膜結(jié)構(gòu)是張拉結(jié)構(gòu)中最新發(fā)展起來的一種形式， 它以性能優(yōu)良的柔軟織物為材料， 或是向膜內(nèi)充氣， 由空氣壓力支撐膜面或是利用柔性鋼索或剛性支撐結(jié)構(gòu)將膜面繃緊， 從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結(jié)構(gòu)體系。自從本世紀七十年代以來， 膜結(jié)構(gòu)在國外已逐漸應(yīng)用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務(wù)設(shè)施等大跨度建筑中。

　　膜結(jié)構(gòu)是一種古老的結(jié)構(gòu)形式， 經(jīng)過近年來的發(fā)展， 已成為一種能夠代表當今建筑技 術(shù)和材料科學(xué)發(fā)展水平的新型結(jié)構(gòu)體系。早在遠古時代， 人們利用獸皮等建造的帳蓬便 是最原始的膜結(jié)構(gòu)。進人二十世紀以來， 人們利用類似的原理， 制造了飛艇、雷達天線罩等， 使膜結(jié)構(gòu)首先在其它一些科技領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。同時， 作為臨時性建筑， 如野營帳蓬、 馬戲團大棚、臨時性倉庫等， 膜結(jié)構(gòu)也曾被采用。但是膜結(jié)構(gòu)作為一種真正的現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)， 當推1 9 7 0年在日本大阪萬國博覽會中所建造的一些空氣膜結(jié)構(gòu)。它標志著膜結(jié)構(gòu)時代的開始， 從此在世界范圍內(nèi)開展了對膜結(jié)構(gòu)的開發(fā)、研究和應(yīng)用。七十年代初期， 以美國杜邦、 康寧公司為主的幾家公司和設(shè)計單位聯(lián)合開發(fā)研制了以玻璃纖維織物為基材， 以聚四氟乙烯 ( 特氟隆 ) 為涂料的新型膜材， 使膜結(jié)構(gòu)從最初的臨時性建筑開始邁向永久建筑的行列。

　　根據(jù)國外的使用經(jīng)驗， 膜結(jié)構(gòu)具有如下特點和優(yōu)越性：

　　一 ) 膜結(jié)構(gòu)是建筑與結(jié)構(gòu)完美結(jié)合的一種結(jié)構(gòu)體系。膜材本身的受彎剛度幾乎為零， 但通過不同的支撐體系承受膜面張力， 而形成具有一定剛度的穩(wěn)定曲面。這時， 膜結(jié)構(gòu)的建筑造型是結(jié)合結(jié)構(gòu)構(gòu)造的布局而自然產(chǎn)生的， 力的平衡狀態(tài)直接被表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的形狀上， 這就使膜結(jié)構(gòu)成為一種建筑與結(jié)構(gòu)自然有機結(jié)合的新型大跨度建筑。

　　( 二 ) 膜結(jié)構(gòu)能較好地滿足建筑功能的要求。由于膜材是半透明的織物， 它的透光率 一般可達4 %一1 6%, 能夠滿足大跨度建筑在平時使用時的采光要求， 白天幾乎不需要人工 照明， 這不僅可以節(jié)約大量的能源費用， 而且給人一種開敞的感覺。同時， 由于膜材大多具有很強的反射性， 在熱帶地區(qū)，利用它可以反射掉大部分太陽熱能。在寒冷地區(qū)， 采用雙層膜結(jié)構(gòu)， 向兩層膜間充入熱空氣或填充透光性好的隔熱材料， 使膜結(jié)構(gòu)具有良好的保溫、隔熱性能。 因而，膜結(jié)構(gòu)可以使建筑物做到敞而不礴，不受季節(jié)、氣候的不利影響。此外， 由于膜材大多為不燃或阻燃材料， 耐火性好， 增強了建筑物的防火災(zāi)能力。

　　( 三 ) 膜結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的力學(xué)特性。 目前以織物與有機涂料復(fù)合而成的膜材其條張拉強度可達1 4 0 0 N /c m, 膜結(jié)構(gòu)的受力為單純受拉， 膜材只承受沿膜面的張力， 因而充分 發(fā)揮了材料特性。同時，膜材厚度小， 重量輕， 一般厚度在 0.5 m m~o.8m m, 重量約為 o.5k g / ㎡ 一 2.o k g / ㎡， 僅為傳統(tǒng) 大跨度建筑屋蓋材料重 量的 1/10~1/3 0, 它是跨度重量比最大的一種結(jié)構(gòu)。

　　( 四 ) 膜結(jié)構(gòu)制作施工 方便， 造價比較經(jīng)濟。膜結(jié)構(gòu)的材料為輕質(zhì)、柔軟織物， 一般可在工廠剪裁、 制作， 打成卷運往工地， 搬運容易， 而且現(xiàn)場施工非常方便， 幾乎不需要腳手架， 這將使屋蓋工程的工期大為縮短。同時， 由于膜材既是結(jié)構(gòu)材料也是圍護材料， 根據(jù)國外經(jīng)驗?zāi)そY(jié)構(gòu)屋蓋的造價僅為傳統(tǒng)屋蓋結(jié)構(gòu)的1/2左右。 屋頂部分重量輕， 相應(yīng)下部結(jié)構(gòu)建筑費用也減少， 工程總造價約減少1 5% ~ 2 0 %.

　　膜結(jié)構(gòu)以其鮮明的特點， 目前已世界上許多國家的各類大跨度建筑中得到了應(yīng)用。其中以北美國家發(fā)展最為迅速， 在1974年~1984年十年間就建造了9座總面積約2 5萬平方米的永久性大型膜結(jié)構(gòu)體育建筑。近年來， 日本、南朝鮮等亞洲國家也相繼在大跨度建筑中應(yīng)用 膜結(jié)構(gòu)。1975年建成的美國密執(zhí)安州龐蒂亞克城“ 銀色彎頂”空氣膜結(jié)構(gòu)室內(nèi)體育場， 平面尺寸為234.9m*180.0 m、高62.5m, 是目前世界上規(guī)模最大的空氣膜結(jié)構(gòu)。沙特阿拉伯吉大機場候機大廳及蓋面積50萬平方米的懸掛膜結(jié)構(gòu)， 日本東京后樂園跨度201m、高度56.19 m的空氣膜結(jié)構(gòu)捧球場，南朝鮮漢城為1988年第24屆奧運會而建的直徑120m和90 m的鋼索彎頂膜結(jié)構(gòu)體操館和擊劍館等都是很著名的大跨度膜結(jié)構(gòu)。在我國，膜結(jié)構(gòu)在大跨度建筑中的應(yīng)用幾乎還是空白， 膜結(jié)構(gòu)的研究、膜材的開發(fā)工作才剛剛起步。

　　膜結(jié)構(gòu)的材料：膜結(jié)構(gòu)只有在材料問題得到解決之后才得以大量應(yīng)用， 因此推廣膜結(jié)構(gòu)關(guān)鍵是要生產(chǎn)出實用而經(jīng)濟的膜材。用于膜結(jié)構(gòu)的膜材現(xiàn)多以高強的織物和涂層街成的復(fù)合材料為主。 用抗拉強度高的人造纖雄絲紡成線， 平織成織物， 形成高強的基材， 現(xiàn)多以聚醋織物、玻瑞纖維織物為主。在織物表面涂敷防護性能好的涂層， 使膜材具有良好的耐久、防滅、氣密等特性， 現(xiàn)多采用聚氯乙烯樹脂、聚四氛乙烯 (特氛隆) 和有機硅樹脂。 目前國際上通用的膜材主要有以下幾種：

　　1. 聚氮乙烯 ( P V C )+ 聚酣織物

　　2. 聚氯乙烯( P V C ) 十 玻瑞纖維織物

　　3. 聚四氟乙 烯 ( P T P E )+ 玻瑞纖維織物

　　4. 有機硅 ( S i l ie o n)+ 玻瑞纖維織物

　　以聚醋織物為基材， 以聚氯乙烯樹脂為涂層的膜材是膜結(jié)構(gòu)發(fā)展早期應(yīng)用較為廣泛的一種膜材。它的張拉強度較高， 張拉強度約為350 N /c m 左右， 但彈性模量較低， 材料尺寸穩(wěn)定性略差， 它屬于阻燃材料， 用熱焊法拼接， 加工制造容易。該膜材價格便宜， 經(jīng)濟性好，但由于耐久性較差， 使用壽命一般在5 ~ 10年， 多用于中小跨度的臨時或半臨時性建筑。為改善其耐久性， 可在該膜材表面再復(fù)合一層聚氟乙烯膜( Ted la rf i lm )， 但焊接強度略受影響。

　　以玻璃纖維織物為基材， 以聚氯乙烯樹脂為涂層的膜材利用了基材強度高 (一般條張拉強度約為1400N /cm )， 材料尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)點， 改善了膜材的力學(xué)性能， 并保持了價格便宜的特點， 使該膜材具有較強的實用性。1970年日本大阪萬國博覽會國館就是采用該膜材建造的。

　　玻璃纖維織物涂敷聚四氟乙烯 (特氟隆) 膜材， 既利用了織物的力學(xué)性好、不燃等特點，又利用了涂料的極好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性， 使該膜材不僅強度高， 材料尺寸穩(wěn)定性好， 防火不燃，透光性好， 而且具有優(yōu)良的耐久、自潔性， 使用壽命在25年以上， 適用于大跨度永久性膜結(jié)構(gòu)建筑，是目前在國際上膜結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的膜材。 但價格比較貴， 同時涂敷與拼接工藝較復(fù)雜， 需要特殊的備與技術(shù)。玻璃纖維織物涂敷有機硅樹脂膜材也具有良好的耐久性， 阻燃性好但不屬于不燃材料。它的柔軟性、透光性、撕裂強度等優(yōu)于玻璃纖維織物涂敷特級隆膜材， 并且涂敷工藝簡單， 材料價格便宜， 也是目前應(yīng)用于永久性大跨度膜結(jié)構(gòu)的一種膜材。但該膜材抗污染能力較差， 拼接方法和強度受到一定限制。

　　在我國推廣應(yīng)用膜結(jié)構(gòu)， 首先遇到的關(guān)鍵問題同樣是材料問題。目前我國還沒有專門用于膜結(jié)構(gòu)的膜材， 但是在分析了國外幾種膜材的組成和物理、力學(xué)性能的基礎(chǔ)上， 再對比我國的原材料以及用于其它用途膜材的性能和生產(chǎn)能力， 可以看到，在我國完全有可能生產(chǎn)膜結(jié)構(gòu)用的膜材。 因此目前應(yīng)著手組織研制生產(chǎn)中檔、 高檔專門用于膜結(jié)構(gòu)的各類膜材。建議可以先試制比較便宜的 涂敷聚氯乙烯的聚醋織物， 在取得經(jīng)驗后， 進一步試制涂敷聚四氟乙烯或有機硅 的玻璃纖維織物。只有立足于我國自行生產(chǎn)的材料， 才能大大推動我國膜結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用工作。

　　膜結(jié)構(gòu)的選型：膜結(jié)構(gòu)按其支撐體系的不同， 一般可分為空氣膜結(jié)構(gòu)， 懸掛膜結(jié)構(gòu)， 骨架支撐膜結(jié)構(gòu)， 復(fù)合膜結(jié)構(gòu)等幾種結(jié)構(gòu)形式。

　　空氣膜結(jié)構(gòu)是膜結(jié)構(gòu)中最初發(fā)展起來的結(jié)構(gòu)形式之一。向由氣密性好的膜材授蓋的空間輸送空氣， 利用內(nèi)外空氣壓力差， 使膜材處于張拉狀態(tài)，結(jié)構(gòu)具有一定剛度以承受自重和外荷載?？諝饽そY(jié)構(gòu)可分為氣承式、氣脹式兩種類型。前者多應(yīng)用于跨度較大的建筑， 結(jié)構(gòu)平面多為矩形、圓形或橢圓形， 屋面拱度一般較低以減小風(fēng)壓。沿對角線方向一般交叉布置鋼索， 以增加對膜面的加勁作用。根據(jù)氣候條件有時也可采用雙層膜。氣承式空氣膜結(jié)構(gòu) 內(nèi)外氣壓差一般在100Pa ~300Pa, 對人沒有任何不適 的感覺， 對室內(nèi)環(huán)境也無影響。氣脹式空氣膜結(jié)構(gòu)多用于跨度較小的建筑， 結(jié)構(gòu)平面和建筑造形可變化多樣， 空間自由開放， 同時 由于空氣層的阻隔， 結(jié)構(gòu)隔熱性好。氣脹式空氣膜結(jié)構(gòu)內(nèi)壓較高， 一般在5000 Pa ~ 30000Pa.

　　空氣膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用于大跨度建筑中盡管有許多優(yōu)點， 但同時也存在一些問題。 首先， 它需要長期不間斷的動力能源供應(yīng)， 加壓送風(fēng)也需要一整套的機械和控制系統(tǒng)，這使結(jié)構(gòu)設(shè)計 復(fù)雜化， 也增加了造價。尤其在我國電力能源供應(yīng)緊張的今天， 這一點更顯得突出。其次，氣承式空氣膜結(jié)構(gòu)要求封閉的空間以維持氣壓差， 膜材與支承結(jié)構(gòu)的連接要求嚴密， 并且要設(shè)置專門的進出口，以盡量減少空氣外泄。氣脹式空氣膜結(jié)構(gòu)由于內(nèi)壓較高， 要求采用強度高、氣密性好的膜材， 造價較高。再次， 空氣膜結(jié)構(gòu)在局部荷載作用下， 易產(chǎn)生“袋狀效應(yīng)”, 過去曾發(fā)生好幾起膜結(jié)構(gòu)的破壞事故， 都是由于屋面雨或雪的積留， 使星面變形越來越大， 最終導(dǎo)致膜材撕裂。 鑒于空氣膜結(jié)構(gòu)存在的問題， 結(jié)合我國的實際情況， 目前在我國還不宜采用這種結(jié)構(gòu)形式。

　　懸掛膜緒構(gòu)最初是人們從帳蓬結(jié)構(gòu)得到啟示發(fā)展而來的。它采用桅桿或獨立拱等支撐結(jié)構(gòu)將鋼索或膜張掛起來， 利用柔性索向膜面施加張力將膜繃緊， 形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，其造型新撅， 適合于中小跨度的建筑物， 它與懸索結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析方法有相通之處， 因此這種結(jié)構(gòu)在我國推廣應(yīng)用有一定基礎(chǔ)。加拿大卡爾加里林賽公園體育中心。這是一座雙曲拋物面索網(wǎng)式懸掛膜結(jié)構(gòu)， 跨度約122 m 高 36.5m, 屋蓋部分由一個跨越體育場的格構(gòu)式拱和兩片馬鞍形索網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)組成， 索懸掛在拱與水平的橢圓形環(huán)梁之間， 膜面由索網(wǎng)張緊。這座建筑以屋蓋密閉性優(yōu)良而著稱。

　　骨架支撐膜結(jié)構(gòu)利用拱、空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)等鋼性骨架來支撐膜面。屋面自重可以大大減輕， 而且構(gòu)造也比較簡單， 適合于各類大跨度建筑， 在我國也是一種很有推廣價值的膜結(jié)構(gòu)形式。日本大阪國際展覽中心。它是由直徑42m,長72 m, 高31 m的半圓筒形鋼網(wǎng)殼作為支撐結(jié)構(gòu)，屋面采用玻瑞纖維織物涂敷特氟隆膜材的骨 架支撐膜結(jié)構(gòu)。 為了固定和張拉膜， 設(shè)置一組曲線檁條，將它們固定在網(wǎng)殼上弦的螺栓 球節(jié)點上。

　　復(fù)合膜結(jié)構(gòu)一鋼索彎頂膜是近年來在膜結(jié)構(gòu)領(lǐng)城發(fā)展起來的新型結(jié)構(gòu)形式。該體系是 由連續(xù)的張拉鋼索和不連續(xù)的壓桿組成， 力從中心受拉環(huán)或受拉析架通過放射狀的徑向脊素、谷索、環(huán)向拉索、斜拉素傳向周邊的受壓環(huán)梁。 扇形膜面從中心環(huán)向外環(huán)方向展開， 由鋼索施加拉力并繃緊， 固定在壓桿與索接合處的節(jié)點上。 鋼索彎頂膜結(jié)構(gòu)克服了空氣膜 構(gòu)需要不斷充氣的缺點， 同時又保持了空氣膜結(jié)構(gòu)低拱度造型和跨度大的優(yōu)點， 適用于回形或橢圓形平面的大跨度建筑。南朝鮮奧運會體操館。這是一座直徑約1 20 m 回形平面的鋼索彎頂腆結(jié)構(gòu)。

　　在國外膜結(jié)構(gòu)已發(fā)展成為一種富有生命力的新型結(jié)構(gòu)。 它的應(yīng)用范圍不僅限于體育或展覽建筑， 而已向房屋建筑等各個方面擴展， 因而具有廣闊的發(fā)展前景。在我國， 膜結(jié)構(gòu)的開發(fā)與研究還剛剛起步， 因此當務(wù)之急是學(xué)習(xí)并引進國外先進技術(shù)、開發(fā)生產(chǎn)我國自己的膜 材， 井且有重點地在工程中予以應(yīng)用。 結(jié)合我國具體情況， 最能發(fā)揮膜結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的應(yīng)用領(lǐng)域有：

　　( 一 ) 需要自然采光的公共建筑， 如體育館、訓(xùn)練房、游泳館等， 膜材的半透明性最能滿足這種要求。

　　( 二 ) 在交通不便以及缺少熟練技工的地區(qū)，膜結(jié)構(gòu)具有便于運輸與安裝的優(yōu)點， 最適于在偏僻地區(qū)以及緊急救災(zāi)時采用。

　　( 三 ) 輕巧與美觀的膜結(jié)構(gòu)對于敞開或半敞開的遮蔽屋蓋尤為適宜， 如體育場看臺或露天劇院舞臺等。