膜结构构造特点

膜结构所用膜材料由基布和涂层两部分组成.基布主要采用聚酯纤维和玻璃纤维材料;涂层材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材为聚酯纤维覆聚氯乙烯（PVC）和玻璃纤维覆聚聚四氟乙烯（Teflon）。PVC材料的主要特点是强度低、弹性大、易老化、徐变大、自洁性差，但价格便宜，容易加工制作，色彩丰富，抗折叠性能好。为改善其性能，可在其表面涂一层聚四氟乙烯涂层，提高其抗老化和自洁能力，其寿命可达到15年左右。Teflon材料强度高、弹性模量大、自洁、耐久耐火等性能好，但它价格较贵，不易折叠，对裁剪制作精度要求较高，寿命一般在30年以上，适用于永久建筑。 膜结构材料的特点：

重量轻、强度高、防火难燃、自洁性好，不受紫外线影响、抗疲劳、

耐扭曲、耐老化、使用寿命长。具有高透光率，热吸收量很少。正是因为这种跨时代的膜材料的发明，使膜结构建筑成为现代化的永久性建筑

膜结构建筑的特性

膜结构建筑作为一种建筑体系所具有的特性主要取决于其独特的形态及膜材本身的性能。恰由于此，用膜结构可以创 景观膜结构建筑 造出传统建筑体系无法实现的设计方案。

1、轻质：张力结构自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、透光性：透光性是现代膜结构最被广泛认可的特性之一。膜材的透光性可以为建筑提供所需的照度，这对于建筑节能十分重要。对于一些要求光照多且亮度高的商业建筑等尤为重要。通过自然采光与人工采光的综合利用，膜材透光性可为建筑设计提供更大的美学创作空间。夜晚，透光性将膜结构变成了光的雕塑。

膜材透光性是由它的基层纤维、涂层及其颜色所决定的。标准膜材的光谱透射比在10%~20%之间，有的膜材的光谱透射比可以达到40%，而有的膜材则是不透光的。膜材的透光性及对光色的选择可以通过涂层的颜色或是面层颜色来调节。

通过膜材和透光保温材料的适当组合，可以使含保温层的多层膜具有透光性。即使光谱透射只有几个百分点，膜屋面对于人眼来说依然是发亮和透光的，具有轻型屋面的观感。

3、柔性：张拉膜结构不是刚性的，其在风荷载或雪荷载的作用下会产生变

形。膜结构通过变形来适应外荷载，在此过程中荷载作用方向上的膜面曲率半径会减小，直至能更有效抵抗该荷载。 张拉结构的灵活性使其可以产生很大的位移而不发生永久性变形。膜材的弹性性能和预应力水平决定了膜结构的变形和反应。适应自然的柔性特点可以激发人们的建筑设计灵感。 不同的膜材的柔性程序也不相同，有的膜材柔韧性极佳，不会因折叠而产生脆裂或是破损，这样的材料是有效实现可移动、可展开结构的基础和前提。 4、雕塑感：张拉膜结构的独特曲面外形使其具有强烈的雕塑感。膜面通过张力达到自平衡。负高斯膜面高低起伏具有的平衡感使体型较大的结构看上去像摆脱了重力的束缚般轻盈地飘浮于天地之间。无论室内还是室外这种雕塑般的质感都令人激动。

夜晚的灯光使膜结构建筑表现出强烈的雕塑感，张拉膜结构可使建筑师设计出各种张力自平衡、复杂且生动的空间形式。在一天内随着光线的变化，雕塑般的膜结构通过光与影而呈现出不同的形态。日出和日落时，低入射角度的光线将突现屋顶的曲率和浮雕效果，太阳位于远地点时，膜结构的流线型边界在地面上投入弯弯曲曲的影子。利用膜材的透光性和反射性，经过设计的人工灯光也可使膜结构成为光的雕塑。

5、安全性：按照现有的各国规范和指南设计的的轻型张拉膜结构具有足够的安全性。轻型结构在地震等水平荷载作用下能保持很好的稳定性。 由于轻型结构自重较轻，即使发生意外坍塌，其危险性也较传统建筑结构小。膜结构发生撕裂时，若结构布置能保证桅杆、梁等刚性支承构件不发生坍塌，其危险性会更小。

膜结构的柔性使其在任一荷载作用下均以最有利的形态承载。当然，结构的布置和形状要根据荷载情况来进行设计和调整。设计要确何膜面与其辅助结构协调工作，以避免力在膜面或辅助结构上集中而达结构破坏的临界值。

6、功能：由于张拉膜结构的自身特性，其可以满足从简单遮阳结构到功能复杂的大型建筑等许多不同的建筑功能要求，并且对于有些功能要求只有它才是最为适合的。

7、极具表现力的建筑形态：具有特定功能的建筑都可通过立意得以表达，张拉膜结构的独特外形体现了建筑自身的自然美感。

这些建筑形态本身和与其相协调的传统建筑一起构成了令人兴致盎然的地面标志性建筑。优秀的膜结构设计是结构与外形的有机融合，使其显得了类拔萃，同时与自然环境、历史及现代的城市景观有机结合。

轻型结构可以看成是大型的雕塑作品，可为其周边空间增添活力，成为周围环境的补充和焦点。 8、抵御天气的影响：膜屋面的一个重要作用就是抵御各种天气变化（如日晒、雨淋、风雪等）对其内部空间的影响，保持建筑物内部的舒适性。选择膜面的形态和材料时要考虑到所有可能的天气状况，并尽可能利用建筑本身等被动方法来减少能量的消耗。 多孔膜材可用作遮蔽结构。它可以控制光的透射和反射，使室内拥有散射光，并且促进自然通风，使屋面温度与周围环境的温度相同，并避免向下的热辐射。 为了抵挡风雪，膜面的外形应使排水通畅使捷，避免在其上形成水兜或雪的堆积。在施加预应力前的安装成形阶段，张拉膜结构对这些荷载十分敏感。为了能将雨水排除，膜材和接缝须密封防水，膜边缘也必须进行特殊的细部设计，以防止雨水进入室内。

9、可移动性和临时性：与其它结构相比的另一个突出优势是轻型结构对环

境的影响具有可调和性。另外它还有两个重要的特性，即可移动性和灵活性。 结构可以在不同的地点反复拆建，这就是张拉膜结构的可移动。它将游牧式与定居式的建筑融为一体。膜材轻柔的特点使其方便运输，且易于迅速搭建，而闲置时占用空间很小。这种特性使膜结构十分适于用作临时性可移动建，特别是在发生突然灾难或遇到紧急情况而需要在短时间内为大量人员提供庇护所的时候。

另一方面，可移动薄膜结构除具有与永久建筑相媲美的舒适性外，它还引入了建筑行业的一个新概念，即将房屋的所有权与土地的所有权相分离。建筑不再是不可移动的，而是可移动的。这种可移动性和可重复使用的特点对加速现代城市的发展和建筑功能在某些特殊领域中的转变具有重要的意义。 10、可展性和自适应性：可展结构可以看作是一种人造的自适应体系，同许多自然有机体一样，可根据需要改变自身的形式。它们的空间布置和对天气变化的反应具有灵活性和自适应性。通过控制自然光和内部温充可达到主动节能的目的。可展结构即可开敞也可闭合，它的灵活性使其可以改变空间的属性。精心设计的可展屋盖的优雅滑动体现了人与自然的和谐。它被称作是一种创造，轻型与可展性的充分结合形成了“免施工房屋”的概念，这种结构任何需要的时间或地点均可实现。

一、膜结构的连接节点包括膜片与膜片连接节点和膜面与支承结构连接节点。根据支承体 系的不同，可分为膜面与柔性支承结构节点和膜面与刚性支承结构节点。按照所处部

位不同，可分为中间节点和边界节点。

二、膜结构的连接构造设计应考虑结构的形状、荷载、制造、安装等条件，使结构安全、

可靠、确保力的传递，并能适应可能的位移和转动。 三、形状设计与荷载分析时对节点所作的假定宜与实际构造相一致。节点设计和验算时应

考虑计算时的各种简化的影响。

四、节点设计时宜考虑结构安装偏差的影响。 五、膜面与支承结构连接节点必须具有足够的强度和刚度，不得先于连接的构件和膜材面

破坏，也不应产生影响受力性能的变形。 六、膜片连接处应保持高度水密性，应进行抗剥离测试，并应防止织物磨损、撕裂。连接

处的金属构件应有防止腐蚀的措施。连接构造应充分考虑膜材蠕变的影响。

膜片连接的构造设计原则

一、膜片之间可用热融合、缝合或机械连接二、膜片连接处的膜材强度，应由制作单位工艺保证。当工程需要时，应由试验验证。

三、膜片与膜片之间的接缝位置应依据建筑要求、结构要求、经济要求等因素综合确定。 四、膜面的拼接纹路应根据膜材主要受力经纬方向合理安排，宜采用纬向拼接、经向拼接

和树状拼接三种方法。

五、屋面膜片宜搭接，搭接接缝应考虑防水要求 五、接缝数量宜少。接缝附近和可能产生应力集中的部位宜用斜向增强片进行加强。避免

接缝的交叉和叠合。

七、膜面上主要受力缝的拼接宜采用热融合方法进行连接。 膜面与支承结构连接的构造设计原则 一、膜结构中的夹具应使膜面的应力均匀地传递而不产生应力集中。膜面夹具系统应能承

受膜面上的设计应力，不能发生扭曲变形。夹具与膜面之间需辅以衬垫，并应连续安

全地夹住膜材边缘，与膜面之间需辅以衬垫，见下图。设计夹具系统时，夹具系统承

受的应力应满足下列要求：

A、承受已确定的膜面上的设计应力。 B、承受来自单边的膜面应力。

1．关于结构膜

一般钢结构屋顶，是由桥梁支撑屋面板，上面覆盖防水、隔热层，这些屋面材料皆不承受结构力。但膜结构中的膜本身就承受活荷载包括风压、温度应力等，膜既是覆盖物，亦是结构的一部分。 以材质分类，结构膜有以下两种：

1）平面不织膜：由各种塑料，在加热液化状态下挤出的膜，它有不同厚度、透明度及颜色，最通用的是聚乙烯膜。亦有以聚乙烯和聚氯乙烯热熔后制成的复合膜，其抗紫外线及自洁性强，且使用年限可从7年延长到15年，此种膜因张力强度不大，而自跨度不大，属于半结构性的膜材。

2）织布合成膜：以聚酯丝织成的市心，双面涂以PVC树脂，再用热熔法覆盖上一层聚氟乙烯膜，制成复合膜，使用年限从 7年延长到15年。因布心的张力强度较大可以使用于多种的张啦力型结构，跨度可达8m－10m，在美、日、法等国皆生产多种品牌。 2．几种膜结构

与上述结构膜结合的结构大约有下述几类: 1）纯钢拱形结构

采用传统的梁柱系统，屋顶为圆拱式，柱梁间距一般为8m左右。 2）混凝土结构主体加钢拱 以上两种最简单的膜结构，依平面的形状，如方形、菱形等，可有许多变化，拱的间距依使用的膜材强度、设计荷载、风力等确定。 3）混凝土主体结构加钢索

脊素为上弯，位于膜布下面，谷索为下弯，位于膜上面。两种钢索的弯向相

反张拉后造成相反方向的垂直力，使膜市受到垂直方向的张力，膜布中水平方向的张力直接张拉形成。

4）混凝土主体结构加钢柱 5）张拉式帐篷膜结构

6）大型（跨度在200m以上）气撑式膜结构

用扁钢作的钢索加上膜布，可以做成大跨度的巨型屋顶。这种建筑，结构简单，施工方便，经济效益高，无需维修。但因需常年维持封闭，进出较不便，现己不再新建，但仍不失为一种好的结构形式。由于膜结构需要精确的设计及剪裁，以达到理想的效果，大卫、盖格和哥伦比亚大学的同僚迈克、马克麦克和约塞夫、赖特共同开发了非线性钢索计算程式，为气撑式大型膜屋顶工程设计奠定了基础。自1973年至1978年，在世界各地一连建造了12座气撑式膜结构大型室内体育馆，与同时期落成的其他球场比较，这些膜结构的体育馆不但价格便宜，而且施工快。面积40000m2的银顶球场的屋顶只用了11.5个月即全部完成。为世界最大之室内体育馆。

7)钢索穹顶

1980年左右，盖格先生又创造了使用永久性结构膜的新技术，这种新技术是基于工程哲学家巴克明斯特．富勒的理论。富勒认为现代的结构都是在对抗地心吸引力，不断地争取压力的连续性，但自然界并非如此。这是一项看似平淡，实则非常智慧的哲理，1983年他发表的文章中建议在结构上逐步减少压力的影响，而增加张力的作用，富勒将他的新观念命名为“张力式”，英语是张力（Tension）和完整(Integrity)二字的合成。在这种理想的结构中“压力杆件是张力大海中的一个小岛”。盖格先生对富勒的哲理，则有更进一步的解释，他认为“空间的跨越是由连续的张力索和不连续的压力杆”完成的。在这一理论基础上，他提出钢索穹项由以下杆件组成：中央张力环经由数目为四的倍数的脊索、环索、中继斜拉索、压力杆和斜拉索而到达压力环梁，形成一个完整封闭的张力拱结构系统。

这一发明取得了专利。因其不需空气支撑，制作比较简便，故在大型场馆的建设中，逐步取代了气撑式膜结构。钢索穹顶在结构技术上，用预应力的原理建立了一种完全突破传统思维的新概念。 将钢索结构加上预应力，使得原来应是压力的杆件亦成了张力件，并以钢索取代，由此压力杆件的数目减少，而形成非常轻巧的穹顶结构。传统的钢架结构自身重量随跨度加大而急剧增加，但在钢索穹顶的结构系统中，单位重量永远保持不变。这在结构学的理论上，是一个突破。

钢索穹顶的结构系统，亦可配以其他传统建材，如钢板、玻璃等，结构自重不会超过20Kg/m2，是一项高功效、多用途的新技术。 钢索穹顶的特点在于:

1)单位重量轻：一般说来建筑在 70m—300m之间时，其平均自重（包括所有构件）均在15kg/m2—25Kg/m2范围内。而且无论跨距多大，单位面积自重，都不会超过250 Kg/m2。 2)形状多样化：通常做大跨距结构都是用圆形拱顶，但钢索穹顶可有许多选择。

3)屋顶面材有多种选择：钢索穹顶是张力拱，可以接受任何块状屋面材料，如钢板、玻璃、结构膜等。一般都将钢索穹顶和结构膜联想在一起；但并非必然

如此。

4)施工方便、工期短：因为单位面积重量轻，施工机具及吊装设备用的较小，大部分钢索、杆件都在地面组装，只要将斜拉索张拉，即可将整个屋顶逐渐举起，几乎不需临时支架。 5)不漏雨，无维修：大型屋顶遇到的最大问题是漏雨，通常传统的拱形屋顶，因受日照及其他气候因素影响，屋面材料5年—7年就会老化。一般情况下越大的屋顶，漏雨问题越不好处理。如果钢索穹顶和结构膜一齐使用，则可一劳永逸地解决漏水问题，张力膜紧绷在张力钢索网上，热胀冷缩只会使膜的预应力略为加减；而不会被破坏。 永久性的结构膜，因为有特氟隆面层，可吸收紫外线，故老化现象十分缓慢，保守而合理的推断可连续使用40年—50年。最早建造的位于圣塔·巴巴拉的加州大学的膜结构已有28年，如今依然完好如新。因为不老化，故无需修理及维护，十分经济。

6)防风、抗震、防火、抗酸、碱、盐：永久性膜的单位张力在100Kg/cm以上，可抗飓风。表面涂料及布心的玻璃纤维，皆不自燃。因为自重只及传统钢拱屋顶的1/12，故对地震水平力的减低至为可观。特氟隆涂料的化学稳定性，对任何强酸、碱、盐份，皆无反应。