建筑膜结构是什么 建筑膜结构的特性

建筑膜结构，乍听上去你可能对这个建筑新名词感到十分陌生。没错，对于建筑行业的门外汉来说，建筑膜结构也许是一个十分难理解的东西，实际上，也许当你阅读完本文，浏览完之后就会对建筑膜结构有一个新的认识，更有趣的是，建筑膜结构的设计就存在在我们触手可及的身边!

　　建筑膜结构是什么

建筑的膜结构准确来说是一种曲面，是一种有着高强度柔性薄膜材料，我们经常见到的许多类似于“大棚”式的设计就是采用了建筑膜结构，这种结构能够承受一定的外在压力，是眼下一种十分时尚、经典的空间结构形式。其造型的特点是自由性很强，经过精心的设计能具有一定的力量感。而制作起来也十分简单、安装比起其他的建筑结构较为快捷，用户使用起来也十分安全。

建筑膜结构的特性

建筑膜结构的最大特性在于其重量，由于建筑膜结构采用的一般是张力结构，因此自身的重量比较小，它一般是依靠预应力的形态来保持结构的稳定性，建筑师可以依靠这一点来进行一些组织结构的设计，使其变得轻盈和稳定。除了轻质的特性之外，建筑膜结构还有不容忽视的一点特点，那就是透光性。听到这里也许很多人会说，透光性并不能算得上是一种优秀的特点，但是对于现代膜结构来说，透光性正是膜材的一种无法比拟的优势所在，因为透光性特点，建筑的亮度可以由外在的阳光以及自然光来进行提供，从这一点上看，建筑膜结构与建筑节能的概念不谋而合，这与一些要求光照多并且亮度高的商业场合更为契合。

最后我们再来说说建筑膜机构的膜材质量，首先我们都知道，建筑张拉膜结构不是刚性的材料，在风荷载和雪荷载的前提下，膜结构可以利用自身的变形来适应外界的变化，这种适应自然的柔性特点能最大程度地激发人们的建筑灵感。

说了这么多，相信大家已经对建筑膜结构的知识有了一定的了解了，要知道，许多膜结构的建筑通过膜材与各种保温材料的适当组合，能让建筑物显现出一种轻型屋面的感觉，看上去视觉效果更佳。

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世界上最早的膜结构建筑出现在1970 年大阪世博会，此后膜结构建筑得到了很大的发展。

1975年在美国密执安州庞提亚克兴建了平面尺寸2439X183m的银色穹顶,这是第一次将气承式膜结构建筑应用于永久性的大型体育馆。其后在北美地区，类似的膜结构就建了9座，其中象美国的明尼阿波利斯和加拿大的温哥华均位于北方地区。虽然象这样的充气结构也发生过几次不愉快的坍塌事故，但是膜结构终于登堂入室,进入永久性建筑的行列。日本在徘徊了10多年之后，也在1988年修建东京后乐园棒球场时采用了气承式膜结构建筑。

1986年以后，在美国建造的大型体育馆就没有采用过空气膜结构建筑，对于有些已建成的体育馆，其膜材将达到保证的使用年限，需改建时也不再考虑采用气承式膜结构。不过由于其造价低廉、安装方便，中小跨度的健身房、网球馆、仓库等，气承式膜结构还是受到欢迎。

位于号称日本雪国的秋田县，最深积雪可达150cm。1990 年建造了天空穹顶体育馆，其外形从球体截取，长边为130m、短边为100m。这座体育馆的设计构思来源于当地著名的雪窑洞，但置身其中又有在户外的感觉。屋盖承重是正交的格构式空间拱系，沿长方向采用空腹拱并设有钢索，沿短方向采用钢管拱。长向钢索被用来对膜面施加张力，同时与骨架在屋面形成V形槽沟，以便于雪滑落。紧贴屋面的钢管拱被用作输送暖风的通道，既起到融雪的作用，也解决了膜面的结露问题。膜材为单层玻璃纤维织物，透光率可达10%，在场中仰望屋顶，给人以通透明亮的感觉。在寒冷地区建造大跨度膜结构，秋田天空穹顶是一一个成功的范例。

在全世界众多的纪念性建筑中，英国所建造的千年穹顶（Millennium Dome)尤为突出。当2000年子夜的钟声敲响时,在伦敦泰晤士河畔五彩缤纷焰火的照耀下，千年穹顶以它银白色的圆顶迎接新的千禧年。这座直径320m、以12 根高山100m的桅杆所支承的圆球形屋顶采用了膜结构建筑。正是这座穹顶集中体现了20世纪建筑技术的精华，用它来迎接新世纪，的确是再恰当不过了。水立方”是世界上最大的膜结构工程，建筑外围采用世界上最先。

进的环保节能ETFE(四氟乙烯膜材料）。2008年北京奥运会标志性建筑物之一。其与国家体育场分列于北京城市中轴线北端的两侧，共同形成相对完整的北京历史文化名城形象。

膜结构分类

膜结构按结构受力特性大致可分为充气式膜结构、张拉式膜结构、骨架式膜结构、组合式膜结构等四大类。

充气式膜结构又可分为气承式膜结构和气账式膜结构（或叫气肋式膜结构），以及组合式气膜（气承式与气肋式组合）。

气承式膜结构是通过压力控制系统向建筑物室内充气，便室内外保持一定的压力差，膜体受到上浮力，并产生一定的预张力，以保证体系的刚度。室内设置空压自动调节系统，来不断地调整室内气压，以适应外部荷载的变化。

气胀式膜结构是向单个膜构件内充气，使其保持足够的压力，多个膜构件进行组合形成一定形状的一个整体受力体系，这种结构对膜材自身的气密性要求很高，或需不断地向膜结构构件内充气。

张拉式膜结构是现代膜结构建筑的重要组成部分，膜面一般为负高斯曲面，因此，安体形丰富、自然流畅、曲面柔美，倍受建筑师们的青睐。但这种结构体系受力分析复杂，对施工精度要求高，因此，其设计计算、加工制作工艺难度都较大。

骨架式膜结构是自身封闭的、稳定的骨架体系（一般是钢桁架体系、网架结构、索网结构或张拉整体体系）与膜材料共同组成一个结构受力体系。应该体系施工与常规结构相似（除索网或张拉整体体系等的自身施工外），较易被工程界理解和接受，但为了让膜具有一定的刚度，骨架体系提供给膜的支撑系统一般要有一定的曲度，并应设置向膜中施加预应力的机构。

膜结构的特点

透光性半透明是膜结构最显著的特征，与其它材料相比，无论是在美观上或是在操作上，都有显著的优越性；散射光线，消除眩光，能将光线广泛地漫射到其内部空间；材料内部涂层具有较高的反射率，能在夜间保持室内的照明效果；夜间逆光照射下表面发光；自然照明，节省能源。能源节省膜结构外形美观，同时又为人们创造了自然光采光的环境，与玻璃材料相比，它大大减少了热量的传递，与不透光的材料相比，减少了室内照明用电，使用膜结构对能源问题的影响：在热带地区，减少了空调制冷用电量；在寒冷地区，增加了室内取暖设备的用电。声学效果建筑声学主要是A、 排除外界噪声 B、吸收室内回音 膜结构的膜材料，能让室内0-60HZ的低频率噪音透过，较大面积和较高特殊需求的，可以采用专门的内膜材料，吸收噪声；当然，膜材料对外部噪音减少阻隔能力是有限的，因此当对外部隔噪声要求较高时，膜材料可能是不适合的。防火膜材料完全满足防火规范的要求，因此在高度和间隙度允许下，膜结构适合于任何一种建筑，通常自动灭火系统对膜材料是适合的，防火设计时应从总体考虑。耐用性   按照膜材料基材及表面涂层的不同，膜材料寿命分为几个等级：5年、10-15年及永久性膜材。设计结构与建筑的完全结合，找形来保证系统的静态平衡；应力分析非线性及大变位；膜结构找形的互反双曲面；适合各不同地区的风雪荷载。

膜结构设计参考

用曲面有限单元建立的膜结构分析理论膜结构的设计可分为三个步骤：

(1)

找出一个初始平衡形状；

(2)

各种荷载组合下的力学分析以保证安全；

(3)

裁剪制作。发达国家从六十年代起开始提出多种计算方法，

    到目前为止以有限元法为最先进、最普遍被采用的方法。而单元类型皆为三角形平面常应变单元，该方法是从刚性板壳大变形理论移植过来的。

    从以下分析可以看到，膜结构作为只能抗拉的软壳体是不适宜采用这种平面单元的，因为对于刚性壳体来说，这种平板单元可以看成平面应力单元和平板弯曲单元的组合，其单元刚阵可以由这两种单元刚阵合并而成。而膜结构作为软壳体是不能抗弯的，只能靠薄膜曲面的曲率变化，从而引起膜表面中内力重分布来抵抗垂直于曲面的外荷载。如果还是采用这种只有平面内应力的板单元，则应变的线性部分将不反映平面外z方向位移的影响，这导致单元不包含z方向节点反力，就每个单元来说静力是不平衡的。所幸的是应变的非线性部分考虑了z向位移的影响，使得各单元合并起来的总的平衡方程通过不断迭代能近似达到平衡，缺点是需要过多的平面内位移来满足平衡的要求，而实际情况是只需要一定的平面外和平面内的位移及曲率变化就可以了。

    考虑到这些，我国膜结构技术人员在国际上首次采用曲面膜单元，应变的线性部分引入了z向位移及单元的曲率和扭率，非线性部分仍然保留z向位移的影响项。这样无论是每个单元还是各单元合并后的平衡方程都能很容易满足，迭代次数大为减少，而变形结果也更符合真实情况。而且由于单元内各点应力都不相同，据此判断皱折是否出现会更为精确。最后求出的每个单元的曲率和扭率对于判断初始找形的正误和优劣以及裁剪下料都能提供很多非常有用的信息。

用曲面有限单元建立的膜结构找形及内力计算方法极小曲面具有非常完美的表面形状和应力状态，是膜结构最合理的理想初始状态。所谓极小曲面是指在给定边界条件下面积最小的曲面。在这个曲面上任意一点的应力都相等。发达国家从六十年代起开始对膜结构找形提出多种计算方法，如物理模型法,力密度法,动力松驰法等，到目前为止以有限元法为最先进、最普遍采用的方法。不仅国内，迄今国外的计算理论也都是以平面膜单元作为膜结构的计算模型。该方法是从刚性板壳大变形理论移植过来的。膜结构作为只能抗拉的软壳体是不适宜采用这种平面单元的，其缺点是需要过多的平面内位移来满足平衡的要求，而实际情况是只需要一定的平面外和平面内的位移及曲率变化就可以了。其后果就是在后面要进行的内力计算时，代入真实材料常数后，由于前面找形得到的极小曲面与实际可能存在的膜结构形状的差距在视觉上可能不大，但对计算来说却是不能忽视的，因此计算很容易发散或出现皱折。这也是前面其他方法的共同缺点，他们往往把这一连贯的过程区分成理想化的找形和实际验算两个阶段，也就不能保证找出的形状都能用真实的膜材建成等应力极小曲面。

膜材分类

膜结构建筑中的膜材是一种具有强度，柔韧性好的薄膜材料，是由纤维编织成织物基材，在其基材两面以树脂为涂层材所加工固定而成的材料，中心的织物基材分为聚酯纤维及玻璃纤维，而作为涂层材使用的树脂有聚氯乙烯树脂（PVC）,硅酮(silicon)及聚四氟乙烯树脂（PTFE），在力学上织物基材及涂层材分别具有影响下列的功能性质。织物基材——抗拉强度，抗撕裂强度，耐热性，耐久性，防火性。涂层材——耐候性，防污性，加工性，耐水性，透光性。

膜材料的选定 建筑膜结构的膜材，依涂层材不同大致可分为PVC膜与PTFE膜。膜材的正确选定应考虑其建筑的规模大小、用途、形式、使用年限及预算等综合因素后决定。

膜结构建筑中最常用的膜材料：

PTFE

膜材料是指在极细的玻璃纤维编织成的基布上涂上PTFE（聚四氟乙烯）树脂而形成的复合材料。涂层材的PTFE对酸、碱等化学物质及紫外线非常安定，不易发生变色或破裂。玻璃纤维在经长期使用后，不会引起强度劣化或张力减低，耐久性在35年以上。

PVDF

是二氟化树脂（Polyvinylidene

Fluoride）的略称，在PVC膜表面处理上加以PVDF树脂涂层而成。其性能优于纯PVC膜材，价格相应略高于纯PVC膜材。PVDF膜与一般的PVC膜比较，耐用年限改善至15~20年左右。

PVC

膜材由聚氯乙烯（PVC）涂层和聚酯纤维基层复合而成，应用广泛，价格适中。一般PVC膜的耐用年限，依使用环境不同在10~12年。为了改善PVC膜材的耐侯性，近年来已研发出以氟素系树脂在PVC涂层材的表面再作处理,以改善其耐侯性及防污性的新膜材。

ETFE

是Ethylene（乙稀）、Tetra（四）、Flour（氟）、Ethylene（乙稀）四个英文的缩写。ETFE膜材料没有任何布基，仅由一层乙稀四氟乙稀薄膜构成，乙稀氟乙稀本身具有很好的化学稳定性，不需要任何其它的面层保护。

膜材特点

PVDF室外膜PVC膜材料的使用年限一般在7到15年。

PVC膜材料的自洁性问题，主要靠极高自洁的Tio2(二氧化钛)或PVDF涂层来解决。

PTFE膜材结构轻、透光好，强度大！使用20年以上高自洁性，防火B1级，节能环保高度专业的加工工艺和严格的施工规程

ETFE膜材耐久性强，使用寿命在30年以上是永久性建筑的首选材料超自洁，防火材料专业的加工，严格的施工规程

膜材种类

     1 希运膜材（法国或比利时）常用型号有：9153，9163，6101，B6000,B6013,B6101

    2 法拉利膜材Ferrari（法国）常用型号有：702S/T，1002S/T，1202S/T，1302S/T

    3 米乐膜材Mehler（德国）常用型号有：FR700，FR900，FR1000

    4 海德斯膜材Heytex（德国）常用型号有：5572，7773，5574，5577

    5 杜肯膜材Duraskin（德国）常用型号有：6951，6617，6915，6618

    6 艾美膜材（美国）常用型号有：P-320，P-280，P-270

    7 秀博膜材（韩国）常用型号有：MSW—03，MSW—04，MSW—05，MST—04，MST—   05

    8 海利奥斯膜材（日本）常用型号有：CC200-H，VDF321T—Ⅱ，VDF212T—Ⅱ，VDF102T—Ⅱ，VDF412T—Ⅱ

    9赛德乐膜材(德国）常用型号有：S1000(II),S900E,S850

    10日本平冈膜材：P212T,P312T,P212S,COLL

  MAX212T,COOL MAX312T

    11意大利耐驰;type1,type2,type3,type4,type5

    12美国ECO,600,700,800,900,1000

   13,奥洲太平洋T600,T700,T800,T900,T1000等

膜结构是一种新的结构构造方式，由各种高强度的薄膜材料和加强构件组成，在某种程度上可以做出一定的预张力，所以它具有某种形状的特征和接受外部载荷空间结构的能力。

膜结构归因于柔性结构，这是其特点是薄，柔软，重量轻，与传统的钢结构完全不同。膜材可以有延伸但不能按压和弯曲。各种膜材的表面具有稳定性主要取决于反向曲率，因此需要制作出凹凸的曲面。

膜结构具有高技术含量，是精细的东西，涉及结构力学，材料力学和计算机技能，建筑和其他技能的归纳产品。它是一个古老而现代化的建筑结构。

膜材本身是半透明的，膜材的特性使膜结构内部非常明亮，现在在很多场景下我们都可以使用到膜结构来进行搭建。

膜结构材料是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。

膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式，它以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。自从1970年代以来， 膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中。 膜结构已成为结构设计选型中的一个主要方案。成为化纤纺织品应用的一个重要领域。近年来在中国建筑 结构中也有长足的进展。 大阪万国博览会中的美国馆采用了气承式空气 膜结构。这个拟椭圆形、轴线尺寸为 140m×835m的展览馆是世界上第一个大跨度的 膜结构，而且是首次采用了聚氯乙烯(PVC)涂层的玻璃纤维织物。作为一种真正的现代工程结构，大阪万国博览会的展览馆标志着 膜结构时代的开始。自此以后， 膜结构在世界范围内得到了迅猛的发展。从跨度来说,美国庞提亚克的"银色穹顶"气承式空气 膜结构的平面有2349m×183m,开始采用聚四氟乙烯(PTFE)涂层的玻璃纤维织物，类似的大型体育馆在北美就建了九座。从面积来说,沙特阿拉伯吉大机场候机大厅的悬挂膜结构占地42万m2。作为 膜结构一种新形式，索穹顶于1988年首先用在汉城奥运会的体操馆与击剑馆，其后又在一些体育建筑中得到推广。千年穹顶以其独特的 膜结构，显示了当今建筑技术与材料科学的发展水平。

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