・６８・ ２０１３年ｌ２月 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｌ・Ｊ芝材 ２０１３年第６期 第３９卷总第１７６期 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—４０１１．２０１３．０６．０３１ 浅谈膜结构在工程中的应用 吴艳，辛立民 ２３２０００） （安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南摘要：现代膜结构工程是集建筑学、工程结构学、 １９５５年设计的张拉膜结构跨度在２５ ｍ左右，用于联合公园 计算机科学、精细化学为一体的高科技工程。早在２０世纪 ５Ｏ年代，在国际上已开始出现，至今已有４０余年的历史， 在美国、日本和欧洲得到了大量的应用，诞生了许多跨度 大、造型优美、结构合理的作品。本文对空间膜结构在工 程中的应用做了浅析。 关键词：膜结构；膜材料；工程应用 中图分类号：ＴＵ３９９ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１６７２—４０１１（加１３）０６—００６８—０３ １膜结构概述 １．１膜结构的概念 膜结构（Ｍｅｍｂｒａｎｅ）是２０世纪中期发展起来的～种新型 建筑结构形式，是由多种高强薄膜材料（ＰＶＣ或Ｔｅｆｌｏｎ）及 加强构件（钢架、钢柱或钢索）通过一定方式使其内部产生 一定的预张应力以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并 能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构可 分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。充气膜结构是靠室 内不断充气，使室内外产生一定压力差（一般在１０—３０ ｍｍ 水柱之间），室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的 浮力，从而实现较大的跨度。张拉膜结构则通过柱及钢架 支承或钢索张拉成型，其造型非常优美。 图１张拉式膜结构 图２充气式膜结构 １．２膜结构的起源与发展 膜结构的雏形可追溯到古代游牧民族使用的帐篷结构。 世界上第一座充气膜结构建成于１９４６年，设计者为美国的 沃尔特・勃德（Ｗ．Ｂｉｒｄ），这是一座直径为１５ ｍ的充气穹顶。 １９６７年在德国斯图加特召开的第一届国际充气结构会议， 无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂。随后各式各样的 充气膜结构建筑出现在１９７０年大阪世界博览会上。 张拉形式膜结构的先行者是德国的奥托（Ｆ．ＯＲｏ），他在 作者简介：吴艳（１９８６一），女，江苏南京人，在读硕士研究生，主要从 事结构工程研究。 多功能展厅。由于张拉膜结构的发展离不开计算机技术的 进步和新算法的提出，因此计算机技术的迅猛发展为张拉 膜结构的应用开辟了广阔的前景。而特氟隆膜材料的研制 成功也极大地推动了张拉膜结构的应用。比较著名的有沙 特阿拉伯吉达国际航空港、沙特阿拉伯利雅得体育馆、加 拿大林德塞公园水族馆、英国温布尔登室内网球馆、美国 新丹佛国际机场等。 ２膜材料的组成分类和性质 ２．１膜材料的组成 ２．１．１ ＰＴＦＥ建筑膜材 ＰＴＦＥ膜材是在超细玻璃纤维织物上涂以聚四氟乙烯树 脂而成的材料。这种膜材有较好的焊接性能，有优良的抗 紫外线、抗老化性能和阻燃性能。另外，其防污自沽性是 所有建筑膜材中最好的，但柔韧性差，施工较困难，成本 也十分惊人。 ２．１．２玻纤ＰＶＣ建筑膜材 这种膜材开发和应用得比较早，通常规定ＰＶＣ涂层在 玻璃纤维织物经纬线交点上的厚度不能少于０．２ ｍｍ，一般 涂层不会太厚，达到使用要求即可。为提高ＰＶＣ本身耐老 化性能，涂层时常常加入一些光、热稳定剂，浅色透明产 品宜加一定量的紫外吸收剂，深色产品常加炭黑做稳定剂。 另外对ＰＶＣ的表面处理还有很多方法，可在ＰＶＣ上层压一 层极薄的金属薄膜或喷射铝雾，用云母或石英来防止表面 发粘和沾污。 ２．１．３玻纤有机硅树脂建筑膜材 有机硅树脂具有优异的耐高低温、拒水、抗氧化等特 点，该膜材具有高的抗拉强度和弹性模量，另外还具有良 好的透光性。 ２．１．４玻纤合成橡胶建筑膜材 合成橡胶（如丁腈橡胶，氯丁橡胶）韧性好，对阳光、 臭氧、热老化稳定，具有突出的耐磨损性、耐化学性和阻 燃性，可达到半透明状态，但由于容易发黄，故一般用于 深色涂层。 ２．１．５ ＥＴＦＥ建筑膜材 由ＥＴＦＥ（乙烯一四氟乙烯共聚物）生料直接制成。ＥＴ— ＦＥ不仅具有优良的抗冲击性能、电性能、热稳定性和耐化 学腐蚀性，而且机械强度高，加工性能好。 ２．２膜材料的分类 目前建筑膜材广泛认可的标准是日本ＪＩＳＡ一９３所规定 的Ａ、Ｂ、ｃ三类，是根据其防火性能的优劣来划分的。 Ａ类 ２０１３年第６期 第３９卷总第１７６期 ｌ・Ｊ 材 ａｂ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａ￣ｒｉ３．１．２基础施工 ・６９・ ２ｏ１３年ｌ２月 Ａ类最好， 以玻璃纤维织物为基材涂ＰＴＦＥ而成； Ｂ类 开挖成型后，浇注完垫层混凝土后绑扎钢筋、立模和 Ｂ类次之， 以玻璃纤维织物为基材涂ＰＶＣ而成； Ｃ类 Ｃ类是三类中最次的，以聚酯（涤纶）织物为基材涂 ＰＶＣ而成。 安装预埋螺栓。螺栓预埋在安装、就位、混凝土浇注过程 中要跟踪测量，确保位置精度符合规范要求。分层回填， 分层夯实。 ３．１．３钢结构施工 按涂层材料分，有聚四氟乙烯（ｆｒｒＦＥ）、聚偏氟乙烯 （ＰＶＤＦ）、聚氟乙烯（ＰＶＦ）、聚氯乙烯（ＰＶＣ）、聚氨酯（ＰＵ）、 １）工艺流程：制作加工台座一零件放样一剪、冲、锯 一零件平直一边缘加工、制孔一拼装一焊接一矫正一端部 橡胶等。 ２．３膜材料的性质 膜结构建筑不同于传统结构建筑，膜结构大多是空间 整体支承结构，是由骨架与覆盖其上的膜材共同组成的， 整体全部施加预张力。而传统的结构与建筑主体密切相连。 有些甚至与主体结构不可分割或很难分割，结构类型多且 受力特性不同，传统结构建筑的造型因受结构的影响而单 一没有想像力。膜结构建筑的膜材具有良好的可塑性和连 续性，它的曲线美超越了传统建筑。膜结构与传统结构建 筑相比有四大的特点。 １）轻质。张力结构白重小的原因在于它依靠预应力形 态而非材料来保持结构的稳定性。从而使其自重比传统建 筑结构的小得多，但却具有良好的稳定性。建筑师可以利 用其轻质大跨的特点设计和组织结构细部构件，将其轻盈 和稳定的结构特性有机地统一起来。 ２）优良的光学、热学特性 膜材是半透明的织物，对自然光有反射、吸收和透射 能力，其透光率随类型不同可达４％～１８％。白天基本上无 需人工照明，即可达到采光要求；同时，经膜材透射的光， 呈漫发射，光线柔和宜人，无眩光，给人一种开敞、明亮 的感觉。膜材将大部分阳光反射掉，使热带地区的膜建筑 内，温度不太高，且减少或免除紫外线对人体的伤害。膜 材耐高温，特氟隆在１００—１２０℃下仍能保持性能不变；低 到一３０℃时，ＰＶＣ膜材不会变脆。在寒冷地区，用双层膜 结构，有良好的保温隔热作用，从而使膜建筑做到不受季 节、气候的影响。 ３）良好的不燃、阻燃性和自洁性。ＰＶＣ膜材表面还涂 有ＰＶＤＦ（聚偏二氟乙烯）薄膜，使抗腐蚀及抗污能力大大 增强。有极稳定的化学性能，耐腐蚀、抗脏污，因此膜建 筑表面经雨水冲刷，即能自洁。 ４）良好的工艺性能。膜材厚度仅０．５—１ ｍｍ，单位重 量约为０．５～１．５ ｋｇ／ｍ ，是传统覆盖材料重量的１／３０，这 就减少了对墙、柱等支承构件及基础的要求。膜结构的骨 架和支承体系大都为轻钢结构，其加工制作、安装均较容 易进行；膜材打卷运输，包装简易，其成型可事先在工厂 剪裁、热合而成，安装施工简易。这些，不仅仅大大缩短 了工期，也使工程造价比传统建筑降低１５％一３０％。 ３膜结构的工程实例 ３．１高速公路收费站施工 ３．１．１膜材技术性能 膜材采用法拉利高强聚酯纤维编织成基材，基材两面 涂以ＰＶＤＦ树脂加工而成。具有良好的抗拉、抗撕强度与 良好的耐热、耐水、耐久、防火、透光性能。 铣平一喷砂除锈一涂装。 ２）钢柱加工。制作拼装台座要求平整，确保零件放 样、加工与钢柱拼装精度，涂装的环境温度应选定在５—３８ ℃之间，相对湿度不大于８５％，保证涂装厚度。 ３）钢柱吊装。吊装前，对基础进行轴线和标高检查并 在混凝土上弹出墨线然后将预留钢板就位并调平。吊装时 将钢丝绳系在钢柱顶部，缓慢提起，钢柱直立后，吊装至 基顶，人工配合就位，并经过初校后，装上连接螺母，松 开钢丝绳。最终校正采用撬棍与千斤顶进行，检查垂直度、 位置与标高。 校正后，紧固螺栓，将钢柱底板与预埋钢板上下焊牢。 然后进行连接件焊接，焊接前放样并抄平，局部偏差用连 接件调整。拼装后，用连接杆调节，使标高一致。 ３．１．４膜体安装 首先对膜体剪裁，剪裁后进行安装，安装前对膜体、 节点板、拉索、铝压条、不锈钢螺栓数量和型号进行检查， 按膜体分区分类摆放。安装时，自一端开始，两边同时安 装，用卷尺控制结点间距离，拧紧链接螺栓。再将拼装好 的膜体成品顺向卷好，用手动葫芦与爬杆吊装至梁上，再 将膜体展开并拧紧一侧结点板与梁上预焊连接件的螺栓。 当膜体全部安装完毕，采用紧固拉索上螺栓对拉索施 加应力，通过拉索传递将张力导人膜体。保证经过张拉后 的膜体平整无皱褶，各个方向受力均匀。膜材张拉完后， 将压杆轻轻放下，垫上橡胶止水板、开眼和紧固螺栓，同 时对各钢柱间连接杆进行调整，确保各钢柱间连接受力均 匀。 ３．１．５施工过程图（见图３） 基础及承重钢结构工程Ｈ搭设脚手架Ｈ现场除锈打磨Ｈ钢结构的拼装 刷面漆Ｈ钢构件吊装Ｈ膜材吊装Ｈ压膜边 冒口固定 ＿－｛工程竣工 图３施工过程图 ３．２其他适用工程 ３．２．１娱乐空间 近年来，随着建筑空间观念的日益深化以及科学手段 的不断提高，“回归自然”、“沐浴自然之温馨”已是现代建筑 环境学发展的主流。室内外的视线越来越模糊，出现了许 多亦内亦外、相互渗透的不定空间，如：天井、四季厅、 动植物园、体育、文化娱乐场所等。由于膜材的光透性， 白天阳光可以透过膜材形成慢射光，使室内达到和室外几 乎一样的自然效果，因此膜结构能创造出与自然环境相媲 美的空间形式。 ３．２．２标志性小品 一个城市的中心区反映一个城市的地理风貌和民族风 （下转第７２页） ・７２・ ２０１３年第６期 第３９卷总第１７６期 ２０ｌ３年１２月 、 赠一 一 一 ∞∞加ｍ Ｏ ｍ ∞ 表３ ｌ９个路径计算得到的冻结壁各项参数汇总 路径 冻结壁厚度 冻结壁平均温度 井帮处温度 入荒径 、 ． 凄 篷虹～ ／ｍ ／℃ —１９．８２ ／℃ —８．７３ ／ｍ １．０ｌ ０ ５０ １ ■ 廷 — 蹬 一一 ５０ 一＂３００ ３５ １１．３５ ５结论及总结 时间／ｄ ＋５号测温孔温度斗ＡＮｓＹｓ数值计算温度（５）＋３号测温孔温度 蚪 ＡＮＳＹＳ数值计算温度（３） ・一１号测温孔温度一ＡＮＳＹＳ数值计算温度（】）— ４号测温孔温度—Ｌ－ＡＮｓＹｓ数值计算温度（４】 …２号测温孔温度 ＡＮＳＹＳ数值计算温度（２） —１）经过对比和计算可知：经过公式计算得到的冻结壁 厚度与ＡＮＳＹＳ数值模拟求出的冻结壁厚度相对误差ｓ为： ｓ：图３各个测温孔实测温度与ＡＮＳＹＳ数值模拟温度对比 堕 １１ ３５ ． ×１００％：８２１６％’ ’ ．（５）、 ， 图４为温度差别在２℃内所调取的２０个路径图。 ２）理论公式计算得到的结果与数值模拟分析得出的结 果相近，有相互校核的目的，可以作为施工有效的参考依 据。 ３）施工到深厚钙质黏土层位规定井帮温度须低于一８ ℃，分析看出条件已经满足要求，但安全起见应该采用小 Ｃ 段高２．２ ｍ进行施工，施工同时还应加强现场监测，以策 口 顺利通过深厚钙质黏土层位。 参考文献： ［ＩＤ：０００７４１］ ● ●＝５ｉ 芝 材 ［１］ＡＮＳＹＳ１２．０热分析工程应用实战手册［Ｍ］．北京：中国铁道出 版社。２０１０． ［２］江见鲸，等．混凝土结构有限元分析［Ｍ］．北京：清华大学出版 社。２００５． Ｐ ．ｎ 口 ［３］刘睫．大体积混凝土水化热温度场数值模拟［Ｊ］．混凝土与水 图４层位４４０ ｍ（砂质黏土）选取１９个路径 泥制品，２０１０，３７（５）． ［４］郝文化．ＡＮＳＹＳ土木工程应用实例［Ｍ］．３版．北京：中国水利 提取１９个路径并计算得到杨村指定层位的冻结壁各项 参数平均后得到表３数据。 水电出版社，２０１１． ［５］陈才生．数学物理方程［Ｍ］．南京：东南大学出版社，２００８． （上接第６９页） 情，同时，也是一个城市文化发展程度的标志。而景观设 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。近年来膜结构在我国内地已获得较多应用， 但仍属起步阶段，与国外先进水平相比还存在着明显差距， 我们还有许多需要学习发展。 ［ＩＤ：０００７４４］ 参考文献： 计要求其具有广泛的可观性、雅俗共赏，既有超凡脱俗的 艺术价值，又能使大众喜闻乐见与大众息息相通。膜结构 以其鲜明的个性和标识性，应用于城市小品设计中。 在绿色空间中构造一座膜小品或者走廊、亭台水榭、 休憩遮阳伞等，不仅生动地美化了环境，又有很强的功能 性（人们可以在行走之暇小憩一会儿），而且增加了空间的参 差感。 ３．２．３交通设施膜结构工程 ［１］林宏图，向长奎．膜结构的发展［Ｊ］．攀枝花学院学报，２００３，２０ （１Ｏ）：１５—１８． 随着都市现代化步伐的加快，汽车成为任何一个都市 不可缺少的交通工具。我国由于汽车工业高速发展，城市 的汽车拥有量成倍上升，但城市建设规划没能尽快适应这 一［２］蓝天．当代膜结构发展概述［Ｊ］．世界建筑，２０００，２１（９）：１７— ２０． 发展的要求，常常是车无停放之地。所以在建设规划时 ［３］焦江，王松岩．膜建筑的起源、发展与张望［Ｊ］．工业建筑， ２００６，３６（Ｓ）． 就应充分考虑停车场的问题，把停车场的建设和规划当成 现代城市建设规划的重要组成部分，变得越来越重要。同 样，膜结构在停车场建设中也担当重要角色。 膜结构不仅在停车建设中担当重要的角色，在交通设 施中膜结构还有许多方面的运用，如膜结构火车站台、膜 结构高速公路收费站等等。 ［４］周道明．膜结构工程的发展和应用［Ｊ］．工业建筑，１９９９，２９ （１Ｉ）：２８—３０． ［５］戚志晶，黄义顺．膜结构建筑［Ｊ］．中国建材，１９９８，４１（１Ｏ）． ［６］廖扬，黄达达．膜结构建筑简介［Ｊ］．建筑学报，１９９７，４４（７）． ［７］高欣萍，储才元．建筑用膜结构材料［Ｊ］．产业用纺织品，２００１， ｌ９（１Ｏ）． ［８］ｚ．Ｓ．Ｍｏｋｏｗｓｋｉ．Ｓｐａｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ—Ａ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ Ｌａｓｔ ４总结与展望 膜结构的诸多优势已为国内外的大量工程实践所证实。 Ｄｅｃａｄｅ，Ｓｐａｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＩＶ．Ｌｏｎｄｏｎ：１９９３：ｌ一８．