膜結構建筑體系研究*

朱雨欣，劉玉妮，張俊杰，張逸杰，王澤聰

（南京工程學院建筑工程學院 江蘇 南京 211167）

0 引言

近年來，科技不斷發展，復合材料工藝不斷進步，膜材料，以輕質、高強度、強透光性、強柔性張力、易于施工及易回收等優點在現有的建筑體系中嶄露頭角并已組成膜結構建筑體系。隨著膜結構的普遍應用，關于膜結構的越來越多的問題也得到了人們的關注。

膜結構與傳統建筑結構存在較大差異，主要在材料，結構，造型等方面。膜材料的差異導致了透明度、強度、防火性能等差異，膜結構的不同會影響支撐強度及形變量等，這些問題都會影響膜結構的適用范圍。

1 國內外現狀研究

在中國，同濟大學的學者最先填補我國關于膜結構知識的空白，他們于1980 年開始實踐膜結構工程。20 世紀90 年代初，有些涉及膜結構設計建造的公司逐漸成立，遺憾的是建造的膜結構建筑局限于臨時性或半永久性[8]。終于在1997 年，上海8 萬人體育場建成，這是膜結構在中國首次應用于大型永久建筑中，彌補了之前我國膜結構建筑僅僅局限于非永久性的缺憾，自此我國進入大型膜結構實際應用階段。2008 年，ETFE 膜材在我國首次運用于大型建筑物，ETEF 氣枕被用于建造水立方屋蓋和墻體，取得了巨大成功。

雖然我國目前正積極進行膜結構研究，但在膜結構的力學性能、造型分析、找形分析等方面，與國外相比差距還是很大。

2 膜結構及其特性分析

2.1 膜材料的分類

2.1.1 膜材組成

（1）織物膜材：涂層織物膜材的組成主要是：涂層、纖維基布、膠粘劑及表面涂層等。主要有聚酯纖維基布PVC 涂層膜（PVC/PES）、玻璃纖維基布Silicone 涂層膜、玻璃纖維基布PVC 涂層膜（PTFE/GF）、PBO 纖維基布PVF 涂層膜及聚酯纖維基布Silicone 涂層膜等類型。非涂層織物膜材主要包括棉質纖維膜、氟化物織物及金屬織物。

（2） 非織物膜材：主要指以EPFE 薄膜、THV/FEP 薄膜及PVC 薄膜等為代表的熱塑性化合物薄膜。

2.1.2 防火性能

A 類膜材：涂層為PTFE、基布為玻璃纖維，不燃；

B 類膜材：涂層為聚乙烯基類、基布為乙烯-四氟乙烯共聚物或者玻璃纖維或者，可燃但不會燒穿， B1、DIN4120 防火等級標準；

現代地震危險性評估通過結合震源的完全分布和它們發生的概率來計算一個地區內預期地震的震動強度水平。利用地震波衰減模型來確定地震動（例如，Boore et al，1997），這些模型量化震動強度如何隨離開斷層的距離而衰減。這種關系的本質是正在研究的重點，與委員會報告中記述的影響震動強度的其他參數，如當地土壤條件的影響和路徑效應，包括盆地內地震能量的放大和陷落等均同等重要。

C 類膜材：涂層為聚氯乙烯、基布為聚酯纖維，可燃但不蔓延。

3 工程應用膜材

（1） PVC 膜材：多用于臨時性或半永久性建筑，耐久能力和自潔性較差，解決此問題需要靠TiO2或PVDF 涂層；

（2）PTFE 和ETFE 膜材：自潔性和耐久能力較好，使膜結構走向永久性建筑，應用更加廣泛。

3.2 膜結構分類

（1） 骨架式膜：骨架的組成部分為鋼材和木材，上方的膜材主要起覆蓋作用，局部范圍內發揮張拉作用，受骨架的約束，不易變形，風振效應相對較小。

（2） 張拉式膜結構：拉索將膜材料張拉于結構上，膜面可以承擔起覆蓋建筑物的作用，令人稱奇的是，這種結構形式下膜面本身也是受力體系的組成部分，結構受力體系由膜材壓桿拉索共同構成，結構變形大，風振效應較明顯。

（3）充氣式膜結構

（a） 氣承式膜結構：直接用單層薄膜作為屋面和外墻，借助送風系統使室內氣壓大于外界氣壓，從而產生氣壓差來抵抗外力。

（b） 氣肋（囊）式膜結構：拱形膜肋通過充氣可具支撐能力作為氣肋（囊）式膜結構的骨架，屋面體系則由骨架和膜材共同形成。

4 索桁架膜結構

由索桁架與膜復合而成，索桁架本身就是一種獨立的建筑結構體系，完整且穩定，有足夠的剛度。

5 張拉整體與索穹頂膜結構

是一種有自穩定性的閉合結構體系。在一定空間內，經連續拉力桿按特定幾何拓撲關系組成，有較大剛度和穩定性。

6 膜材料的特性分析

PVC（聚氯乙烯）：彈性大，徐變大，強度低，柔韌性能好，可卷折，有良好的抗震性能，受光照影響較大，不易清洗，結構受力不理想。

PVDF（聚二氟乙烯）：比PVC 使用期限多7~10 年，耐火性合格，可實現較大程度跨越。

PVF（聚偏氟乙烯）：更耐用，防沾污，但防火性、加工性、施工性不佳，100℃以下幾乎不溶于任何溶劑，國內在這方面研究還較少。

PTFE（聚四氟乙烯）：適宜溫度范圍為-70~230℃，具有極好的耐久、防火及防污特性，樹脂含量大于90%，在拉伸強度上，與鋼材相似。光學性能好，耐老化，但成本高且柔軟性差。

ETFE（乙烯—聚四氟乙烯共聚物）：能在-200~150℃的溫度中長期使用，高抗污，易清洗，延展性、耐火性好，質量輕，可循環使用，有較強的耐腐蝕性，且可強力附著在金屬表面，克服了PTFE 不黏合金屬的缺陷，是金屬的理想復合材料。因其耐負壓極為優良，在建筑中常常以氣墊的形式被采用，并監控補充氣壓保證效果良好。光學性能極好，不易被外界環境影響。

7 結語

結合國內外相關研究現狀，首先針對膜材料和膜結構兩方面對膜結構建筑體系進行較為詳細的論述。膜材料方面著重于其特殊性研究，點名不同膜材料的優缺點及適用范圍。膜結構方面詳細闡述現有的各種膜結構類型，并針對不同類型膜結構進行詳解，目的是增強膜結構運用的合理性，更好的展示膜結構在將來建筑體系中的優越地位。