膜结构

摘 要

膜结构系统是由膜、索、桅杆、梁柱、基础等组件组成的，可以创造出

优美的曲面造型；可以覆盖大跨度空间，并且重量轻，具有优异的结构特性。

同时，膜结构在照明、声学、防火、保温、节能与自洁等方面也具有许多优

点。现代意义上的膜结构在国外经过30多年的发展已经趋于成熟。自1997

年上海八万人体育场建成以来，膜结构在我国内地已得到较多应用，被广泛

应用于体育场、展览馆、加油站等建筑中。

膜结构的组件与传统结构中的构件截然不同，其连接方式与传统结构中

构件连接方式差别也非常大。膜结构施工与传统结构施工最大的不同在于膜

结构的节点连接。本讲义对膜结构的节点连接进行了比较系统的概括，主要

体现在以下几方面：

一、.综合阐述了膜结构中各类材料的性能及其特性；

二、将膜结构中的各类节点进行了新的分类，使之条理更加清晰；

三、分析了膜结构的节点受力特点，并提出膜结构中节点的设计原则和

要求；

四、对膜结构的节点按类别进行了系统的介绍；

五、对典型节点进行了受力分析；

本讲义的编写得到了土木工程学院领导的大力支持，在此表示感谢。由

于本人水平有限，加之时间仓促，讲义中谬误之处在所难免，望读者及时提

出批评指正。

目 录

第一章 绪论 ...................................................... 3

第二章 膜结构体系及其组成材料 ................................... 10

2.1 膜结构体系 .................................................. 10

2.2 膜结构组成材料 .............................................. 17

第三章 膜结构节点构造 ........................................... 26

3.1膜结构节点分类、特性及其设计要求 ............................ 26

3.2 膜材连接节点 ................................................ 30

3.3 索材连接节点 ................................................ 53

3.4支承骨架连接节点 ............................................ 59

第四章 工程实例―徐州“月影风帆”膜结构改造设计 ................. 65

II

第一章 绪论

人类的建筑活动从远古时期的帐篷到现代空间结构的膜结构，经历了漫

长的发展历程。认识膜结构的发展历程有助于我们认识建筑膜结构技术的演

变规律，更好地进行建筑设计。

一、膜材的发展概况

远古时期，人类最早的居所是帐篷。它采用树皮、兽皮作帏幕，用石材、

树干等作支承，以后逐渐发展为天然合成材料，如棉纱、毛纺、帆布等。可

以说这是最早的膜结构雏形。现代膜结构则采用钢材、合金等作结构件，用

精细化工织物作覆盖帷幕。

现代膜结构体系是随着膜材的发展而逐渐发展起来的。早期的膜材，以

聚氯乙烯为表面涂层、聚酯纤维为基布的膜材为主，现称C类膜（PVC/PES），

建筑与结构受力性能均不理想。

二十世纪六十年代，玻璃纤维织物膜技术得到了发展，并在较大范围内

得到了应用，但表面涂层材料仍然采用聚乙烯基类，现称B类膜。膜材强度

较高、模量大、徐变小，但建筑自洁性、耐久性仍不理想。

直至二十世纪七十年代NASA成功研究出具有优异建筑性能的聚四氟乙烯

表面涂层材料（化学名PTFE，商品名TeflonR）。同时，玻璃纤维织物膜技

○

术日趋成熟。使得以玻璃纤维为基布、PTFE为涂层的现代织物膜材问世，现

称A类膜，并开始工程应用。

[1]

随着科学技术的发展，新型膜材ETFE、THV、FEP等的不断问世，膜结构

获得到了迅速的发展。但以玻璃纤维为基布、PTFE为涂层的A类膜材和以聚

酯纤维为基布、聚乙烯基类为涂层的C类膜仍然被认为是标准的建筑膜材。

二、膜结构的国际应用状况

膜结构是一种全新的空间结构形式，造型丰富、充满张力、空间自由灵

活、重量轻、抗震性能好、建设周期短。因此许多国家的奥运会、世博会、

园艺会的场馆和其他民用建筑越来越多地采用膜结构。

现代意义上的膜结构起源于20世纪初。1917年英国人ster提

出了用鼓风机吹胀膜布用作野战医院的设想，并申请了专利。但当时这个发

明只是一种构想。直到1946年，该专利的第一个产品才正式问世，这就是

Watler Bird为美国军方设计制作的一个直径

15m的球形充气雷达罩（图1.1）。1957年他又将自家的游泳池罩在了一个充

3

气膜结构中，并在美国的生活杂志上作了介绍，从此这种结构形式开始被世

人所认识。

图1.1美国军方球形充气雷达罩

20世纪50年代，德国建筑师Otto创立了预应力膜结构，并在帐篷制造

公司的支持下完成了一系列张拉膜结构。Otto的第一个现代张拉膜结构是

1955年为德国联邦园艺博览会设计的一个临时性音乐台。1957年他又为另一

届博览会设计了更复杂的场馆入口挑篷及音乐台（图1.2）。随后，Otto将张

拉索-膜结构技术又向前推进了一步，将索网引入张拉膜结构中，1967年设计

完成的加拿大Montreal博览会的德国馆就是其中一例（图1.3）。该结构平面

变化极为自由，索网屋面或支或挂在11根布置灵活的桅杆上。那高耸的桅杆、

变幻的曲面以及那富有机械技术表现力的节点形式给人以强烈的艺术感染

力，使其成为20世纪最具影响力的建筑之一。德国馆的成功也使建筑师Otto

享誉世界。1972年Otto与Behnisch合作完成的Munich奥林匹克中心（图

1.4）为其又一力作。该结构的形式与德国馆类似，不过，在该设计中他解决

了柔性索网屋面与刚性玻璃幕墙的连接构造问题，使游泳池成为全封闭的室

内空间。这两个设计向人们展示了柔性张拉结构及其丰富的艺术表现力，也

使得Otto成为膜技术的先驱者。

[2]

图1.2 德国联邦园艺博览会音乐台 图1.3加拿大Montreal

4

博览会德国馆

图1.4 Munich奥林匹克中心

膜结构的第一次集中展示并引起社会广泛关注与兴趣的是在1970年日本

大阪万国博览会上。由于日本是个多地震国家，且博览会会址的地质条件较

差，各国建筑师与工程师便纷纷选择了膜结构这种自重轻、抗震性能好、施

工速度快且形态各异的结构形式作为临时展馆，如巨大而扁平的美国馆（图

1.5）、彩虹状的富士馆（图1.6）、蘑菇形的休息大厅、云一样的节日广场等。

博览会上的美国馆是一个椭圆形充气膜结构，139mX78m无柱大厅的屋面由32

根沿对角线交叉布置的钢索和膜布所覆盖。整个工程只用不到10个月时间就

完成了，该设计不仅表现了膜结构非凡的跨越能力，而且表现了其很好的经

济性。富士馆采用的是气肋式膜结构，平面为圆形，直径50m，由16根直径

4m、长78m的拱形气肋围成，气肋间每隔4m用宽500mm的水平系带把它们环

箍在一起。中间气肋呈半圆拱形，端部气肋向圆形平面外突出，最高点向外

突出7m。这也是迄今为止建成的最大的气肋式充气膜结构。这次博览会是薄

膜结构系统的、商业化的向外界展示的开始，是建筑业的一次革命，极大地

推动了薄膜结构的工程应用。

[3]

5

图1.5美国馆 图1.6 彩虹状的富士馆

在1989年的美国San Diego会议中心首次使用了“飞柱”（图1.7），由

5个91.5mX18.3m的张拉膜单元形成了宽敞无柱的大空间。该会议中心包括展

览厅、音乐厅及宴会厅等，素有美国的“悉尼歌剧院”之美称（图1.8）。而

1993年建成的Denver国际机场候机大厅（图1.9）则被看做寒冷地区大型封

闭张拉膜结构的成功范例。其平面尺寸为305mX67m，由17个连成一排的双支

帐篷膜单元屋顶所覆盖。屋顶由双层PTFE膜材构成，中间间隔600mm的空气

层，保证了大厅内温暖舒适并且不受飞机起落所产生的噪音的影响。设计中

利用直径达1m的充气软管解决了膜屋顶与幕墙之间相对位移时的构造连接问

题。

图1.7 San Diego会议中心飞柱

6

图1.8 San Diego会议中心 图1.9 Denver国

际机场候机大厅

1986年建成的韩国汉城（现称首尔）亚运会的体操馆（直径120m）及击

剑馆（直径90m）首次采用了索穹顶（图1.10）。

[4]

图1.10 索穹顶

20世纪末，为迎接千禧年的到来，在伦敦的格林尼治半岛北端建造了千

年穹顶（图1.11）。穹顶周长1km，直径365m，覆盖面积100000m，中心高度

2

为50m，由12根100m高的钢桅杆将圆球形膜屋顶吊起，这座穹顶集中体现了

20世纪建筑技术的精华。

图1.11 千年穹顶

三、膜结构的国内应用状况

自1995年以来，薄膜结构在我国的运用也日益增多。1995年建成的北京

房山游泳馆（跨度33m，面积1100m）和鞍山农委游泳馆（跨度30m，面积1000m）

22

是我国第一次正式应用于工程的空气支承膜结构，标志着我国内地膜结构工

程的启动。

1997年通过引进国外膜结构技术建成的上海八万人体育场，平面尺寸为

288.4mX274.4m，覆盖面积为2.89万m，由57个伞状膜结构单元覆盖在沿径

2

向、环向布置的立体桁架上，径向桁架最大悬挑72.5m（图1.12）。这是膜结

7

构在大型建筑中应用的开始。之后，相继建成了青岛市颐中体育场、义乌市

体育场、威海市体育中心体育场等大型体育场看台挑篷膜结构工程。

图1.12 上海八万人体育场

除应用于体育场外，在体育馆及会展中心的建设中膜结构也得到了较多

的应用。如深圳欢乐谷中心表演场（图1.13），其结构平面形状呈圆形，膜水

平投影面积为5800m。它由15个锥形膜单元组成，每个锥形膜单元的顶点由

2

一根钢管支撑，从而形成脊谷式膜单元布置。

[5]

图1.13 深圳欢乐谷中心表演场

膜结构的诸多优势已为国内外的大量工程实践所证实。根据建筑师的创

意，膜结构可以塑造出传统建筑难以实现的许多优美的曲面造型，可以经济

合理地覆盖大跨度空间，同时在照明、声学、防火、保温、节能与自洁等方

面也具有许多优点。特别是2008 年北京奥运会，2010 年上海世博会和各地

举办的大型体育活动、商展活动以及群众性体育活动的普及等都将为膜结构

的腾飞创造机遇。近年来膜结构在我国内地已得到较多应用，但仍属起步阶

段，与国外先进水平相比还存在着明显差距，因此必须充分重视新型膜材的

研制、先进设计软件的开发、结构体系的创新，同时应重视设备更新与工艺

改革、健全膜结构行业组织,以适应膜结构进一步发展的需要。

8

参考文献：

（1） Tesioned Fabric Structure-A Practical Introduction (ASCE-1852)

（2） Frei Otto. Tensile Structures, Volume 1~2. The M.I.T Press, 1967

（3） 陈志华，多姿多彩的充气膜结构[J]，建筑知识，2000，第四期，12~14

（4） 陈志华，张拉膜结构[J]，建筑知识，2000，第六期18~20

（5） 杨庆山 姜亿南 张拉索-膜结构分析与设计[M] 北京：科学出版社，

2004，6-12

9

第二章 膜结构体系及其组成材料

2.1 膜结构体系

按照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张

拉膜、骨架式膜、充气膜、索桁架膜结构、张拉整体与索穹顶膜结构，它们

具有不同的结构特点、建筑表现形式，适应不同的应用场所。

一、张拉膜结构（Tensioned Membrane）

张拉膜结构是由稳定的呈负高斯曲率的膜面、支承桅杆体系、支承索与

边缘索等构成的结构体系。张拉膜曲面是维持张拉膜结构体系的重要的结构

单元，一旦膜面破裂、离开膜面，整个结构支承体系将失去平衡处于不稳定

状态甚至倒塌。因此设计时应使支承体系具有合理的安全余度和一定的超稳

定性。张拉膜充分发挥张力曲面膜的特点，造型丰富，空间曲面飘逸流畅平

滑柔软，无柱大跨空间通透简洁明快，张拉索、稳定索，平衡索膜内力的边

缘索纤细有力，与膜曲面协调一致。

张拉膜空间曲面的建筑边界必须具有稳定的形态，同时要求在外荷载的

作用下具有优异的结构抗力与变形能力，这些都与膜的初始基本形态紧密相

关。初始形态问题主要是解决张拉膜、索网等轻量预张力与空间曲面形状之

间的协调作用，并使它们达到平衡状态。同时初始状态应具有很好的结构特

性，方便加工、安装，并有一定的经济性。张拉膜初始形态确定的方法很多，

早期通过肥皂泡模型等物理实验确定，目前主要借助于计算机数值模拟技术

[1]~[3]

。

张拉膜的形式与预张力水平在结构性态中起着决定性作用，其预张力水

平与膜材、自由跨度有关，同时还要考虑建筑环境的差异。A类膜 (PTFE/GF),

玻璃纤维织物膜在无支承情况下，净跨度一般不大于20~25m，经纬向预张力

一般在4kN/m以上；C类膜(PVC/PES),聚酯类织物膜一般不大于15~20m，经

纬向预张力应不低于2~4kN/m。鉴与此，安装过程应严格控制膜内张力索拉力，

以保证其结构性态。张拉膜曲面单元大小一般应小于500~1000m,以便于制作

2

与安装和结构受力。特殊的张拉膜结构体系可做到更大面积，但应对结构受

力、构造、制作与安装进行充分的综合技术论证。

Frei Otto是德国Kasl(1955)、Colonge(1958)等设计并建造了多个较

小复杂不一的展览张拉膜，张拉跨度在25m以下。但最早的、真正意义的经

10

典现代张拉结构体系，一般认为是1967年Frei Otto为加拿大Montreal世

界博览会设计的德国馆，图1.3，花了设计人员几年时间研究制作，但现场仅

6周安装时间，所有构件均在德国制作，约150t，相当于普通屋面的1/3~1/5。

德国馆有8根14~38m高低错落排列的桅杆支承索网，内部索直径12、边缘索

直径54，索网下张拉半透明的PVC膜。

随后近半个世纪里，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，小型景观作品等，特别是在现代

膜结构发展的初期。

二、骨架式膜结构（Space Frame Membrane）

骨架式膜结构由呈负高斯曲率的膜面和骨架组成，骨架自身具有稳定性

和完整性，张拉膜置于骨架上，骨架自身具有稳定性和完整性。骨架式膜结

构的显著特点在于：膜不是维持结构体系存在的必要结构单元，但膜又不仅

仅是单纯的覆盖屋面系，而是充分发挥了采光建筑功能、及其优异的结构性

能。

由于膜张拉强度很高可以承受较大的预张力的作用，因此，膜可覆盖大

网格或大间隔空间骨架（一般网格距离在4.0~6.0m左右）。骨架式膜是一种

十分稳定的结构系统，骨架自身构成稳定的结构体系。膜覆盖于结构之上，

比较而言膜的初始形态更易于实现。

虽然预张力对骨架式膜的“形”与“态”的影响不及张拉膜，但仍必须

引入足够大的张力，一般经纬双向的应力分别在1.5~4kN/m(PVC/PES)和

2~6kN/m(PTFE/GF)以上，以保证结构受力特性，避免在风荷载作用下膜面发

生较大颤振或波浪，并由徐变松弛导致膜面凹陷。膜的预张力水平一般由其

工作环境，膜面积大小等因素决定。骨架式膜结构的膜面一般较小，膜内张

拉力对膜面变形比较敏感，徐变作用容易使初始预张力变小、膜松弛。膜面

预张力在早期的损失比较显著，因此，需要设计合适的临时或永久性的预张

力二次调整引入机制，一般情况下，在施工完成后的24小时左右可以进行首

次二次张拉。

骨架一般设置于膜内侧，由于膜的透光性会突显骨架的室内视觉效果，

因此，骨架的布置、形式、材料、节点等是设计考虑的重点，应力求简洁、

富于韵律。在现代膜结构发展的早期，骨架式膜应用较少。但是，现代膜结

构有膜面曲率减小、趋于平缓、预张力水平增加的趋势，骨架式膜具有更广

泛的应用领域，特别是对于大型公共体育馆、体育场、公路收费站、展览馆

11

等。

[4]

三、充气式膜结构(Pneumatic Membrane)

充气式膜结构包括气承式膜结构(Air supported membrane)和气囊式膜

结构(Air Inflated Membrane)。

[1][3][5]

充气式膜结构是将膜面周围边缘固定于闭合刚性支承结构或基础，利用

风机对膜建筑室内持续送风达到一定气压力，保持一定的内气压，逐渐鼓起

膜面至设计空间曲面。内外压力差使膜面受拉，确保膜面具有足够的刚度和

持续稳定的形态，抵抗外部荷载与作用。

充气式膜结构利用气压差作为结构受力支承平衡体系，无需任何梁柱支

承构件，从而获得更大的建筑空间，室内简洁美观，安装快捷，但持续运行

及机器维护费用较高。膜外部造型必须为穹顶形式，相对单一。内外压差，

以及外部作用（风压、雪）引起内力的变化对人的舒适感有一定的影响。

早期的气承式膜结构矢高大，为球面形状。第一个现代冲气膜结构为1946

年由建造的多谱勒雷达穹顶(Doppler Radome),如图2.1a，在康耐尔

大学研制而成，其直径15m，矢高18.3m，采用玻璃纤维基布氯丁二烯橡胶涂

层膜（B类膜）。焊合缝75mm宽，与膜材等强，膜材安全系数3.0倍。随后在

美国、德国建造了一批相似膜结构，跨度达到60mm。Radome膜安装迅速，直

径50m左右穹顶仅用3~4小时即完成，可重复安装应用，但其矢高太大，不

适宜一般建筑，特别是大跨膜结构，60m至100m跨以上。

1970年日本大阪世博览会美国馆是充气式膜结构发展历史上的一个里程

碑，平面呈椭圆形，139mX76m，首次在充气式膜结构采用斜向交叉（夹角60）

0

的稳定钢丝绳，实现了低轮廓矢高小（6.1m）气承式膜穹顶，膜为EC3玻璃

纤维基布涂层为聚氯乙烯树脂（B类膜）。

Geiger-Berger公司在70年代发展了气承式膜结构，以及PTFE涂层玻璃

纤维膜（A类膜）的应用，在美国、日本出现了许多特大气承式膜结构。1970

年，首个特大型（220m×168m）低矢高膜穹顶（Silver Dome）在Pontiac城

建成，为拥有八万坐席的多功能体育娱乐设施。八十年代，美国共建7个。

1983年在Indianapolis建成Hoosier穹顶，如图2.1b所示。之后停止了新

建的气承式膜穹顶。日本1988年建成Tokyo Dome，展示了现代膜结构的各种

技术，如膜材建筑防火、荷载分析、气压控制、安全度以及安装等，得到了

广泛的认同。

[6]

大型公共建筑气承式膜结构，膜材一般要求采用A、B类膜，稳定索间距

12

10~15m，最小气压为1.5~2.0psf(0.07177~0.095697kN/m)。

2

（7）

（a）多谱勒雷达穹顶（Doppler Radome） （b）Hoosier

穹顶

（8）

图2.1 气承式膜结构

气囊式膜结构为自立式双层膜，在双层膜面之间充气加压形成具有一定

刚度和稳定形态，依靠双层膜整体来承受外部荷载。气囊式膜与外部支承结

构体系容易组合成为各种造型的综合建筑和单独景观。虽然，气囊式膜内气

压比气承式膜结构略高，但一般仍为0.08~0.30kN/m。双层膜气囊可作为复

杂建筑体的基本单元或独自作为建筑主体。

1992年塞维利亚世博会德国馆为双层膜气囊。现在ETFE非织物膜为双层、

三层或多层气囊式膜。采用ETFE非织物膜，气囊式膜可作为飞船着陆缓冲气

囊、高低空飞艇、宇航空间天线、宇宙生活舱、儿童玩具、广告载体等，但

不同应用领域对材料特性、气压控制水平、设计思想有所差异。

由气囊构成结构部件，借以减少充气维护，减小气囊对整体结构的影响，

是气囊式膜结构发展的趋势，如ETFE 膜的建筑设计思想，以及瑞典为庆祝新

千年在斯德哥尔摩老城Gamla Stan岛建设的千年拱，如图2.2，取神似于悉

尼歌剧院，由7个自立拱组成，总长100m，主拱11.5m高，18.0m跨，分三

段拱50.0m长(1.2t)，端拱12.5m长(135kg)，高低错落，现场组装充气。由

英国Lindstrand公司制作完成，并获IAF2003杰出成就工程奖，该公司主业

飞艇，但完成了一系列富有个性特征的自立充气膜结构工程。

2

13

（a）千年拱建筑 （b）自立拱单元

图2.2 斯德哥尔摩千年拱

四、索桁架膜结构(Cable Truss Membrane)

索桁架膜结构是以张拉索和膜材作为结构体系，承受外部作用力的轻质

索支承张拉膜结构。与张拉膜相比，索桁架张拉膜结构的索桁架自身为完整

稳定的结构体系，可独立于膜存在，在特定的预张力膜态下，具有足够的刚

度来承受风荷载、雪荷载等。与骨架式膜结构相比，索桁架支承体系可实现

更大的网格间距，更加简洁的空间形式。索桁架膜结构中的膜材不仅是满足

建筑功能要求的半透明覆盖材料，同时还要承受一定的外部荷载。

索桁架膜结构主要包括受拉的环向索、径向索桁架，压力环、覆盖膜，

以及必要的桅杆、吊杆等。压力环可采用钢结构管、桁架或钢筋混凝土。膜

材一般应用A类膜或B类膜（玻璃纤维织物基布）以满足建筑和结构的要求。

平面可以为椭圆形，索可布置为毂轴辐射状。对大型运动场，可仅覆盖看台，

形成中空的椭圆。环向索拉力从中部向外环逐渐递次减小，因此，环索直径

从中部向外环也逐渐递次减小，内环索最大，一般可采用4、6、8、12根组

合索。径向索一般受力比较均匀，当为马鞍形立面时受力不均匀，径向索间

距一般为15.0~25.0m，比一般骨架式网轴或柱距大。

索桁架膜结构不仅可获得优异的建筑效果，同时也具有完美的结构受力

性能、且综合造价底，是大型体育场（罩棚挑臂大于30.0m以上）一种经济

美观的建筑结构解决方案。如意大利新罗马奥林匹克体育场（Rome Olympic

Stadium，1990）（图2.3a）仅设置了78根径向索、稳定索和垂直的吊索，径

向索之间为9根π形钢管作为膜支承，压力环为三角形截面钢管桁架。戴姆

勒体育场（Gottlieb-Daimler Stadium,1993）（图2.3b）挑臂58.0m，40根

径向索，间距20.0m，覆盖3.4万平方米，径向索连接7个钢管拱（矢高小

1/8~1/10）形成拱形膜双曲面。马来群岛国家运动中心体育馆(Malaysia

National Sports Complex,1998), 挑臂62.0m，面积3.8万平方米，36榀径

向索桁架，钢索为自锁型，截面直径为100mm，压力环为钢管（钢管直径为

1400mm）。科威特体育场，平面尺寸为256.48m×282.4m，呈椭圆形，立面呈

马鞍型，由54道径向索φ50，10道环向索（由圈梁至内环，编号1~10），内

环索8根φ90阵列2X4，由内环向外的9~10、7~8、4~6、1~3分别为φ90的

钢索，数量为6、4、2、1根。在径向索和环向索构成的四边形索网格上由飞

柱(Flying Mast)、下张拉稳定索构成连续张弦膜单元。

[6]

14

（a）New Rome Olympic Stadium （b）Gottlieb-Daimler Stadium

图2.3 索桁架膜结构

五、张拉整体膜结构（Tengrity Membrane）

张拉整体膜结构由连续拉力杆件和局部压力杆在一定空间内按照特定几

何拓扑关系构成具有自稳定性的闭合结构体系。拉力杆件可以是连续的膜面、

线形索或细棒，压杆可以是各种钢管等受压的构件。

图2.4a为基于短程线穹顶构造的张拉整体结构，等份频数为6。图2.4b

为四面体构成的张拉单元，内部为张拉球体。基于张拉整体概念，可以构造

球面、圆柱面、平板、伸展臂（Mast）桁架空间结构体系。

（a）20面体张拉结构（Icosahedron） （b）四面体张拉单元(Tetrahedron)

图2.4 张拉整体结构

[4]

如果膜面是张拉整体的拉力杆件，或者膜与张拉整体体系结合作为次级

结构或覆盖体系，在此都称为张拉整体膜结构。气囊式膜也可以理解为特定

的张拉整体体系，受拉是连续的膜面，受压是内部非连续的气体分子（宏观

指气体）。

张拉整体的索穹顶（Cable Dome）与膜得到了完美的结合，形成了特殊

形式的膜结构体系，膜的轻量、张力、柔性特征充分体现了连续拉杆、局部

15

压杆，但它不是一个独立自平衡稳定体系，必须依靠连续强大的压杆（圈梁）

来抵抗拉力。

Geiger体系径向脊索、环索、斜索与压杆和刚性边界构成对称平面索张

力桁架体系，一般加谷索使膜面形成具有负高斯曲率的脊谷形，从而使膜、

谷索构成次级结构体系，如图2.5，用刚性屋面可构成理想球面穹顶。Levy

发展为三角形网格体系，具有更大刚度和整体稳定性，但节点构造复杂，安

装技术要求高，如亚特兰大Georgia Dome。

（a）红鸟竞技场 （b）桃园竞技场

图2.5 张拉整体的索穹顶

膜结构体系是随着人们对膜结构认识程度的不断深入而逐渐发展完善起

来的。选择或创造合理的膜结构体系是结构工程师在设计膜结构建筑时需要

重点考虑的问题。膜结构体系不仅要满足结构受力的要求，还要能满足工程

使用、建筑空间和建筑外观的要求，达到建筑与结构的完美统一。随着人们

对膜结构认识程度的不断深入，新的膜结构体系还将不断出现，创造新的膜

结构体系并应用于工程实际，具有非常重要的积极意义。

16

2.2 膜结构组成材料

膜结构是由多种材料组成的复合结构，从材料组成来看，膜结构一般由

建筑膜材、索和钢材等所组成。

一、建筑膜材

现代建筑膜材均为复合材料，一般由中间的纤维纺织布基层和外涂的树

脂涂层组成，称为涂层织物（Coated Fabrric）。应用于结构中的膜材，其基

层是受力构件，起到承受和传递荷载的作用；而树脂涂层除起到密实、保护

基层的作用外，还具备防火、防潮、透光、隔热等性能。

[9]

(1)膜材涂层：目前已生产出多种树脂涂层材料，如聚氯乙烯（PVC）、聚

四氟乙烯（PTFE，杜邦公司商品名为Teflon）、硅酮、聚氨酯膜材涂层等。其

中前三者为建筑膜材常用的树脂涂层材料。聚氯乙烯（PVC）应用最早，有多

种颜色可供选用，柔韧性能较好，可卷折，使用方便，易与其他构件连接；

但其抗紫外线性能较差，在太阳光的长期照射下，易发生化学变化，造成灰

尘、油渍的附着，且不易清洗、自洁性差，进而降低透光率。因此，外涂聚

氯乙烯的膜材一般应用于临时性建筑。为克服上述缺点，可在PVC涂层外敷

化学稳定性更好的附加面层如聚二氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯（PVF）等，

这样会使膜材的自洁性得到较大提高。目前，涂覆了PVDF的PVC膜材已应用

于永久性及半永久性结构。

Teflon（聚四氟乙烯）是美国杜邦公司于20世纪70年代开发的专利性

产品。它为惰性材料，抗紫外线性能力强，透光性能和自洁性好，寿命长（25~30

年），具有可焊性，是永久性结构的良好选材。但是刚度较大，运输及施工中

的卷、折会使膜材基层纤维的强度降低，故施工方便性能较差，而且在其变

形过程中易产生微细裂缝，使水侵蚀基层纤维，降低基层纤维的强度和使用

寿命。因此一般在基层和Teflon面层间加涂硅酮防水层。

硅酮是晚些时候开发出来的新型涂层材料，柔韧性、透光性、防水性均

好，施工安装方便，但自洁性比Teflon差，可焊性不良，拼接较困难。最近

有些生产厂商声称其硅酮产品在上述两个方面的性能已得到改进，如果这种

说法被实验及工程实践所证实，硅酮将可能成为另一种优良的永久性膜材涂

层材料。

(2)膜材基层：可供选择的基层纤维品种已是很多，如碳纤维、Kevlar(芳

纶)纤维、聚酯纤维、玻璃纤维等。根据建筑结构使用强度的要求，建筑膜材

17

的基层纤维一般选用玻璃纤维或聚酯纤维。玻璃纤维一般由石英、钙、硼、

铁、氧化铅等成分组成，弹性模量和强度均较高，徐变小，属脆性破坏材料；

湿、热环境对其力学性能具有一定的影响，但这种影响会通过涂层的覆盖而

减弱。聚酯纤维在拉力和紫外线的长期作用下会有较大的徐变，容易造成膜

面皱褶，进而使灰尘、异物在皱褶处聚集，影响感观效果及透光率。

(3)膜材产品：将各种纤维基层与树脂涂层相结合可得到多种建筑膜材，

常用的有外涂聚四氟乙烯的玻璃纤维膜（一般称为PTFE膜材）、外涂聚氯乙

烯的聚酯纤维膜（一般称为PVC膜材）和外涂硅酮玻璃纤维膜。膜材厚度一

般为0.6~2mm左右，自重约为1kg/m左右。PTFE膜材一般用于永久性建筑，

2

PVC膜材一般应用于临时性建筑。由于PTFE膜材对加工及施工工艺方面的要

求较高，在我国尚未得到广泛应用。目前国内应用较多的是含PVDF面层的PVC

膜材，一般认为PVDF可显著改善PVC膜材的抗紫外线能力，提高自洁性，使

用寿命可达15年以上。同时国内有关单位也正积极对PTFE膜材进行开发。

随着膜材科学技术的不断发展，各类新型膜材不断涌现，目前已得到一定范

围应用的有ETFE、THV等。

膜材产品的抗紫外线能力、透光性、自洁性、保温性和隔音性是选用时

需考察的主要建筑物理指标。建筑结构必然长期暴露在阳光下，故膜材涂层

应具有较强的抗紫外线能力。膜材均具有一定的透光性，但不同产品差异较

大。

膜材自身隔音性能并不良好，采用有空气夹层的双层膜可使其性能得到

改善。自洁性是指膜面在雨水冲刷下的自我清洁能力，因此膜材涂层一般采

用惰性材料，以保证其与环境介质中的灰尘、有机污渍不易结合。

结构的自洁性除与材料本身的自洁性有关外，还与所处环境及建筑设计

有关。膜材的自洁性只为结构自洁性提供了必要的物质基础，只有良好的设

计如增加曲面斜率以提高雨水冲刷速度等，才能使其自洁性能得到充分发挥。

当环境比较恶劣、污染较重或膜面较平坦时，为保持建筑物的感观效果，定

期进行人工清洗是十分必要的。有必要提出的是清洗所用的清洁剂不能破坏

膜材的表面涂层。

膜材是半透明物质，对自然光有反射、吸收和透射能力，其透光率一般

为4%~16%，晴天室内照度达1000~2000Lx，雨天也可达到500Lx，可使白天室

内无需人工照明。充足的日光既能节约照明能耗，又能提供植物生长所需的

光照，从而创造良好的室内环境与气氛。而它对光的反射性能可减少热量的

18

获得，改善炎热地区室内居住环境，降低空调耗能。

然而，由于膜材质轻，热工性能较差，当膜结构用于寒冷地区尤其是游

泳池、植物园等建筑时应采取必要的防结露措施，如加强室内通风等。寒冷

地区的膜结构应采用双层膜，中间形成空气层，借以提高膜屋顶的保温能力，

如1993年建造的美国Denver机场候机大厅膜屋顶就采用了双层膜结构。如

果夹层中夏天输冷气，冬天吹热风，还可进一步增强双层膜的降温和保暖作

用。夹层中若填入透光性玻璃棉等隔热材料，将进一步提高其保温隔热效果，

从而为膜结构更广泛地应用到不同地域、不同气候环境中提供了十分有利的

条件。

二、索材

“索”是受拉单元的的统称。现代工程用索的严格定义涉及到三个术语：

线材、线股、钢丝绳。线股是由线材相互绞合而成的：几根线股围着一个核

心均匀放置绞合形成钢丝线。而索则是对各种钢丝绳的总称。索的核心分为

有机纤维和金属两类。一般工程结构用索不能采用有机纤维核心，因为有机

纤维核心受力后直径缩小导致索的伸长，这样会降低索的力学性能和耐久性

能。所以，结构用索一般是全钢索。

[10]

为了增加索的抗腐蚀性，通常采取两个措施：第一是给线材镀锌或镀铝：

第二是对钢丝绳包裹适当的润滑材料和防护套。封闭结构内的索采用镀锌或

铝的防腐处理方法就可：暴露式钢索必须同时采取上述两个措施。镀锌或铝

都可以都可以延缓线材的腐蚀，但目前使用最普通的是镀锌，电镀或热镀都

可以。一般采用纯度99.5%的高精细锌，镀层厚度为300g/㎡。对暴露式钢索，

尽管对线材采取了镀锌的措施，但索主要还是依靠润滑材料和防护套抗腐蚀，

所以应定期检查润滑材料和防护套是否磨损或发生化学反应而损坏剥落，并

决定是否需要维护和更新。

索的端头有两种，即浇铸端头和液压端头。对于较粗的索（直径﹥38㎜）

直径取2-3倍的索直径。典型的浇铸端头如图2.6所示。

图2.6 浇筑端头

直径较小的（小于38mm）的索可采用液压端头。液压端头是用压套机液

压成型的，可以是叉形、圆形或螺杆形。这样的端头可以达到95%的索最小抗

拉极限强度。典型的液压端头如图2.7所示。

图2.7 液压端头

所有形式的端头体在制作后必须进行严格的无损测试，检验荷载可取索

抗拉极限荷载的50%。通常通过随机抽取单个端头成品进行破坏试验，再配以

严格的操作程序控制，可作为同规格产品的质量保证。

（一）索的材料

工程结构用索的柔性要求不高，所以，钢索一般采用较粗的线材制造。

线材由直径小于12mm的热轧钢棒冷拉而成。钢材的含碳量通常应在0.5%~0.8%

20

范围内。钢棒材料加热到950℃，然后在550℃左右的熔炉内淬火，以达到易

于拉伸至最终直径和形状的纹理结构。钢棒在冷拉同时，其截面缩小，长度

增加、抗拉强度增加。

结构用索的线材抗拉强度可达1.6~1.8KN/mm，弹性模量在190KN/mm的

22

数量级上，在拉伸范围内一般可保持常数。钢索的抗拉强度和弹性模量一般

小于线材自身的强度和弹性模量。降低幅度取决于线材的绞合方式。

绞合方式可以由线材围绕索芯绞合缠绕一周的长度来定量描述。缠绕长

度越长，索的抗拉强度和弹性模量值越大，反之亦然。一般绞合索的缠绕长

度为索直径的9～12倍。索尺寸越小，缠绕长度可以越大。从而弹性模量和

抗拉强度就越大。对于大尺寸或多层线股。为了缠绕的紧密性和高质量必然

缩短围绕长度，从而降低了弹性模量和抗拉强度。

结构用索的另一个重要参数是索的密实系数。密实系数是指索中线股总

面积和索直径所对应圆面积的比值。密实系数越大，索的抗拉极限荷载越大。

显然，一般绞合索的密实系数要小于索芯索。

钢索的弹性模量一般在147～170KN/mm范围内。

2

索的线膨胀系数一般为3.9×10mm/mm/C。

-60

（二）钢索

钢索的结构特性主要包括：最小破断力、有效截面率、弹性模量、柔性

与弯曲等。

[11]

1、最小破断力Fu：指钢索拉断、钢丝应变0.2%、钢索应变2%时的拉力，

为钢索名义破断拉力。相同直径、索股与材质时，FC芯最低，IWRC高FC约

7.5%，WSC高FC约15%。相同直径、不同索体形式，最小破断力差异较大。

2、弹性模量Es：因钢索呈非线性本构曲线，弹性模量取10%Fu最小破断

力与90%P预张力两点间荷载位移割线模量，如图2.8所示，表达式为：

Ε=ΔF•LΔδ/A•Δd

seff

(2.2-1)

()

式中， 为10%Fu~90%P拉力增量，为相应伸长。L为钢索试件长，

ΔFΔd

不小于254㎝，愈长愈准确。为钢索有效截面积。φ10~φ102mmA级镀锌

Α

eff

IWRC普通钢索模量约为138kN/mm，B、C级镀锌钢索模量分别降低约3%~6%，

2

钢丝愈细降低较大。FC钢索尚应降低约5%~10%。钢索模量差异较大，应根据

具体构造确定。如一些特殊钢索接近或超过普通钢丝索、平行钢丝索，达到

约170kN/mm。

2

21

图2.8 钢丝绳应力应变关系

3、截面有效率：指实际钢丝面积与钢索名义直径确定面积之比。FC钢索

约50%，IWRC、WSC钢索约60%，普通钢索有2%变化。特殊钢索截面有效率较

高，如CASAR SuperliftTM达到75%。

4、柔性与弯曲：钢索弯曲导致内圈钢丝松弛，外圈钢丝挤压和拉伸。外

层钢丝因弯曲产生附加应力为

=Ed/(2R) （2.2-2）



s

式中：Es为钢索模量，d为名义直径，R为索鞍或卷轴半径。

表2.1为钢索直径，鞍座半径比值与强度折减系数，Rs为鞍座半径，ds、

dr为钢丝索和钢索直径，表中为IWRC钢索。钢索比钢丝索柔，FC比IWRC钢

索柔，IWRC比WSC钢索柔。弯曲应力原则应小于钢丝强度，但实践表明，由

于钢丝塑性、松弛可消除初始弯曲应力，可适当降低限制。

钢索、钢丝索弯曲强度折减系数



d

表2.1

R/d（钢丝索） R/d（钢索） 折减系数 (%)

ssss



20 15 100



d

19 14 95

18 13 90

17 12 85

16 11 80



15 10 75

钢索与卷轴或鞍座之间压力为

P=T/（d/R） (2.2-3)

式中：T为钢索拉力。

22

钢索与鞍座之间压力应小于钢索挤压承载力。从φ76（3’）以上钢索或

钢丝索，最大容许压应力为27.6MPa，到φ25（1’）压应力线性逐渐增大为

41.4MPa[1]。索芯索无软索鞍鞘和有鞘时，侧压力分别为1、2.5kN/mm。平行

钢丝索则分别为0.7、1.8kN/mm。软金属鞍可为铅、铜、铝厚度大于2mm。对

HDPE索套，挤压应力应小于索套承压应力，一般约1鞘.0~1.5kN/mm，除以钢

索直径可得压应力，如φ50压应力则为20~30Mpa。

鞍座索槽应比钢索名义直径大，最小值和最大值常为+3%~11%。钢索与索

槽间设计摩擦系数取7%，但实际可高达12%~15%。索槽边钢丝索偏转角宜小

于20、钢索宜小于40，否则，应特别试验钢索柔性及疲劳寿命。

5、疲劳：钢索在动载长期作用下产生疲劳效应。膜结构静载、预张力作

用小，钢索拉力仅15%~30%Fu，而最大风荷载下将达到50%左右，应力扰动幅

度大，但达到此应力幅度振动频率低。小应力幅振动循环次数大，但对疲劳

影响小。因此，常要求钢索疲劳强度300~400 MPa，最大应力0.45~0.55Fu，

200万次。

6、松弛：钢索在长期荷载作用下，随时间增长索内力逐渐减小。膜结构

使用的钢索要求具有较低的松弛，特别是对整体张拉、索网等结构，对预张

力水平较为敏感。应力松弛有可能导致预张力变化进而严重影响结构特性，

危及安全。

所谓低松弛（ASTM-A886，886M-94），指在常温202C、1000小时、荷



0

载为70% Fu松弛损失不大于2.5%，或者荷载80% Fu、1000小时松弛损耗不

大于3.5%。试件长度不小于60倍钢丝索直径。专用预应力索（7绞线）松弛

很小，索芯WSC钢绞索比IWRC索松弛小、平行索较钢绞索小。

由钢索制成结构索还必须经过预张拉，直径不大于φ63，钢索预张力不

小于50% F，常不大于55% F，变形小于0.01%，且给出预张拉时最小弹性模

UU

量。对直径大于63的钢索的预张力值需与制作单位研究决定。

结构索长度测定，应在预张拉状态而非无应力自由状态下准确测定并切

断为索长。索长误差须根据不同结构设计要求确定。对误差缺陷敏感的结构

体系，索长精度要求较高，势必增加制作技术难度和成本。对膜结构中长度

10~50m的索，其长度误差应在0.015~0.025%，且<10mm；对长度50~100m



的索，其误差应小于20mm；长度大于100m的索，其误差小于0.02%。



钢索成品为圈，盘卷半径需大于20倍钢索直径。无论FC、IWRC、WSC钢

索，一般取30倍钢索直径，可不计钢索弯曲影响。

23

结构索基本标识：L（长度）—φ（名义直径）—材质等级—索股数每



股钢丝数—索芯—镀锌级—捻法，如13500-φ28-1670-637-IWRC-A-LL。有



时需说明索股为标准钢丝或填充型。在结构设计，捻法不很重要，可不作要

求，但镀锌级需明确规定。

常规不锈钢索直径为φ6~18，可做到φ22~28，但需定制。结构设计常用

普通镀锌钢索直径φ12~63。结构索实际直径一般比名义直径有偏大公差

1~3%，不应偏小。

三、钢材

膜结构中所用的钢材与建筑钢结构中所用钢材其性能要求是一样的，在

此不再赘述。

材料是构成建筑结构的基本物质条件，设计过程中，设计人员对材料必

须要有清楚的认识，并合理地选择应用。在工程设计图纸中应对所用的材料

作出明确的要求。对于新型材料，在资料不足的情况下，应谨慎使用，必要

时须作专门的检测实验，进行评定。目前，膜材已可以国产，在使用工程中，

应认真比对其性能指标，确保工程安全。相信随着我国科技的不断进步，技

术的引进与创新，新型膜材和索材将不断涌现，对此，工程设计人员应予以

积极响应。

参考文献：

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杨庆山 姜亿南 张拉索-膜结构分析与设计[M] 北京：科学出版社，

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（11）

陈务军 膜结构工程设计[M] 北京：中国建筑工业出版社，2005，

168-169.

25

第三章 膜结构节点构造

3.1膜结构节点分类、特性及其设计要求

3.1.1膜结构节点分类

在膜结构系统中，除了膜和索构件以外,还有支承结构(如桅杆、框架等)

和基础结构(包括锚碇系统) 。这些结构元素通过节点的有效连接，共同维持

整个系统的平衡与稳定。

节点的构造设计是膜结构设计中的一个重要环节，节点设计是否得当，

不仅关系到加工制造难易和施工安装能否顺利进行(例如节点的调节量不足

就可能会导致结构局部安装不到位或出现较多褶皱) 、影响节点的耐久性和

美观，还关系到结构的整体性和可靠度。从国内外已发生的一些膜结构破坏

工程实例来看，节点构造措施不当导致膜材撕裂，是引发工程事故的主要原

因之一。

膜结构节点包括膜材连接节点、索材连接节点、及支承骨架连接节点。

膜材连接节点包括膜节点节点、膜边界节点、膜角点节点、膜脊节点、膜谷

节点、膜顶节点。索材连接节点包括索膜连接节点、索与索连接节点、索与

支承骨架连接节点。支承骨架连接节点包括骨架构件与构件连接节点和骨架

构件与基础连接节点。分类见图3.1。

图3.1 膜结构节点分类

膜节点是指膜裁剪片之间的连接。膜边界是指膜材与支承结构之间的连

接。膜角点是指膜边界交汇的点。膜脊和膜谷是指支承结构最高和最低处膜

的连接。节点设计是膜结构设计不可缺少的一部分，在设计节点时不仅要考

虑节点的功能要求，还应该满足建筑上美观的需要，并且作为屋面，节点还

应该有良好的防水性能。

26

索材连接节点是膜结构材料可靠组合的重要保障，节点是指力的交汇。

索材连接节点的设计应能清楚的表达结构中力的传递路径、且应具有足够的

强度、刚度和耐久性，保证节点不应先于主体材料和构件的破坏而破坏。同

时由于索膜结构在荷载作用下易产生较大的变形和位移，节点和连接应具有

一定的灵活性和必需的自由度，使其在各种情况下均能可靠地传递荷载。

支承骨架结构最常采用的是钢结构，也可采用混凝土结构,甚至在某些情

况下可以采用木结构或其他结构。支承骨架连接节点就是指钢结构的连接节

点、混凝土结构的连接节点以及木结构或其它结构的连接节点。

3.1.2 膜结构节点的特性

膜结构的连接设计是一项既需认真细致又富创造性的工作,连接设计影

响着整个结构的形状、外观以及受力特点. 一般连接节点应该具有以下特性:

一、安全可靠

在进行连接设计时，可以通过以下手段来保证连接设计的安全性：首先

是正确的受力分析，并校核在一个连接节点中所涉及到的所有构件，保证每

个构件均能满足强度要求；二是从构造上保证连接节点的安全，因为连接节

点的几何形状一般比较复杂，有时候要做到精确的受力分析比较困难，甚至

不可能，这就需要工程师有丰富的经验和扎实的力学知识，在构造上来保证

连接节点的安全；三是连接节点与膜在连接处要有足够的连接区域，以防止

膜材的磨损或撕裂，并尽可能地防止膜面的应力集中。

二、方便施工

连接节点的空间几何形状一般比较复杂，如果设计不当，可能会造成安

装困难。为了避免这种情况，工程师在进行节点设计时需要考虑到施工的可

操作性；在设计可能利用CAD 实体造型技术或VA技术，模拟施工工况，避免

不合理的节点设计。这将有助于帮助检验是否有足够的空间来进行施工作业。

三、具有可调性

膜结构是一种空间结构，它依靠自身形状的改变和膜内的应力重分布来

承担外荷载。 因而在荷载作用下，连接节点处相应的位移和转动一般比较大。

在处理连接节点时，一方面要注意使这些节点具有适当的灵活性，以适应预

期的位移和转动；另一方面膜材在常应力状态下，将产生一定的蠕变。蠕变

导致预应力的损失，为保持膜内具有合适的预应力水平，可以通过在夹板上

开槽或留洞，在索上安放可松紧的螺旋扣、U 形夹等方式将连接节点设计成

可调的，将桅杆端部的膜顶设计成可调节高度的，这样在必要时可对膜进行

二次张拉。

四、适用耐久

膜结构节点设计须与使用功能、使用年限、当地环境、经济状况相结合，

保障正常使用。节点处往往要作重点防水处理。设计时，必须坚持“防”“排”

结合的原则。精心处理。同时在处理连接节点时还要考虑腐蚀问题，因为腐

蚀不仅会影响结构的整洁和美观，也会影响结构的安全。根据连接节点所处

的环境不同，采取相应的防腐措施，比如使用不锈钢、铝材、镀锌钢材、或

涂漆的连接件。应该指出对于镀锌或涂漆的连接件，其表面覆层在安装过程

中可能会受到损坏，在安装之后要对被损坏的覆层进行修补。

五、富于美感

与传统的屋面结构不同，对于一个已完成的膜结构，其所有的结构构件

均暴露在人的视线之内，因此膜结构连接节点成为影响整个结构外观的一个

很重要的部分。一个好的连接设计应该体现“力”与“美”的结合，膜结构

的节点设计不易繁琐，应力求简洁大方，在保证节点安全的前提下应尽可能

地减少体量，充分展示节点的艺术表现力。

3.1.3 膜结构节点的设计原则

膜结构节点具有传递荷载、将结构构件连成整体和提供初始预张力施加

点等作用；在进行节点设计时,应综合考虑结构、构造、施工张拉等方面的要

求,既要遵循普通钢结构节点设计的一般原则，又要考虑到结构形式和所用材

料的具体特点。

节点设计要遵循以下一些原则：

一、节点具有足够的强度

节点连接件本身应具有足够的强度、刚度和稳定性，以保证其在各种工

况下均能可靠地传递荷载，不先于主体材料和构件破坏。

二、节点具有适应对结构大变形的能力

膜结构在风荷载作用下易产生较大的变形和振动，节点和连接应具有一

定的灵活性和自由度，以释放由于大变形所引发的附加应力作用。

膜结构的节点部件大都暴露于自然环境下，易出现锈蚀，节点生锈不但

会降低节点自身的强度，锈水的流淌还会对膜面造成二次污染。因此，节点

连接件的材料宜选用不锈钢或铝材，对钢构件必须做镀锌或涂装处理。此外，

膜节点还应具有良好的防水性能，必要时可在节点上面增加一层覆盖膜或采

用铝合金盖板防水。

五、节点设计要满足施工工艺要求

节点设计应充分考虑初始预张力的施加方式和具体施力点的位置等因

素，保证施力点处的节点具有较高的强度、刚度，且便于施力机具的操作。

节点设计还应考虑结构安装偏差与二次张拉的可能性，留有调节余量。

3.2 膜材连接节点

3.2.1 膜材连接节点的概述

膜材的连接应具有可靠的传递膜面应力的能力，膜结构的连接包括膜节

点、膜边界、膜脊、膜谷和膜角点。膜节点是指膜裁剪片之间的连接。膜边

界是指膜材与支承结构之间的连接。膜脊和膜谷是指支承结构最高和最低处

膜的连接。膜角点是指膜边界交汇的点。节点设计是膜结构设计不可缺少的

一部分，在设计节点时不仅要考虑节点的功能要求，还应该满足建筑上美观

的需要，并且作为屋面，节点还应该有良好的防水性能。

膜结构的空间曲面形状由平面的膜材通过拼接而形成. 膜材以及接缝处

的应力可通过分析来确定,它随着膜材预张力、刚度、荷载以及膜表面曲率的

变化而变化. 应该采用合适的安全系数,以确保在膜材接缝处有足够的强度

来承受在预期的环境条件下可能产生的短期荷载(风) 和长期荷载(雪) 的作

用.

目前主要的膜材连接多采用高频热合连接，现场多采用束带连接、螺栓

连接或粘接连接。

3.2.2 膜材与膜材的连接节点

[1]~[4]

膜节点是指一片或几片裁剪膜片的连接。膜节点和膜材的强度和延性应

尽可能一致，膜节点可分为缝合节点、组合节点、粘接节点、螺栓节点、束

带节点、拉链节点等类型。其中，缝合或焊接点一般由工厂制作，为永久节

点；其他节点可工厂预制或现场拼接，为永久节点或临时节点。影响膜节点

的性能和耐久性的因素主要有加工过程、连接材料（缝线、焊接温度、粘合

剂）、找形和裁剪精度等。

一、缝合节点

缝合节点是最古老的膜节点连接方法。缝线类型、缝线列数和缝脚形式

决定了缝合节点的类型。缝合节点一般用于不能采用焊接连接的膜材中，如

棉织物或氟塑料织物或膜面。

缝合节点分平缝、折缝、双层折缝三种（图3.2）。

30

图3.2 缝合节点类型

二、 焊接节点

常用的焊接方法有热气焊、加热单元焊、高频焊。焊接节点的宽度可以

根据实际应力情况予以调整，从而更有效和安全地传递荷载。焊接节点具有

较好的防水性能、膜片间延性差异小和施工简便，质量可靠。

焊接节点的构造方式有以下几种：

（1）相同材质和厚度的膜片单面焊接，或采用较差的覆盖膜片双面焊接。

如图3.3所示。

图3.3 单面和双面平排焊接

也可采用两层覆盖膜片错排形成较厚的节点。错排方式可以是1/3或2/3，

如图3.4所示。错排节点可以降低荷载传递的不连续性。

图3.4 双面错排焊接

(2)采用相同材质和厚度的膜片，可将覆盖膜片分为两个半层双面焊接。

这样的节点可以光滑地传递荷载，但是覆盖膜片必须足够厚。如图3.5所示。

31

图3.5 双层双面并排焊接

(3)把膜材裁剪成牙形状连接后可以增加传递荷载的连接长度，如图3.6

所示。

图3.6 齿形连接

(4)高强度双层膜材的节点可以采用双面错排覆盖膜材的方法形成较厚

的节点。覆盖膜材的宽度可取为双层膜焊缝间距，如图3.7所示。

图3.7 双层双面错排焊接

三、组合节点

在需要现场焊接的情况下，因为无法使用工厂焊接设备，可以先缝合住

膜材和覆盖膜片后再利用现场设备施焊，这样的连接节点称为组合节点。当

在高温地区使用膜结构时，也应采用组合节点。

四、粘接节点

对于强度要求不高或现场修补的连接，以及无法施焊的材料并且缝合比

粘结要昂贵的无涂层织物，可以采用粘接节点。粘接节点的工作量比缝合和

焊接都要大。

粘结节点可以采用搭接、单层覆盖膜片或双层覆盖膜片的方法实施（图

3.8）。

32

图3.8 粘接节点形式

五、螺栓节点

螺栓节点是一种现场连接节点。当因为运输等原因需将膜材分为几个部

分在现场拼接时，往往采用螺栓连接。螺栓节点的缺点是相连膜片延性不连

续以及防水性能差。

螺栓节点由金属板、螺杆、垫圈和螺栓绳等组成，如图3.9所示。

图3.9 螺栓节点

金属板的材料采用经阳极氧化电镀或粉末漆层的铝，或不锈钢。它通常

的尺寸为：长100~150mm，宽30~40mm，厚5~8 mm。金属片可是各种形状，可

以边缘凸出或开槽。螺栓和螺母采用不锈钢或锌钢制造，直径为8mm，10mm

或12mm。螺栓距离取决于金属板厚度一般间距在70mm左右。螺栓绳材料取决

于涂层膜材的类型和所承受的荷载。很多情况下，可以采用直径5~8mm的PVC

单丝；对于聚酯PVCIII后IV类膜材，螺栓绳直径取用10mm。对于玻璃PTFE

膜材通常采用相当直径的不锈钢索。聚丙烯螺栓绳性能较好，但它和膜材的

附着力较小。

边界不作弧形处理的金属板会损坏螺栓绳周围的膜材。四周都作弧形处

理的金属板价格较贵，实际工程一般通过在金属板内增加内衬片实现。内衬

片既均匀分布了压力，又使连接更具弹性；也可以使弹簧垫圈增加连接弹性

（图3.10a,b）。

33

图3.10a 加垫片的螺栓连接

图3.10b 加垫片及弹簧的螺栓连接

将螺栓绳放置在金属板内部可以避免螺杆穿越膜材，并且使节点外形更

小巧。其缺点是这类节点只能传递较小的力（图3.11）。

图3.11 扣式螺栓连接

应尽可能的减少连接节点对膜材延伸的约束。为此目的，应采用最小尺

寸的金属板并采用6~10mm的板间距，这样板和板间至少不可以产生延伸。短

板一般需要较多的螺栓，这增加了现场工作量。但这时，短板不会互相接触，

从而避免了板间的膜材损坏。

螺栓节点的防水关键在螺杆周围以及板四周。最好的解决方法是采用覆

盖膜片。膜片较高位置的一端在工厂焊接连接于膜材上，较低位置的另一端

则在现场焊接，见图3.12

34

图3.12覆盖膜片防水处理

六、束带节点

束带节点的优点在于安装时便于调整形状、可以根据情况分步施加应力。

其缺点在于大量的人工将消耗于扎紧和放松系带上。（图3.13）

图3.13 束带连接

膜片边缘是双层的，它通过膜材环包螺栓绳形成。环圈可以采用合成材料或

金属材料，一般为圆形，金属环可以是镀锌钢、铜铝或不锈钢，其口子的直

径为6~80mm，厚度为6~14mm 。环孔被机械冲压进膜材，然后其上部被压到

环圈上，膜固定到孔和圈之间。也可以采用牙环以改进连接性能。牙环由两

个合成环圈通过压合连接。合成环圈可以由PVC或聚乙烯制成圆或椭圆形。

圆环内口的直径为12~40mm。可采用高频焊同时将内口冲压以连接环与膜材，

也可同时将合成环在膜材两边同时焊接（如图3.14）。

图3.14 牙环连接的束带节点

系带是用于连接节点并使节点受拉，其直径根据计算结果确定，系带的

抗老化能力直接影响到节点的寿命。

覆盖膜片用于保护束带节点免受气候影响，同时提高膜片的防水性能。

覆盖膜片一般将较高位置的一端在工厂焊接，连接于膜材上，另一端则在现

35

场焊接或用固定带连接。

七、拉链节点

拉链节点包含以下部件：两排连接于膜边缘的链条；一个开启拉链的拉

环；防止拉环脱出拉链的两个端部。拉链节点有压状拉链、旋转拉链、槽形

和滑行拉链等。压状拉链由金属或合成材料制成，链齿错排排列；旋转拉链

包含由旋转圈组成的合成或金属圈环；槽形拉链、滑行拉链由具有踏阶的两

个轨状带通过压制连接在一起。工程中最常用的是金属压状拉链。

3.2.3 膜材与边界的连接节点

[1]~[4]

膜边界是指膜片外边缘与支承结构连接的部位，膜边界把膜结构承受的

外荷载传递到其他建筑部件中，如支座、墙、基础。膜边界可以被分为柔性

边界和刚性边界。柔性边界是指将膜连接在索上。刚性边界是将膜直接连接

于钢、木或混凝土上，其边缘一般设置可延展单元。理想的刚性边界形状是

圆或椭圆的，因为边界上任意点的受力条件几乎相等。

一、柔性边界连接

（一）柔性膜套边界

柔性膜套边界一般采用膜套内放置钢索、合成索、膜带等组成。膜套的

宽度没有一个通用的确定方法，通常取决与垂直于边界的拉力。拉力越大，

连接起始点处受力越大；角度越小，撕裂连接的力越小。膜套可以通过简单

反转连接边界膜形成，也可通过附加膜片连接于膜材双面形成。当采用附加

膜片对称形成膜套时，雨水在外层上端连接点会遇阻，长久会形成沉积污垢。

为防止这一现象，可采用反对对称方法连接膜片（图3.15）。

图3.15 膜套结构

（二）柔性织物带边界

柔性织物带边界是通过缝合或焊接织物带形成边界，可有以下三个不同

的构造方式（图3.16）

缝合连接：两个对称放置的带直接缝合在由螺栓绳加强的膜材上。

缝合和焊接连接：两个对称放置的带缝合在膜材表面，再在外层增加一

个膜片以保护边界免于紫外线照射和湿气入侵。

焊接和缝合连接：将膜带放置在边界膜材内边，膜带由焊接形成膜套保

护。膜套和膜带被缝合在边界膜材表面。

图3.16 柔性织物带边界

在图3.15所示的柔性织物带边界中，一般应采取措施保护膜带免于紫外

线照射和湿气入侵。最简单的方法是采用膜片制作保护套。另外，应注意到

细长较厚的膜带较难缝合。与松松放置在膜套内的索相比，膜带是刚性连接

于膜边界上的。

（三）柔性夹板节点边界

基础膜、屋面膜的柔性夹板节点包含铝夹板、镀锌螺栓和螺栓绳边界，

如图3.17所示。

图3.17夹板节点边界

夹板短边应取＜12cm以确保两种膜之间的连接柔性。膜材孔的直径应该

大于螺杆直径以防止产生螺杆挤压力，使只有螺栓绳和板受力；夹板上应开

成槽形孔，以容许调节和修正拉力。此外，必须确保基础膜和屋面膜在边界

上的几何一致性。

（四）柔性钢索边界

1．束带节点边界

束带节点中的柔性钢索可采用图3.18和图3.19的连接方式连接。

图3.18中边界索和边界膜间是可调节的，可以在任何时刻通过系带实现

37

索的张紧和松弛，环必须直接设置于螺栓绳边以避免边界膜中应力过大。但

是，索的张紧需要较高的操作技能。斜向放置的系带可以传递一部分切向力。

可以采用防紫外线性能稳定的钢芯PP索以代替合成系带。为了使边界拉力均

匀，需要采用较长的边界膜—索间距，这会减少膜面。这类边界在风载作用

下，束带滑移较大，无法传递切向力。

图3.18 斜束带连接

图3.19 直束带连接

图3.19中所示边界是典型的帐篷结构边界，在边界索和螺栓绳之间可调

节，可以采用或不采用金属环。这类边界中，边界膜一索间距较小，采用固

定件防止其滑移，系带在索上不移动。其优点是能较好地传递切向力，缺点

是施工操作较难，通过系带调整拉力较难。

2．扣带节点边界

图3.20中给出了扣带节点边界。显然，借助扣带可以小步张紧或放松索

和膜，但调整工作量较大，膜带必须制作在边界膜处以抵抗切向力。扣带必

须被保护以抵抗开气影响，可以采用膜片为覆盖物。

38

图3.20 扣带节点中的柔性索边界

3．金属配件边界

柔性边界还可以采用U形铝或镀锌钢配件用夹板和螺栓连接柔性边界索。

图3.21为直U形夹板的连接情况。这里，边界索的直径大约是夹板和膜材厚

度之和。配件宽度根据最多排列两个螺栓计算得到。

图3.21 直U形夹板边界

图3.22为采用对称收口U形配件的较大直径索边情况。U形配件收口为

夹板和膜材厚度之和，这样可较坚固地固定索，但索在配件中的装配较为困

难。也可采用对称高置的两片U形配件，这样可克服单个配件的困难，但增

加了装配工作量。如果金属配件片较薄，可将其开口调整到夹板和膜材厚度

之和，因配件容易张开，避免了装配的困难。

图3.22 收口U形配件边界

4．受压弹簧边界

39

在边索和膜边界之间以一定距离排列受压弹簧，以平衡在使用和安装过

程中膜与边界之间产生的不平衡力。弹簧和配件轴向排列，U形金属板容许所

有配件调整到膜面斜率。与使用受拉弹簧相比，受压弹簧可以阻止边界产生

过度位移。弹簧的选择根据膜面应力决定。选择特制的短弹簧可以缩短膜与

边索的距离。此外，还必须放置膜带以承受边界切向力。图3.23为采用受压

弹簧的边索节点。

图3.23 采用受压弹簧的边索节点

二 刚性边界连接

（一）连接于木材上的刚性边界

图3.24给出了连接于木材上的采用标准配件的不可调节点。

图3.24 连接于木材上的刚性边界

（二）连接于混凝土上的刚性边界

图3.25给出了连接于混凝土上的不可调节点。

图3.25 连接于混凝土上的刚性边界

（三）连接于钢上的刚性边界

图3.26所示为连接于钢的固定节点以及作为天沟的固定节点。

图3.27为采用膜袋中钢管，束带中钢管和扣带中钢管作为边界单元的刚

性边界。

40

图3.28为采用拉力螺体作为边界单元的刚性边界。

图3.29为网架节点的边界单元。

图3.26 连接于钢的刚性边界

图3.27 采用钢管的刚性边界

图3.28 采用铰接锚栓的刚性边界

41

图3.29 网架节点刚性边界

3.2.4 膜材与脊索、谷索的连接节点

[1]~[4]

膜结构按索的作用可将其分为边索、脊索和谷索等形式。所谓边索是指

布置于结构边界的索。脊索是曲率中心位于膜面以下，呈下凹状的索，在结

构中起承担向下荷载的作用。谷索的曲率中心位于膜面以下，呈上凸状，在

结构中起稳定形状和承托向上荷载的作用。由于索的作用不同，膜材与边索

的连接和膜材与脊索、谷索的连接也不尽相同。

由于前面已叙述了膜与边索的连接，本节将着重叙述膜与脊索、谷索以

及膜角点的连接。

膜与脊索、谷索的连接方式类似，只是谷索处一般为排水通道，防水性

能要求更高。主要方式有直接敷设或索套连接、束带连接等等。

一、直接敷设或索套连接

为了保持膜面的连续性．膜材与脊索和谷索的连接可以不做任何处理，

直接将索布置于膜面上(图3.30a)，但在连接处应布置膜条作垫层，防止结构

变形时索对膜的磨损。可利用索－膜间的挤压和摩擦来防止脊索和谷索在膜

面上的滑移，亦可以利用索套将其固定(图3.30b)。垫条、索套与膜面的连接

应采用热合连接，以避免由于缝合产生针孔而需进行额外的防水处理。垫条、

索套的宽度根据索的直径和索内拉力的大小确定。此种连接方法简单，且防

水性很好，在实际工程中采用较多。

42

图3.30 膜材与脊索、谷索的连接

二、束带连接

膜材与脊索、谷索采用束带连接的做法与膜材与边索采用束带连接的做

法基本相同，只是脊索和谷索是两边均与膜材连接(图3.31)。

图3.31 束带连接

由于索与膜之间的材料差异,设计索-膜节点时,应使两者之间留有一定

的空隙,以适应在荷载作用下膜与索之间可能产生的相对滑动。当膜面跨度在

15m以上且无中间支承时,为减小膜面应力,可以利用索或合成纤维带对膜面

进行局部构造加强。加强索可以缝进膜面内或设在膜面外。当加强索位于膜

面外侧时,应注意防止索自身的腐蚀以及由于摩擦造成的膜面表皮损伤。

3.2.5 膜角点的连接

[1]~[5]

膜角点是指由两个膜边界交汇的点。根据膜边界的情况不同，膜角点可

分为柔性边界膜角点和刚性边界膜角点，膜角点的设计问题与几何角度、边

界构造(柔性边界还是刚性边界)和切向力数值等有关。

一、柔性边界的膜角点

柔性边界的膜常由钢索，偶尔由塑料索或膜带形成。角部区域的膜材裁

剪必须非常精确，因为边索距离很近，膜材很难通过变形来抵消裁剪误差。

角部区域膜材会有上滑的趋势，可以在角部采用膜带或刚性夹板固定膜材。

膜角点可以采用膜带、夹板、滑轮、拉力螺栓等连接方法，如图3.32所

示。

（a）膜带角点 （b）夹板角点 （c）滑轮角点 （d）

43

拉力螺栓角点

图3.32角点连接方法

图3.33显示了连接于主索和基础的膜角。

（a）连接于主索 （b）连接于基础

图3.33连接于主索和基础的膜角

图3.34为采用束带和铝夹板连接的膜角。

（a）束带膜角 （b）铝夹板

膜角

图3.34束带膜角和铝夹板边缘加劲的膜角

柔性边界膜角点处，既要把膜角应力传递传递至支承结构上，同时又要

将膜的边索的力传递至支承骨架上。因此，此处节点往往受力较为复杂，在

44

结构处理时为使节点简捷、轻巧，往往要增加节点板过渡。在力的传递途径

上，一般有两种考虑：一种方法是将膜角应力传递至索头连接处，再与支承

骨架相连，如图3.32a、b所示；另一种方法是将索端应力传递至节点板再与

支承骨架相连，如图3.32d所示。在实际工程中，很多情况下，索之间的夹

角往往有可能角度很小或比较大。当夹角过小时，为使节点实际受力与结构

计算结果相吻合，可增设索拉杆或钢棒，将膜边内收，当夹角过大时，节点

板强度有可能不够，必要时除加大板厚外可以增设节点板加强肋。

在借鉴已有节点的基础上，现开发了一种新的柔性边界膜角点节点（如

图3.35），

图3.35 新开发柔性边界膜角点

此种节点连接方式，构造简单，可调性较大，不仅索的端部可以通过拧紧

或者放松螺栓来调整边索的预张力，而且膜边也可以通过调整连接杆的长度

的方式来调整膜的预张力。节点的工程适用性较广。柔性边界的膜角点是设

计难点之一，在第四章中将对图3.35的节点作重点介绍。

二、刚性边界的膜角点

刚性边界的理想做法是采用弧形以避免膜角。弧形边界上各点条件相同。

膜角角度越小．就越是难以避免角部区域皱折。这是因为，边界膜拉力方向

垂直于边界是理想的受力状态，但角度越小，边界膜拉力方向与边界的垂直

度越差。对于工程中最常见的矩形区域直角角部，可以采用在角区增设配件

增大角度。或采用束带或夹板边界在角区同时张紧两个方向。

图3.36为带张紧单元的钝角刚性边界膜角点。

45

图3.36 带夹板的钝角刚性边界膜角点

3.2.6 膜顶连接节点

[5]

锥形喇叭是张拉膜最基本膜结构单元，膜顶点是这类膜单元最主要节点，

主要决定于锥形曲面形式、构造方法，另外，安装、膜张力导入、防水是高

点膜顶（膜帽）节点设计关键要素，而低点膜锥则应考虑排水、泻水的问题。

一、高点膜顶节点

锥形膜面总体有两种成形方法：无膜内索的自由张拉膜面积，膜内索支

承的张拉膜面。这两种膜面受力特点、裁切、造型与节点构造都有较大差异。

无膜内索时，膜顶应力集中，往往受力较大，必要时可将膜帽的半径加大，

减少膜材的应力集中。

图 3.37膜顶节点-A，无膜内索锥形膜面，套管钢管为膜连接主体，可在

低处安装膜面，然后利用电动葫芦等提升到膜顶高度，由螺杆张拉并调节，

适宜大中型膜锥。节点板宜倾斜与膜面一致，较小时可垂直。膜连接螺栓均

匀，孔距的弧长间距一般为100～150mm。螺栓吊杆宜均匀对称，至少4个以

上。膜定位点直径决定于膜面最大受力和膜裁切片最小宽度。

46

图3.37 膜顶节点－A

吊杆下端可垫柱面螺旋弹簧，使膜面保持稳定张力。当膜面松弛或受力

较小，弹簧恢复变形自动张紧膜面；当受力较大，弹簧变形将储存能量，减

小膜面受力。在索网的拉索或张拉膜的拉索端安装弹簧，同样可保持拉索拉

力、自动调节并维持膜张力。

图3.38膜顶节点-B，膜面张拉锥顶与刚性吊环由调节张拉螺杆与桅杆或

柱连接，适宜大中型膜顶。安装时可先在低位固定膜，然后提升到膜顶，由

调节器张拉调整。吊环可为圆钢管、钢板等，钢板作为吊环可融合成简洁的

膜节点，由吊环直径、受力大小定。调节张拉螺杆对称布置，不少宜于3个，

或者用钢索、束带连接。

图3.38 膜顶节点-B

47

图3.39膜顶节点-C，膜面直接固定在顶板，膜顶直径为250～500mm，由

螺杆实现升降调节，适合较小膜锥顶。

图3.40膜顶节点-D，膜搁置于顶板，膜顶直径为100～500mm，由螺杆吊

环与支承结构连接，防水性好，简洁，可上下调节，适宜较小膜锥曲面。

图 3.41膜顶节点-E，适合大型膜锥曲面，由高强钢棒或螺杆悬吊，能上

下升降，上端悬吊于柔性张拉索、刚性钢构等，下端可延伸必要的稳定索与

刚性支承构件连接。膜定位点直径由受力与制作构造要求决定。如果悬吊为

桅杆等非稳定体系，下部稳定索或者索网格是必须的，保证膜面破坏时不致

使整个结构失去平衡。如果为刚性悬吊结构，稳定索可根据膜锥大小、受力、

构造以及安装等决定设置与否。

图 3.42膜顶节点-F，为张弦膜锥曲面顶点，膜顶较小，飞柱下端螺杆、

稳定拉索（至少三条）调节器可调节张拉膜顶。

图3.39 膜顶节点-C 图3.40 膜顶节点-D

图3.41膜顶节点-E

48

图3.42 膜顶节点-F

当由于受力大、构造需求，或者造型设计，采用较大膜顶时（直径大于

2.0～2.5m），可采用图3.43膜顶节点-G，主飞柱类似树杆在上端分枝（至少

3枝）支承膜顶。根据防水和造型，膜顶罩可为玻璃、阳光板、ETFE膜、普

通膜等。

图3.44膜顶节点-H，为具有膜内索膜锥曲面顶点，膜顶不能升降，但膜

内索可调整张拉。

图4.43 膜顶节点－G 图4.44 膜顶节点－H

图3.45膜顶节点-I，膜顶可由螺栓分级改变高程，适合受力较小，不甚

美观。

图3.46膜顶节点-J，自由悬吊，可升降，安装方便。

49

图3.45 膜顶节点－I 图3.46 膜

顶节点－J

对膜内索支承的膜锥曲面，膜内索是主要维持形态与受力结构索，膜顶

区膜面虽有一定的应力集中，但比较小，因此，膜顶尺寸较小。膜顶节点板

最小尺寸主要由连接构造决定，形式可为圆形、多边形。拉索可直接张拉于

桅杆，无膜顶节点板，类似柔性膜角，但此时膜角必须能有效传递、扩散膜

张力，并具有足够强度，避免膜撕裂。

二、低点膜顶节点

图3.47膜顶节点-K，采用螺杆向下张拉锚固，集中组织排水，可升降调

整，适合较大膜锥曲面。螺杆环向对称均匀设置，宜大于3个。螺杆外可包

建筑装饰材，如铝塑板等。当膜顶较小、室内装饰膜等，受力较小，可采用

单螺杆或束带等张拉。

图3.47 膜顶节点－K

图3.48膜顶节点-L，由钢管柱支承，为有组织排水。落水头流量可根据

排水量计算确定，宜用不锈钢或镀锌钢板。膜顶由可调节螺杆张拉，可升降

调整。膜顶构造较复杂，适宜受力较大、防水与建筑要求比较高的情形。

图3.48 膜顶节点－L

50

图3.49膜顶节点-M，将柱钢管开孔设落水头，由钢管内排水，类似漏斗，

膜顶固定。当无组织自由泻水时，仅连接节点板，且可用束带等张拉。由桅

杆支承时，膜顶最好固定无升降调整机制，膜张拉调整由膜锥底节点实现，

使得在考虑有组织排水情况时膜锥节点构造简单，简洁美观，安装方便。需

要说明的是，当采用支承钢管作排水管时，钢管内部须做防腐处理。

图3.49 膜顶节点－M

膜顶受力较为集中，尤其是膜面内有索、膜顶尺寸较大时，构造更为复

杂。在此谨提出如图3.50所示的膜顶构造。

此种节点连接方式，节点的可调性较大，不仅膜结构的拉索可以通过拧紧

或者放松螺栓来调整预张力，而且膜边也可以通过调整膜顶高度的方式来调

整膜的预张力。膜顶节点构件交叉多，力的传递途径比较复杂。此种节点连

接方式比较好的解决了力的传递途径的问题，力的传递途径明确，节点可调

性强，方便施工，因而在工程中应用较多，具有相当的典型性。

此种膜顶的设计将在第四章中做详细分析。

51

2

1

4

3

6

5

633

11

节点平面图

3

1

2

5

4

7

6

1 - 1

图4.50 节点构造

1膜边压板；2膜边底板；3圆钢管；4圆钢管；

○○○○

5圆钢管；6顶升底板；7耳板

○○○

52

3.3 索材连接节点

3.3.1索材连接节点概述

索材连接节点指的是索与膜、索与索、索与支撑骨架的连接节点，它是

膜结构材料可靠组合的重要保障。索材连接节点的设计应能清楚的表达结构

中力的传递路线、且应具有足够的强度、刚度和耐久性，保证其不先于主体

材料和构件的破坏而破坏。同时由于索膜结构在荷载作用下易产生较大的变

形和位移，节点和连接应具有一定的灵活性和自由度，使其在各种情况下均

能可靠地传递荷载。由于大部分连接与节点会暴露于室外，还需具有防腐性

能。

3.3.2 索膜连接节点

索膜节点是指将索、膜边界引入支承结构的节点，其主要作用是将拉索

(边索、脊索、谷索)和膜内力汇合后传递给基础或刚性支承。该类节点所受

的力较大、复杂多样，且大部分外露，需要设计者充分发挥创造性，使其受

力合理、传力路径明确，且轻盈、美观。

在索膜节点处的索(边索、脊索、谷索)和膜材的拉力一般通过节点板传

递给其他支承构件，并最终传到基础。根据索头形式的不同(图3.49)节点板

与索的连接方式也略有差异。

（a）螺杆式索头 （b）固定式U形索头 （c）可

调式U形索头

图3.49 膜节点中用的索头

一、 套筒式节点

当钢索采用螺杆式索头时[图3.49（a）]，可采用套筒式节点(图3.50)，

即索头穿过焊接于节点板上的套简后用螺栓固定。套筒不宜太短以确保套筒

与钢板间有足够的焊接长度，也不宜太长以方便索头能顺利穿过。并与理论

53

曲线尽可能一致。套筒的空间位置由与之相连的索的空间走向确定。套筒式

节点为可调连接，通过调节索头螺栓对索施加预应力或进行二次张拉，所能

施加预应力的大小与索头处丝杆的长度有关，考虑到节点的美观性，索头突

出套筒不宜过长。两片钢板大小可以不同，—般将大板布置在有视觉要求的

一面。由于索膜结构形态分析时的膜材理论角点在索膜节点中被钢板所代替，

为了能够较好地模

图3.50 套筒式节点

拟膜曲面，准确地对膜材施加预应力，有时钢板需要根据两膜片的夹角做成

折面或曲面。

二、 螺栓式节点

当钢索用U形索头时可采用螺栓式节点，连接的强度由节点板的厚度、

螺栓的强度等决定，螺栓式节点中膜材是通过两夹板和拉杆或u形螺栓等与

钢板相连。为防止膜面山现褶皱，宜采用平行于边索的夹片、U形螺栓或束带

抵抗膜内剪力(图3.51、3.52)。

（a） （b）

图3.51螺栓连接的不可调节点

54

图3.52 螺栓连接的可调节点

索膜节点的另一侧与基础或其他刚性支承连接，大体可以分为两类：通

过结构拉索或拉杆直接与基础连接[图3.51(a)]；通过杆或柱与基础连接(图

3.53)。当节点板与结构拉索或钢筋相连时，其连接方式与边索等的连接方式

基本相同，可采用套管连接、螺栓连接等方式。当节点板与立柱上耳板相连

时，可以采用U形螺栓、花篮螺栓、卸扣等，连接方式和形状多种多样。

图3.53膜节点与杆连接

3.3.3 索与索的连接节点

[3]

索与索的连接主要包括双向索节点和环索节点。双向钢索交叉节点可采

用节点板连接,也可采用U形夹或夹板等夹具连接,如图3.54所示。为了保证

夹紧钢索,可采用低碳钢或高强螺栓。需要注意的是,在无应力状态下被夹紧

的索受拉后,其直径会减小,从而使夹持力降低,对此可通过二次旋紧螺栓来

调整。

55

(a)_节点板连接 (b)U形夹连接 (c)夹板连接

图3.54双向钢索的连接

多向钢索之间可采用连接板连接,如图3.55所示。此时应注意各钢索轴

线要汇交于一点,以避免连接板偏心受力。在进行连接板设计时,应尽可能采

用曲线造型,以展现膜结构的柔和与灵动之美。

图3.55 多向钢索的连接

图3.56所示的节点是体育场看台挑篷结构中内环索与脊索和谷索之间的

一种连接做法。这种节点的受力很大,且直接关系到挑篷结构的整体稳定性,

设计时要特别小心。

图3.56体育场看台内环索与径向索的连接

3.3.4 索材与支承骨架的连接节点

索可通过索端头锚具与直接焊接于钢构件上的耳板相连或通过钢套箍连

接(图3.57) 。对于混凝土或其他材料的支承构件,可先预埋节点板再连接（图

3.58~图3.61）。

56

a-耳板连接 b-套箍

连接

图3.57 索与支承构件连接

图3.58浇注端头索与钢柱的连接 图3.59液压端头索与

钢筋混凝土的连接

图3.60多股预应力索端头与钢筋混凝土柱的契形夹具连接

3.61浇铸端头索与钢筋混凝土柱顶的连接示意

在多跨索桁架的情况下，中间跨出应尽量采用具有鞍形支座的连续索，

这种构造可以减少索端头数量并简化预应力施工工艺，如图3.62所示。

57

图3.62 多跨结构连续索中间支承处的鞍形支座

58

3.4支承骨架连接节点

3.4.1 膜结构支承骨架连接节点概述

膜结构都是支承在一定的结构体系上。根据支承条件不同可将索膜结构

支承体系分为三大类：刚性支承体系、柔性支承体系和混合支承体系。

根据支承位置的不同,支承结构又可分为边缘支承和内部支承两大类。

支承结构在膜结构的设计中占有举足轻重的地位。支承结构的作用可概

括为以下三个方面:

(1) 为膜结构提供一系列高低错落的支承点(边界) 或悬吊点，以维持膜

结构曲面的稳定；

(2) 将膜面内拉力转化为压力传至地基基础；

(3) 支承结构的刚劲挺拔与膜的灵动飘逸间形成鲜明对比,增强建筑整

体表现力。

支承骨架结构最常采用的是钢结构，也可采用混凝土结构,甚至在某些情

况下可以采用木结构或其他结构。支承结构除满足将索膜体系的内力传递到

基础这一结构要求以外,其形式可以采取变化多样的形式,以实现不同的建筑

造型效果。例如采用独立柱或柱与拉索的组合可以提供一个独立支点,这里的

柱可以是钢管柱、桁架柱或混凝土柱,而直梁、桁架拱或环梁可以提供一系列

连续支点。

支承骨架连接节点有膜角点与骨架的连接、索与骨架的连接以及支撑骨

架内部的连接等。

膜结构的支承骨架在膜结构中的作用是将膜的表面张力传递至基础部

位。膜面由于找形的需要，其表面呈现负高斯曲面。膜面为保持形状的实整

性通常都需要施加一定幅度的预应力，一般为2-3kN/m。同时作用于膜表面的

荷载(通常情况下为风荷载和雪荷载)也是通过膜面变形张紧来承受的。作用

于支撑骨架的力的方向随膜面走向的改变而改变。膜面在初始找形时，为保

证排水通畅，起始坡度一般在15%-40%，因此膜结构支承骨架的受力状态决定

了支承骨架结构形式的不一样。同时支承骨架还需承受作用在竖直面的自重。

因此膜结构的支承骨架通常情况下在水平面内需要承受相当大的弯矩，这一

点与其它结构中的构件明显不同。

同时还需要力求轻巧美观，因此在膜结构中其支承骨架经常做成钢结构

桁架、桅杆和三脚柱。以与其受力状态相适应。

59

同时膜结构的支承骨架还必须与膜面受力变形相适应。应当具有比较大

的变形能力。因此膜结构支承骨架的构件的节点经常做成铰接，并且长度可

调。

60

3.4.2 膜结构支承骨架节点设计

钢结构骨架的连接一般是在钢管上加焊连接板，用螺栓连接膜角点和索。

钢节点不应设计得笨重而破坏了膜结构的飘逸之美。图3.63所示为一些支承

骨架的节点连接形式。

图3.63 钢节点的连接形式

膜结构支承骨架通常采用钢结构，并做成桁架式、桅杆式和三脚柱式。

一．桁架节点设计

（一）桁架形式

膜结构桁架通常采用空间桁架的形式，以适应其空间受力，而且空间桁

架在两个方向都有较大的惯性矩，可以充分发挥材料的性能，并且具备一定

的抗扭性能。其弦杆经常采用图3.64和图3.65所示形式：

图3.64 三角式桁架 图3.65 四边形

61

桁架

（二）桁架节点设计

膜结构空间桁架杆件通常采用圆管，其节点式为绞接，节点形式有K形，

双K形……

二．桅杆节点设计

桅杆是柔性边界膜结构中的一种主要的竖向受力构件。桅杆在两个方向

都有比较大的惯性矩，受力较好，而且轻巧、美观。

（一）桅杆形式

桅杆的形式，其弦杆通常有三角式、四边形式等多种形式，如图3.66所

示。

（1）三角式 （2）四边形式 （3）五边形式 （4）

六边形式

图3.66 桅杆形式

桅杆的弦杆连接布置有两种形式，一种是杆件式，亦即在弦杆之间设置

腹杆。另一种是平板式，亦即在弦杆间，每隔一段距离设置一块圆盘状板，

将弦杆连接起来，有时在平板中为美观需要还经常做成中空形式。

（二）桅杆节点设计

对于用腹杆连接的弦杆，其杆件连接与桁架的杆件连接方式基本一致，

在此不再赘述。但桅杆顶端，桅杆底部设计，以及圆盘平板连接弦杆是膜结

构支撑骨架中所独有的，在此作重点介绍。

1．桅杆顶端节点设计

桅杆顶端一般直接与膜材相连，或通过拉索与膜材相连。具体连接形式

见于3.2。

2．桅杆底部节点设计

桅杆底部常常与基础相连接，其连接构造处理可按柱脚铰接形式予以处

理，目前采用较多的是销轴连接。

62

3．圆盘连接弦杆的节点设计

桅杆的腹杆与弦杆的连接，若以焊接进行连接，则可按现行规范进行设

计。但实际工程中，常常用平板连接，(如图3.67所示)，则需要进行专门的

节点设计，必要时尚须进行实验验证。

图3.67平板连接

三．三角柱节点设计

（一）三角柱形式

三角柱（或三角架）设计在膜结构支撑骨架中，也经常采用，其形式如

图3.68所示：

图3.68 三角柱

通常接近膜面的前端杆件处于受压状态，而远端杆件处于受拉状态。前

端杆件通常采用钢管，远端杆件通常采用钢管，钢索或钢棒。

（二）节点设计

三角柱通常采用绞接，经常性做成销轴式连接，如图3.69所示

钢管

销轴

混凝土

63

图3.69 销轴连接

支承骨架的节点在设计时，主要是保证节点处传力可靠，并尽可能保证

节点处的连接性能与结构计算是设想的连接方式相一致。同时，节点在设计

过程中，应留有足够的安全度，至少要保证节点的破坏不能发生在构件破坏

之前。节点设计时，应多采用螺栓连接，尽可能地减少现场焊接工程量。节

点设计时，需考虑施工的可行性和操作性，尽可能地简便并方便施工。

膜结构的节点在设计过程中应充分考虑到膜结构承受荷载时变形比较大

的特点，对荷载作用下的应力二次重分布应考虑。

参考文献：

（1） 中国工程建设标准化协会. 膜结构技术规程CECS158：2004[M]. 北京：

中国计划出版社，2004：10-11

（2） 袁英战，蔡兴东，向 阳. 张拉膜结构的组成、特点及形式[J]. 建筑

技术开发，2001，28（2）：29-33。

（3） 杨庆山 姜亿南 张拉索-膜结构分析与设计[M] 北京：科学出版社，

2004，134-150

（4） 张其林 索和膜结构[M] 上海：同济大学出版社，2002，49-63。

（5） 陈务军 膜结构工程设计[M] 北京：中国建筑工业出版社，2005，

209-214.

64

第四章 工程实例―徐州“月影风帆”膜结构改造设计

张拉膜结构以其优美轻盈的曲面造型在园林景观中被广泛采用。膜结构

一般由三部分组成：膜材、索以及支承结构。由于膜材的质量保证期和设计

[1]

使用年限的限制一般10~15年。膜结构在使用过程中往往在短时间内有可能

[2]

因为膜材的损坏而影响使用。同时，由于设计或者施工等其它原因，也有可

能使膜结构出现质量问题。在此情况下，有必要对膜结构进行改造设计。

一、工程概况

徐州 “月影风帆”膜结构位于徐州市的面积达2000水亩的云龙湖边，

是为迎接1998年在徐州举行的亚洲铁人三项锦标赛而建。膜面面积为600多

m，覆盖面积达400m。“月影风帆”膜结构整体造型优美，在湖光山色的印衬

22

下，宛如一叶远行的白帆。尤其是月光的夜晚，点缀几点彩灯，倒影与云龙

湖中，颇令人有天上人间之感慨，如图5.1。

图5.1 徐州“月影风帆”膜结构工程

该工程结构形式为张拉膜结构形式，上部用膜材覆盖，四周边界为钢丝

绳边索，下部在四周布置了八个三角钢架，中部设有一根钢桅杆。由于该工

程膜顶比较高（膜顶高18.000m），钢桅杆为保证其自身的稳定性，在10.000m

高度处设置了一层稳定索。稳定索共四根，分别与四角的三角钢架相连。

“月影风帆”原为上海某膜结构公司设计、施工，自建成投入使用至今

已达七年，期间于2000年进行过一次大修，对膜材进行了更换。大修过后至

今已经5年，经现场查看，发现膜材损坏严重，多处膜材的搭接边缘已经挣

裂成纤维丝状或者撕裂。尤其是向阳的一面由于面临湖面，没有遮挡，饱受

日晒雨淋，相当面积的膜材已经破烂。下部三角钢架与膜结构连接的耳板弯

曲度较大，部分耳板弯曲达45，钢架表面多有锈迹。

o

二、原因分析

65

经现场查看、分析，造成该工程的膜面和钢架损毁的原因有以下几方面：

（一）、设计原因

原膜结构采用的是单片膜材，各裁剪片之间用热合机焊接。在膜材所在

的曲面内，未设置脊索或谷索。单片整体膜材的面积达到600多m。在如此

2

大的面积上为找形需要，膜材的应力往往比较大。由于现有膜结构工程的膜

材自身的徐变比较大，应力退化比较明显。尤其是高预应力作用下使用一段

时间之后，膜材应力会下降更多。预应力的降低促使膜材刚度下降。在外荷

载作用下，其变形量会增加，这将会严重损坏膜材。

（二）、施工原因

膜结构三角钢架的基础其作用主要是抗拔。本工程中，原设计采用的是

重力锚，利用基础自重以及基础与周围土的摩擦力抵抗三角钢架的上拔力。

原图纸标示的混凝土基础尺寸为2000mmX2000mmX2000mm和

1500mmX1500mmX1500mm两种规格。然而，在卸除上部膜结构后，开挖查验基

础时，发现基础虽然平面尺寸与原图纸尺寸相符合，但基础的实际厚度只有

0.4m不到。基础尺寸和重量均不够，使得三角钢架基础的抗拔作用不能充分

体现，直接导致膜面应力到达不了设计状态，不能保证膜面的刚度。

（三）环境原因

该工程位于云龙湖北岸，面临湖面，四周没有遮挡，受日晒雨淋作用明

显。由于膜材采用的聚酯纤维自身抗老化能力不强，在一般环境下其自身的

质量保证期和设计使用年限仅为10年左右。在此环境下，相比其他环境膜

[2]

材更易老化。同时湖面开阔，使得膜结构所受风荷载也比较大。

（四）人为原因

该工程位于游人如织的公园内，时有游人蹬击钢架、牵拉膜边（原膜结

构的边索中部最低处距地面仅有2.500米）。牵拉膜结构边索对膜材和钢架的

作用力较大，客观上对膜材施加了比较大的荷载。现场查看，发现钢架耳板

均向膜边近地面一侧弯曲。同时，在使用过程中，该工程未得到及时有效地

维护和保养也是膜结构损毁的原因之一。

三、改造方案

经过认真地研究、分析，为保证原膜结构的整体造型，维护原貌，决定

对现有膜结构平面尺寸和高度不作改动，对现有钢桅杆和三角架的平面尺寸

和高度也不作改动。具体改造如下：

（一）、更换膜材

66

由于现有膜材大部已老化，为保证更换后的整体效果，防止膜材色差过

大，将现有膜材全部更换为法国Ferrari公司生产的PVC膜材，型号为1002T。

该膜材基层为高强度聚酯纤维，表面涂层是含PVDF的PVC，其使用寿命可达

15年以上，自洁性好，白亮度为82%，透光率为8%，透射率为6%，反射率为

78%，吸收率为16%，性能优秀。

（二）、增设脊索

在现有膜结构的膜蓬下部，钢桅杆与三角钢架之间增设脊索，增加膜面

刚度。脊索共计八根，上部与膜帽相连，下部与三角钢架相连（如图5.2所

示）。

图5.2 结构布置图

（三）、置换杆件

将三角钢架背对膜的两根杆件设计为可调式钢棒，便于施工时膜面应力

的调整。同时也为日后使用中发现预应力损失，二次张拉创造了条件。

（四）、膜边界调整

将上部膜结构边界的钢索在膜面内内收，加大边索的弧度，增加膜面应

力。同时，也抬高了边界钢索中部的高度，有原来的2.500m增加至3.200m，

减少了人为因素的破坏。

（五）、基础改造

三角钢架近膜面的杆件主要是承受压力，远膜面的杆件主要是承受拉力。

现有三角钢架的基础为三个独立基础。远膜面杆件的基础尺寸明显偏小，其

重量不足以抗拔，需要增大基础尺寸、增加基础重量，所需增加的重量由计

算确定。增加基础重量的办法：

1、将现有的远膜面三角钢架的两个独立基础联为一体，在两个独立基础

间浇筑混凝土。

2、新浇混凝土中加配钢筋，并锚入原基础，钢筋配置量由计算确定。

3、将现有基础表面凿毛，并清洗干净，保证新旧混凝土连接牢靠。

67

四、结构计算

1、设计参数

结构的设计使用年限为25年。结构安全等级为二级。恒载标准值为

0.05KN/M2、活荷载标准值为0.30KN/M2、雪荷载标准值为0.35KN/M2、、风荷

载标准值为0.35KN/M2。抗震设防标准为7度，设计基本地震加速度为0.10g，

第一组。场地类别为Ⅱ类。

2、节点形式与构件选取

由于膜结构是一种大变形的结构体系，为满足其变形的需要，桅杆和三

角钢架的节点均按铰接处理，采用销轴支座，如图5.3所示。

钢管

销轴

混凝土

图5.3 销轴支座

考虑到桅杆和三角架近膜面的杆件均系承受轴向压力为主，从美观和经

济的角度考虑，设计时选用圆钢管，材质为Q235B。三角钢架远膜面的杆件主

要承受轴向拉力，从方便调整膜面应力的角度考虑，选用钢棒，材质为Q235B，

中部设置了正反丝的套筒，可以调整杆件长度，如图5.4所示。

套筒

图5.4 三角钢架长度可调式钢棒

3、计算

计算采用上海同济大学的3D3S和Ansys 软件进行。

膜面预张力为2KN/M，膜边界钢索的预张力为20KN，脊索的预张力为

15KN/M，钢桅杆稳定索的预张力为1KN。在计算时，考虑了结构体系的非线性，

结构体系中的主要构件的最大受力情况如表5.1所示。

表5.1 结构体系中主要构件最大受力情况

68

杆

件

编

号

1 -434.1 64.67 -416.7 71.46

2 -285.7 8.10 -295.6 9.27

3 216.3 8.10 197.8 9.27

4 -190.3 4.24 -206.8 6.06

5 136.9 4.24 145.3 6.06