代索膜结构延用并发展了它的构筑模

式, 中心支撑杆挂起吊环, 膜布嵌固于环上,帐篷膜周边形状可以是圆形也可以是矩形, 用

定位杆和地锚索固定于地面或建筑的环梁上。与鞍型膜面相比帐篷膜易筑成封闭的空间, 帐

篷膜单元可以组合构成群峰帐篷膜建筑, 其室内空间高低变换有秩。帐篷膜顶的吊环如用悬

挂在室外桅杆上的钢索吊起, 室内则成为无柱的空间。索膜建筑不同于传统刚性建筑,它易

变形, 在风作用下会出现颤动, 因此帐篷膜顶的吊环, 无论是室内顶起或是室外挂起, 都应

设计成可摆动的构件, 否则帐篷顶部的膜面会因超出允许应变而撕裂。帐篷膜的顶帽固定在

吊环上, 它的功能具有封顶, 防水与通风。

三、索膜穹顶结构体系

20 世纪50 年代, 美国建筑大师富勒(B. Fuller) 受自然现象启发构筑了富勒球结构, 他

描述这种结构理念为“压的孤岛存在于拉的海洋之中”, 即由不连续的系列压杆与连续的系

列拉索构成整体空间球结构。美国著名结构专家盖格(D. Geiger) 认为富勒球属于张力结构

体系, 体系中的拉索若无松驰则无失稳之虑, 并依此设计了索穹顶大跨空间结构体系。而后,

建筑膜材用于索穹顶结构中, 出现了为国际空间结构工程界所瞩目的索膜穹顶结构。从汉城

奥运会体操馆开始, 世界上百米跨度(最大跨度可达400m ) 以上的体育馆多数采用索膜穹

顶结构设计与建造。

四、桅杆斜拉式索膜结构体系

从竖起的高耸桅杆顶部用钢索拉起膜面支撑架或直接由外部拉起膜面(类似斜拉桥结构

体系) , 可称为桅杆斜拉式索膜结构体系。这个体系的特点是室内为无柱的大空间, 但室外

立起的桅杆和拉索占据了大面积的场地。

五、蒙皮膜建筑

上述介绍的索膜建筑中的膜, 是张力结构体系中不可缺少的组成部分, 依托膜内的应力

分布与传递才能构成结构整体稳定, 这就是被称之为索膜结构体系的原因。蒙皮膜建筑中膜

的主体作用为建筑的围护构件, 它的结构作用仅是替代传统建筑中的墙板和屋面板。蒙皮膜

建筑的隔热与保温可以通过增设内层膜后形成的封闭空气层的隔绝性能来实现。