张拉膜结构

城市的交通枢纽是城市命脉的关键性建筑，使用功能要求建筑物各组成单元的标志明确。因而近来年，这类建筑越来越多采用膜结构。建筑膜材料的使用寿命为25年以上。在使用期间，在雪或风荷载作用下均能保持材料的力学形态稳定不变。建成於1973年的美国加州La Verne大学的学生活动中心是已有23年历史的张拉膜结构建筑．跟踪测试与材料的加载与加速气候变化的试验，证明它的膜材料的力学性能与化学稳定性指标下降了20%至30%，但仍可正常使用。膜的表层光滑，具有弹性，大气中的灰尘、化学物质的微粒极难附著与渗透，经雨水的冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层与透光性。

一、膜结构采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计表达式进行计算。

二、膜结构应根据建筑物的性质和等级、使用年限、使用功能、结构跨度、防火要求、地区自然条件及膜材的耐用年限等要求进行膜材选用。

三、膜结构的设计应根据荷载、支承条件、制作加工、施工工况及其它特殊条件进行。

四、膜结构的设计内容包括形状设计、荷载分析、裁剪设计、配件设计、支承结构设计。

五、对膜结构的形状设计、荷载分析、裁剪设计，应在考虑施工过程的基础上进行一体化的设计。

六、膜材只能承受拉力，不能承受压力和弯矩。

七、膜面的最大主应力应小于膜材的强度设计值，在荷载长期作用下，最小主应力应大于等于维持其初始平衡形状的应力值。

八、膜结构一体化设计时，应考虑膜材的松弛、徐变、老化。

九、膜结构设计时，应考虑使用阶段膜材替换对整体结构的影响。

十、膜结构设计应考虑膜材破坏时，支承结构仍应保持自身的强度、刚度及稳定性。

简述

只有正确表达结构逻辑的建筑才有强大的说服力与表现力”这句话揭示了张拉膜结构的精髓。对于张拉膜结构，任何附加的支撑和修饰都是多余的，其结构本身就是造型；换句话说，不符合结构的造型是不可能的，因为那样的薄膜不是飘动的就是缺乏稳定性的。张拉膜结构的美就在于其“力”与“形”的完美结合。 张拉膜结构的基本组成单元通常有：膜材、索与支承结构（桅杆、拱或其他刚性构件）。

膜材一种新兴的建筑材料，已被公认为是继砖、石、混凝土、钢和木材之后的“第六种建筑材料”。膜材本身受压不大，抗弯也不是很好，所以要使膜结构正常工作就必须引入适当的预张力。此外，要保证膜结构正常工作的另一个重要条件就是要形成互反曲面。传统结构为了减小结构的变形就必须增加结构的抗力；而膜结构是通过改变形状来分散荷载，从而获得最小内力增长的。当膜结构在平衡位置附近出现变形时，可产生两种回复力：一个是由几何变形引起的；另一个是由材料应变引起的。通常几何刚度要比弹性刚度大得多，所以要使每一个膜片具有良好的刚度，就应尽量形成负高斯曲面，即沿对角方向分别形成“高点”和“低点”。“高点”通常是由桅杆来提供的，也许是由于这个原因，有些文献上也把张拉膜结构叫做悬挂膜结构（suspension membrane）。 索作为膜材的弹性边界，将膜材划分为一系列膜片，从而减小了膜材的自由支承长度，使薄膜表面更易形成较大的曲率。有文献指出，膜材的自由支承长度不宜超过15米，且单片膜的覆盖面积不宜大于500平米。此外，索的另一个重要作用就是对桅杆等支承结构提供附加支撑，从而保证不会因膜材的破损而造成支承结构的倒塌。

膜材分类

目前建筑膜材广泛认可的标准是日本JISA-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

A类最好，以玻璃纤维织物为基材涂PTFE而成；

B类

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。按涂层材料分，有聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯

（PU）、橡胶等。

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，其防污自洁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。一些公司共同开发永久性膜材。其加工方法是把玻纤织物多次快速放入特氟隆熔体中，使织物两面皆有均匀的特氟隆，使永久性的PTFE膜正式诞生。此后永久性膜结构正式在美国风行，许多学者对膜结构进行了深入的研究。20年后跟踪检测结果表明，这种膜材的力学性能与化学稳定性指标只下降了20%~30%，颜色也几乎没变，膜的表层光滑，具有弹性，大气中的灰尘、化学物质微粒极难附着与渗透，经雨水冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层与透光性，这足以显示出PTFE膜材的强大生命力和广阔的市场前景。 目前国外对这种膜材的开发和应用比较成熟，生产厂家也很多。

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0.2mm，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。

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。Vestar膜材就采用这种树脂对玻璃纤维布涂覆而制成的，目前这种膜材应用的不多，生产厂家也较少。

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。膨化PTFE建筑膜材。由膨化PTFE纤维织成的基布两面贴上氟树脂薄膜即得膨化PTFE建筑膜材。由于它的造价太高，一般的建筑考虑到成本和性能两方面，很少选用这种膜材，目前国外的生产厂家也不多。

ETFE建筑膜材

由ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）生料直接制成。ETFE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。近年来，ETFE膜材的应用在很多方面可以取代其他产品而表现出强大的优势和市场前景。这种膜材透光性特别好，号称“软玻璃”，质量轻，只有同等大小玻璃的1%；韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂，延展性大于400%；耐候性和耐化学腐蚀性强，熔融温度高达200℃；可有效的利用自然光，节约能源；良好的声学性能。自清洁功能使表面不易沾污，且雨水冲刷即可带走沾污的少量污物，清洁周期大约为5年。另外，ETFE膜可在现成预制成薄膜气泡，方便施工和维修。ETFE也有不足，如外界环境容易损坏材料而造成漏气，维护费用高等，但是随着大型体育馆、游客场所、候机大厅等的建设，ETFE更突显自己的优势。目前生产这种膜材的公司很少，只有少数几家公司可以提供ETFE膜材，这种膜材的研发和应用在国外发达国家也不过十几年的历史。

张拉膜结构包括内容

1，初始态分析：确保生成形状稳定、应力分布均匀的三维平衡曲面，并能够抵抗各种可能的荷载工况；这是一个反复修正的过程。

2，荷载态分析：张拉膜结构自身重量很轻，仅为钢结构的1/5，混凝土结构的1/40；因此膜结构对地震力有良好的适应性，而对风的作用较为敏感。此外还要考虑雪荷载和活荷载的作用。由于目前观测资料尚少，故对膜结构的设计通常采用安全系数法。

3，主要结构构件尺寸的确定，及对支承结构的有限元分析。当支承结构的设计方法与膜结构不同时，应注意不同设计方法间的系数转换。

4，连接设计：包括螺栓、焊缝和次要构件尺寸。

5，剪裁设计：这一过程应具备必要的试验数据，包括所选用膜材的杨氏模量和剪裁补偿值（应通过双轴拉伸试验确定）。

膜结构在方案阶段需要考虑的问题有：

1，预张力的大小及张拉方式；

2，根据控制荷载来确定膜片的大小和索的布置方式；

3，考虑膜面及其固定件的形状以避免积水（雪）；

4，关键节点的设计，以避免应力集中；

5，考虑膜材的运输和吊装；

6，耐久性与防火考虑。

在膜结构设计阶段所要考虑的要点有：

1，保证膜面有足够的曲率，以获得较大的刚度和美学效果；

2，细化支承结构，以充分表达透明的空间和轻巧的形状；

3，简化膜与支承结构间的连接节点，降低现场施工量。

膜结构研究的主要问题有：

1，找形（Form-finding）或更进一步叫“形态理论”；

2，考虑膜材松弛和各向异性下的结构响应；

3，结构在风荷载作用下的动力稳定性；

4，裁剪优化；

5，膜与索及支承结构间的相互作用。

张拉膜结构发展方向

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×83.5m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,美国的"银色穹顶"气承式空气 膜结构的平面有234.9m×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。

目前国内有好多厂家都能生产有PVC涂层聚酯织物，但其性能尚未能完全达到建筑织物的要求，作为建筑用的永久性材料尚需进一步提高。据悉最近有些公司正在试制有PVDF面层的聚酯织物和PTFE玻璃纤维织物，外观与性能都大有改进。

近一段时间来，国外媒体表现出了对中国建筑设计前所未有的关注。2005年12月23日的美国《商业周刊》评选出了中国十大新建筑奇迹，包括北京奥体主会场、国家游泳中心、北京首都国际机场、上海世界金融中心、国家大剧院、中央电视台、上海崇明东滩生态城、当代MOMA、长城脚下的公社、东海大桥(上海)。其中地处北京的建筑就有七家之多。“中国正逐步成为当今最具有创意性建筑和工程设计的舞台。”中国建筑事业的发展,正在为今日最顶尖建筑及工艺技术创造一个舞台。报道首先分析了中国新建筑崛起的经济原因和外部环境。文章说，当全球瞩目北京2008年奥运会时，不单是世界上最快以及最具实力的运动员们正在为争取最高荣誉而加紧努力,，新一代的创新建筑也正在北京的土地上拔地而起。由于蒸蒸日上的经济的强大支持，世界上最大的航空港、有节能环保的建筑及世界上最高的室外观光台等将很快一一落户中国。文章列举评选结果说，2008年以前完工的国家游泳中心(水立方)、国家体育场(鸟巢)、国家大剧院等中国公众十分熟悉的知名场馆更理所当然地进入了“十大”之列。

从对它们的评价与介绍中可以看到评选者对追求环保、自然的推崇。比如被称为“水立方”的国家游泳中心，是节能环保型的建筑。游泳池内的水将由太阳能加热，泳池的双重过滤装置可实现水的再利用，就连多余的雨水也将被收集和储存在地下的水池中。复杂的工程系统和弯曲的钢结构使得外部结构像一个泡沫，这种独特的结构设计使得“水立方”几乎经得起任何地震的袭击。文章介绍“鸟巢”时写道，为让北京奥运会主会场这个有着91000个座位的、可能是至今最大的环保型体育场获得自然通风，建筑师从自然中获得了灵感，独创了一个未完全密封，但同样能为观众和运动员遮风挡雨的外壳。体育场的外观犹如一个由枝条编织而成的鸟巢；而其内部，从休息室到饭店，每一个分开的空间都是一个独立的单元，从而使自然空气的流通成为可能。文章指出，作为全国最具流行色彩的城市，北京吸引了很多知名建筑大师成就事业。入选的北京“长城脚下的公社”，是由12名亚洲杰出建筑师设计建造的当代建筑艺术作品。北京“当代MOMA”的设计表明了环保创新技术在住宅中应用和它所代表的建筑发展新趋势，堪称大型可持续发展住宅建筑的典范。它采用世界上最大的地源热泵系统，将用来帮助这个由第20层的咖啡馆、干洗店等系列服务设施连接起来的8幢建筑组成的小区，采用最为节能的方式保持恒湿恒温，这是这座建筑的一大亮点。住宅单元还有一大亮点，就是可再利用废水，将厨房和洗脸盆的废水过滤，卫生间循环利用。

（一）、前言

为了迎接新世纪的来临，人们试图采用各种方式表示庆贺，建造一座建筑物不但以其形体引人注目，而且将作为标志性建筑而长久地存在。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张力膜结构。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。

虽然人们喜欢从最广泛的意义出发，把铁木构架和帆布建成的大棚,甚至以枝条和兽皮搭成的帐篷都纳入膜结构的范围,但从严格的结构受力的定义来说,膜结构始于1970年日本大阪博览会上一座气承式膜结构的美国馆。当初这不过是临时性的展览建筑，但30年来膜结构却经历了巨大的变化。

从膜结构的跨度来看，近似椭圆形的美国馆，两个方向的跨度针别为 140m和 83.5m。以后东京后乐园的气承式膜结构，最大跨度达201m。而美国亚特兰大的佐治亚穹顶，以椭圆形的屋顶覆盖了 240mxl92m的索膜结构。从当前的技术和材料条件看，完全有可能用膜结构来修建 1000m的大跨度建筑。从所覆盖的面积来看，1981年沙特阿拉伯吉大机场候机大厅的伞形悬挂膜结构的占地42万m2，已令人叹为观止。而如今在沙特阿拉伯的米拿，为了庇护来往的朝圣者，正在分三期建设与吉大机场类似的膜结构，总面积在100万m2以上，堪称 帐篷之城。

膜结构作为一种现代化的工程结构，显示了当今建筑技术与科学的发展水平，也具有巨大的发展潜力，在新的世纪中，膜结构必将在建筑结构中占有重要的地位。

（二）、不定的形状与形状的确定

膜结构的突出特点之一就是它形状的多样性，曲面存在着无限的可能性。对于气承式空气膜结构来说，充气之后的曲面主要是圆球面或圆柱面，可能没有太多的选择余地。而对于以索或骨架支承的膜结构，其曲面就可以随着建筑师的想象力而任意变化。

膜结构形状的千变万化突出地表现在历年各国举行的博览会上。在这些博览会上，大大小小的展览馆，无不以新颖奇特的造型来吸引观众，而膜结构就能用来达到这样的目的。例如1985年在日本茨城县举行的国际科学技术博览会，入口就是以五颜六色的膜材构成的拱形大门。在众多的展览馆中膜结构尤为夺目，像火鸟馆以钢梁与索组成的骨架支承扁平的凹凸屋面。美国馆以高耸的桅杆悬挂银白色的屋面。电力馆以中央塔架悬吊25个尖顶帐篷，夜晚通过灯光的反射宛如燃烧的火焰。其他象在候车亭、电话亭、走廊、厕所上也都出现了用膜材构成形式各异的建筑小品，蔚为大观。

就形状而言，对建筑师说来是至关重要的。采用一般结构的建筑物，其形状往往是先由建筑师确定。膜结构则不同，首先它的变形比一般结构要大一些，其次它的形状是在施工过程中逐步形成的，有一个形状确定的问题，需要结构工程师的参与。要确定在初始荷载下结构的初始形状，即结构体系在膜自重（有时还有索）与预应力作用下的平衡位置。在初步设计阶段，先按建筑要求设定大致的几何外形，然后对膜面施加预应力使之承受张力，其形状也相应改变，经过不断调整预应力，最后就可得到理想的几何外形和应力分布状态。

悬索结构中的索网与膜结构一样也有形状确定问题，像1968年蒙特利尔博览会的德国馆和1972年慕尼黑奥运会主体育场都有特殊的形状需要确定，当时只有借助于缩尺模型来解决。早期的膜结构也往往采用这个方法，材料从最简单的肥皂膜，一直到织物或钢丝。由于在小比例模型上测量的误差尚不足以保证曲面几何形的正确性，故对足尺的建筑外形只能起参考作用。但这还不失为一种有效的手段，能为设计者提供一个直观的形象。随着计算机技术的不断进步，膜结构的形状就更多地依靠计算机来确定。在膜结构设计理论中还出现了专门的研究课题--找形（formfinding）。为了寻求合理的几何外形，这个过程通过计算机的几次迭代，就可确定膜结构的初始形状。

膜结构设计打破了传统的先建筑、后结构做法，要求建筑设计与结构设计紧密结合。在设计过程中，建筑师和结构工程师要坐在一起确定建筑物的形状，并进行必要的计算分析。这时，所设计建筑物的平面形状、立面要求、支点设置、材料类型和预应力大小都将成为互相制约的因素，一个完美的设计也就是上述矛盾统一的结果。

（三）、从帐篷到永久性建筑

过去人们习惯地把膜结构看作是个帐篷，而帐篷只能算是一个临时性建筑--不够牢固、不能防火、又不能保暖或隔热。如今对采用膜结构的帐篷却要刮目相看了，其中的关键问题就是材料。

当初大阪博览会上的美国馆，由于是临时性的展览建筑，采用的膜材是涂覆聚氯乙烯（PVC）的玻璃纤维织物，算不上先进，但在强度上也经受了两次速度高达每小时140km以上台风的考验。通过这个工程使设计者认识到，需要一种强度更高、耐久性更好、不燃、透光和能自洁的建筑织物，70年代美国制造商开发的玻璃纤维织物即满足了如上的要求。主要的改进是涂覆的面层采用了聚四氟乙烯（PTFE,商品名Teflon一特氟隆）。这种材料于1973年首次应用于美国加利福尼亚拉维思学院一个学生活动中心的屋顶上。经过20多年的考验,材料还保持着70-80%的强度，仍然透光并且没有褪色，拉维恩学院膜结构的使用经验表明，涂覆PTEE面层的玻璃纤维织物，不但有足够的强度承受张力，在使用功能上也具有很好的耐久性，从乐观的估计来说,这种材料的使用年限将远不止当初所估计的25年。

与此同时，一种价格比较低、涂覆PVC的聚酯织物在性能上也有很大的改进。制造商在原来的涂层外面再加一面层，比较成熟的有聚氟乙烯（PVF，商品名Tediar）和聚偏氟乙烯（PVDF），这种面层不但能保护织物抵抗紫外线,而且大大地改进了自洁性，这样就把聚酯织物的使用年限提高到15年；得以在永久性建筑中使用。

1975年在美国密执安州庞提亚克兴建了平面尺寸243.9X183m的银色穹顶，这是第一次将气承式膜结构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。

早期修建的膜结构大多是开敞式或位于气候温和的地区，还没有充份发挥膜材的围护能力，那么在寒冷和多雪地区，将是对膜结构作为永久性建筑的真正考验。1983年在加拿大加尔格里建成的林赛公园体育中心就是一个例证。在这座椭圆形的建筑中，游泳馆和田径馆各占一半，以一根横跨122m的格构式钢拱将两者分开。在钢拱与周边圈梁之间的钢索网支承着折线形的膜材屋面，采用涂覆PTEE的玻璃纤维织物，索网下设有纤维棉的保暖层，屋顶不但能防寒，还能透过4%的光线，这就足以在白天不用人工采光。此外在保暖层下面还有一层很薄的蒸气绝缘层，能起吸音作用。

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，秋田天空穹顶是一个成功的范例。

（四）、膜的交承--空气、索或骨架

膜材屋面以什么支承，始终是膜结构设计中有待于探索的问题。也许当初是从气球或橡皮艇受到的启发，人们考虑以空气为支承，就是向气密性好的膜材所覆盖的空间注入空气，利用内外空气的压力差使膜材受拉，结构就具有一定的刚度来承重。早在第二次世界大战后期，美国就曾用气承式膜结构建造了一些小直径的雷达罩棚用于军事目的，而大阪博览会的美国馆则是大跨度气承式膜结构的里程碑。在大阪博览会上还出现了一种气胀式膜结构，即将膜材本身做成一个封闭体，注入空气的压力要比气承式大得多。象富士馆就是以轮胎状的半圆形筒体组成50m直径的圆顶，在节日广场大跨度网架上，铺设的屋面板是上下两层，其为聚酯膜材，10.8m见方的充气板。

气承式膜结构用作大跨度体育馆屋顶，建成之后由于在恶劣天气时维护不当，曾出现过好几次事故，轻者屋面下瘪，重者膜材被撕裂，砸坏了下面的设施。这些事故虽然只造成一些财产的损失，并没有人员伤亡，但在公共建筑中屋面出问题，还是引起了公众的关注，甚至对气承式膜结构是否安全也产生了疑问。

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，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。

对膜结构能否用在永久性建筑上一向比较慎重的日本，却在东京后乐园采用了气承式膜结构。它在构造上与以前在美国建造的空气膜结构没有什么差别，其主要特点是在屋顶上采用了先进的自动控制系统，同时屋面膜材为双层，其间有循环的热空气，以融化雪。这个号称为机械、电子与土建相结合的智能建筑，确保了膜结构的安全与体育馆的正常运行。然而，曾几何时，昂贵的运转与维持费用又使后乐园背上了沉重的经济包袱。近年来日本大量建造穹顶，而没有继续采用气承式膜结构。1997年日本熊本公园体育场主屋盖采用了加劲索的双层气胀式膜结构，使空气再一次作为膜的支承。熊本穹顶融合了车轮型双层圆形悬索和气胀式膜结构的特点，成为一种新型的杂交结构。直径107m的圆形屋顶宛如一朵浮云覆盖着体育馆，双层膜之间的充气量远小于要对整个室内空间充气的气承式膜结构。一旦漏气，屋盖还可由钢索支承，不至于塌落。

美国工程师盖格（D.Geiger）是气承式膜结构的先驱者，他设计了大阪博览会的美国馆，其后又将改进的玻璃纤维膜材用于银色穹顶。由于气承式膜结构出现过的多次事故，使他察觉到空气支承的潜在缺陷，转而寻求其他的支承方式。在此之前，美国的发明家和工程师富勒（B.Fuller）提出了张拉整体（Tensegrity）的概念,即以连续的受拉钢索为主，以不连续的压杆为辅，组成一种结构体系，然而他的概念始终没有在工程中实现。盖格创造性地把这个概念运用到以索、膜与压杆组成的索穹顶（cable dome）设计上，荷载从中心受拉环通过一系列辐射状脊索,受拉环索与斜拉索传到周围的受压圈梁上。索穹顶首先用在1986年韩国汉城奥运会的体操馆与击剑馆上，其直径分别为120m与93m。其后又得到了不断的发展，跨度最大的是美国佛罗里达州的太阳海岸穹顶，直径达210m。此外，美国李维（M.levy）也继承了张拉整体的构想，并采用了富勒的三角形网格，设计了双曲抛物面的张拉整体穹顶，其代表作就是1996年在美国亚特兰大举行的奥运会主馆--佐治亚穹顶，这个240mX192m的椭圆形索膜结构成为世界上最大的室内体育馆。主要依靠索来支承膜的索穹顶是膜结构体系的一大进展。

膜材也完全可以支承在平面或空间结构上，如拱、网壳等，其材料可选用钢、木或铝合金。象日本秋田天空穹顶采用了钢结构的空间拱系，而位于同一地区的大馆穹顶，178mX157m卵形平面上以双向胶合木拱支承着双层膜面。膜结构还可以采用桅杆作为支承，赋予建筑立面以新的变化,第一个采用涂覆PTFE玻璃纤维织物的拉维思学生活动中心屋顶由4个圆锥形的帐篷组成，每一个圆锥体有一倾斜15度的桅杆，支承膜材的钢索就由桅杆顶部辐射状地伸向周围的圈梁。英国千年穹顶的12根桅杆穿出了屋面，膜面支承在72根辐射状的钢索上，这些钢索则通过斜拉吊索与系索由桅杆所支撑，吊索与系索对桅杆起稳定作用。在这些建筑中，传统的承重结构与先进的膜面形成了完美的结合。

从多年来国内外的实践经验来看，由于新材料、新形式的不断出现，膜结构具有强大的生命力，必将是21世纪建筑结构发展的主流。它的应用范围不仅限于体育或展览建筑，已向房屋建筑的各个方面扩展，因而具有广阔的发展前景。在中国，膜结构的开发与研究还刚刚起步，因此当务之急是学习并引进国外先进技术，开发生产我国自己的膜材，解决设计中存在的问题。膜结构在中国也将会得到越来越多的应用。

五、膜结构领域

文化设施——展览中心、剧场、会议厅、博物馆、植物园、水族馆等

体育设施——体育场、体育馆、健身中心、游泳馆、网球馆、篮球馆等

商业设施——商场、购物中心、酒店、餐厅、商店门头（挑檐）、商业街等

交通设施——机场、火车站、公交车站、收费站、码头、加油站、天桥连廊等

工业设施——工厂、仓库、科研中心、处理中心、温室、物流中心等

景观设施——建筑入口、标志性小品、步行街、停车场等

索膜结构起源于远古时代人类居住的帐篷。20世纪70年代以后，高强、防水、透光且表面光洁、易清洗、抗老化的建筑膜材料的出现，加之当代电子、机械和化工技术的飞速发展，索膜建筑结构已大量用于滨海旅游、博览会、文艺、体育等大空间的公共建筑上。英国泰晤士河畔的千年穹顶是膜结构体系的标志性建筑，为世界瞩目。索膜结构具有易建、易拆、易搬迁、易更新、充分利用阳光和空气以及与自然环境融合等特长，它是21世纪绿色建筑体系的宠儿。目前，在全球范围内索膜结构无论在工程界还是在科研领域均处于热潮中。近年来，我国建筑市场对索膜建筑技术的需求明显有大幅度增长的趋势，国外公司纷纷登陆我国，刺激了我国索膜建筑事业的发展。随着现代科技的进一步发展，使人类面临着保护自然环境的使命。因此，天然材料和传统的古老建筑材料必将被轻而薄且保温隔热性能良好的高强轻质材料所取代。索膜建筑技术在这项变革中将扮演重要角色，其在建筑领域内更广泛的应用是可以预见的，可谓前程似锦。

环境、氛围、文化、建筑形式的和谐统一，是世界范围内建筑师、规划师追求的最高目标。人类进入21世纪如何理解、构思、创造和建设我们的生活空间？是当今建筑界面临的重要课题。正如世界建筑大师会北京宪章指出，广义建筑学.....从理念上和理论基础上把建筑学、地景学、城市规划的要点整合为一。这是广义建筑学对当代建筑师，规划师提出的新要求建筑环境设计不仅为人类们提供了广泛的活动空间，同时创造了气象万千的自然与人文景观，久居樊篱下，复得返自然。阳光、空气、绿草、水溪，人造景观把人们带入五彩缤纷，千姿百态的世界。以人为本、天人合一已是现代建筑环境学遵循的宗旨，是现代化城市建设必须遵守的原则。

建筑环境与可持续发展具有鲜明的时代特征。现代化的城市是景观环境的依托，而环境的主体和服务目标则是现代人。建筑环境作为一种重要的社会文化，是人类的理想与意志的外在体现，也是时代特征和地域文化的有机结合同时，建筑环境也与社会生产力的发展以及当代科学技术水平密切相关。

膜结构是随着现代科学技术发展起来的全新建筑技术表现形式，是材料科学、建筑学、结构力学以及现代环境学高速发展的综合产物。

20世纪60年代随着现代柔性建筑材料的发展，建筑师们从帐篷着一最古老的简单建筑结构出发，构造出了魔幻般的形式--膜结构。它可以构成单曲面，多曲面等不同建筑结构形式，满足了建筑师们对建筑与美学高度统一的要求。

柔性材料具有透光和防紫外线功能，在一些室外建筑和环境小品中得到广泛的应用。正是由于这一特征，夜间的灯光设计使膜结构具有鲜明的环境标志特征。优美造型的膜材，不锈钢配件和紧固件加上设计轻巧合理，表面处理严格的钢结构支撑，塑造出形式美观，设计合理的膜结构，在当今世界范围内的建筑环境设计中占有举足轻重的地位。

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。

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情，同时，也是一个城市文化发展程度的标志。而景观设计要求其具有广泛的可读性、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。

3.绿色漫步道

近年来，在人口密集的大城市，在居住区周边配置绿色空间并有人行步道。居民可以在不受车辆的影响下，在居住区附近的街心地带轻松愉快地散步、休憩，而感到十分惬意。在绿色空间中构造一座膜小品，即生动的美化了环境——如同广阔绿洲中的点点白帆，又有很强的功能性——人们可以在行走之暇小憩一会儿。

4.商业街

商业街在城市中占有相当大的比重。商业街的建筑与环境是城市文明的窗口，代表着物质文明和精神文明的水平，同时，也是景观环境的重要组成部分。膜结构轻巧别致极具现代化风格，且易于安装移动，在商业街设计中得以广泛应用。

5.建筑入口

建筑入口使城市公共空间与建筑空间相邻的界面，成为城市空间的组成部分。它是人们视觉最先接触的部分，因此，除了功能以外，还应有很强的标识性，并能体现建筑的个性，是建筑环境和城市景观的重要组成部分。由于膜结构独特的造型是其他结构类型无法比拟的，故成为近来建筑入口经常采用的形式。

6.步行街

利用膜结构轻巧，别致的造型建造各种半封闭，全封闭的不行空间，使其形成全天候的 建筑空间，提供防风雨，防日晒等人工环境，并有较好的标识招揽效果，因此是步行街改造和新建的绝佳选择。

7.停车场

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发展的要求，常常是车无停放之地。所以在建设群规划时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。

生活在现代都市的人们已经从过去以谋生为目的的社会行为走上了以乐生为目的的新台阶，在精神上追求健康向上，愉快和富有人性的文化环境。现代建筑环境是现代城市，现代文化与社会，现代人的生活和观念的综合表象。在展现人的个性化，自娱性和多元性环境空间方面，膜结构以其独具魅力的建筑形式，必将会在环境建设中得到越来越广泛的应用。

张拉膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式，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。

张拉膜结构膜结构体系

膜结构体系由膜面、边索和脊索、谷索、支承结构、锚固系统，以及各部分之间的连接节点等组成，示意图见图1：

张拉膜结构按支承分类

膜结构按支承条件分类为：柔性支承结构体系、刚性支承结构体系、混合支承结构体系，结构示意图见图2：

张拉膜结构按结构分类

膜结构建筑按结构分类为：

从结构上分可分为：骨架式膜结构，张拉式膜结构，充气式膜结构3种形式

1.骨架式膜结构（Frame Supported Structure）

以钢构或是集成材构成的屋顶骨架，在其上方张拉膜材的构造形式,下部支撑结构安定性高，因屋顶造型比较单纯,开口部不易受限制，且经济效益高等特点，广泛适用于任何大,小规模的空间。

2.张拉式膜结构（Tension Suspension Structure）

以膜材、钢索及支柱构成，利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安 定的形式。除了可实践具创意，创新且美观的造型外,也是最能展现膜结 构精神的构造形式. 近年来，大型跨距空间也多采用以钢索与压缩材构成钢索网来支撑上部膜材的形式。因施工精度要求高，结构性能强，且具丰富的表现力，所以造价略高于骨架式膜结构。

3.充气式膜结构（Pneumatic Structure）

充气式膜结构是将膜材固定于屋顶结构周边，利用送风系统让室内气压上升到一定压力后，使屋顶内外产生压力差，以抵抗外力，因利用气压来支撑，及钢索作为辅助材,无需任何梁,柱支撑，可得更大的空间，施工快捷，经济效益高，但需维持进行24小时送风机运转，在持续运行及机器维护费用的成本上较高。

现今，城市中已越来越多地可以见到膜结构的身影。膜结构已经被应用到各类建筑结构中，在我们的城市中充当着不可或缺的角色：

张拉膜结构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。

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。

张拉膜结构建筑的设计核心在于控制结构的边界条件以及支承结构的几何形状，从而找到满足设计要求的最佳膜面形态。与传统建筑设计相比，张拉膜结构建筑设计是一个多专业间的相互协调过程。为了得到满足功能要求的最简约设计，建筑师必须要与其他工程师紧密合作。

轻型张拉膜结构设计学科始于20世纪50年代Frei Otto的皂膜试验。自适应找形是他创建的新设计学派的基本概念。他提出的“极小曲面”理论开创了现代张拉膜结构设计的先河。基于这种理论，对于特定边界条件得到的膜结构表面积最小，从而耗能最少。这类张拉膜建筑的主要结构特点是预应力在整个结构中均匀分布。

以极小曲面为目标的自适应找形是轻利薄膜建筑的基础。

平面边界内的极小曲面是平面。然而只要膜表面或边界上有一点不在这个平面内，得到的极小曲面上的每一点都会具有双曲率。

双曲面可以是正高斯曲率的(比如充气式结构)，也可是负高斯曲率的(比如预应力张拉膜结构)。负高斯曲面的正、负曲率半径之和为零。

当负高斯膜面为折减面(reducedsurfaces)时，膜材用量最少。由于结构性能的高效性，膜结构可以通过膜面形状的大变形来重新分布局部集中荷载，而不会使该区域的膜面应力显著增加。这些特性使膜结构成为轻型结构，即它在具有多变造型的同时，既能够有效地承载又可保持外观简洁。这是张拉膜结构建筑常常被认为具有震撼力美感的原因之一。