膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用

(成都理工大學(xué) 四川 成都 610059)

膜結(jié)構(gòu)是以多種高強(qiáng)度的復(fù)合織物膜材為屋頂，與支撐及張拉結(jié)構(gòu)體系通過一定的方式連接產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力而形成一定剛度的空間結(jié)構(gòu)承受外荷載作用的結(jié)構(gòu)形式[1]。最早應(yīng)用于膜建筑結(jié)構(gòu)物中材料是PVC工程膜材料，隨著膜結(jié)構(gòu)體系的不斷發(fā)展促進(jìn)了膜材的發(fā)展，在20世紀(jì)70年代研制出種永久性建筑膜材料，英文簡稱PTFE，此種膜材以玻璃纖維為基材，面層復(fù)合上四氟聚酯類材料[2]。

一、膜結(jié)構(gòu)在國外的發(fā)展及應(yīng)用

膜結(jié)構(gòu)在國外的發(fā)展較早，在20世紀(jì)初期就有人致力于膜結(jié)構(gòu)的研究。最早提出設(shè)想和專利的是1917年英國的Willian，他根據(jù)類似原理制作行軍及野戰(zhàn)醫(yī)院的充氣帳篷。棚頂是簡單處理的防水織物，在穩(wěn)定性、強(qiáng)度、使用壽命、舒適度、保暖性等方面，都很難達(dá)到常規(guī)建筑物的要求。因此在那個(gè)時(shí)代人們也沒有把這類臨時(shí)性的設(shè)施當(dāng)成建筑物看待[3]。1967年德國學(xué)者F.Otto率先制造出的工程膜材料(PVC)，并應(yīng)用“皂泡理論”模擬膜的表面張力形態(tài)，對(duì)膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析及設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了加拿大Montreal博覽會(huì)上的德國館[4]。

膜結(jié)構(gòu)的首次展示是在1970年日本大阪萬國博覽會(huì)。其中最具代表性的是蝸牛殼狀富士館和巨大而扁平的橢圓狀美國館。美國館采用氣承式空氣膜結(jié)構(gòu)。這個(gè)跨度為140m的展覽館是世界上第一個(gè)大跨度的膜結(jié)構(gòu)，首次采用了PVC涂層的玻璃纖維織物。1972年建成的慕尼黑奧林匹克體育場是德國慕尼黑夏季奧運(yùn)會(huì)的主體育場，以頗具革命性的膜結(jié)構(gòu)帳篷式屋頂結(jié)構(gòu)聞名。它有著半透明帳篷形的棚頂，覆蓋面積達(dá)85,000平方米，整個(gè)棚頂呈圓錐形，由網(wǎng)索鋼纜組成，每一網(wǎng)格為75×75厘米，網(wǎng)索屋頂鑲嵌淺灰棕色丙烯塑料玻璃，用氟丁橡膠卡將玻璃卡在鋁框中，使覆蓋部分內(nèi)光線充足且柔和。1999年英國倫敦的“千年穹頂”，千年穹頂(Millennium Dome)是英國政府為迎接21世紀(jì)而興建的標(biāo)志性建筑。它造型獨(dú)特，氣魄宏偉，輝煌一時(shí)，引起了人們的極大關(guān)注，許多人稱它是20世紀(jì)90年代產(chǎn)生的鴻篇巨作[5]。

二、膜結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的發(fā)展

膜結(jié)構(gòu)在國內(nèi)發(fā)展起步較晚，始于1996年前后，在這之前只有極少量的采用織物材料制作的小品膜結(jié)構(gòu)建筑。1996年，上海陸家嘴中央綠地公園建成了一個(gè)膜結(jié)構(gòu)小品，自此膜結(jié)構(gòu)這一采用特殊織物材料的建筑類型才引起公眾和建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)人士的關(guān)注。在1996-1999年，短短三年時(shí)間先后建成了影響力較大的大型膜結(jié)構(gòu)建筑，比較具有代表性的由上海八萬人體育場、青島頤中體育場和杭州游泳館。上海體育場在設(shè)計(jì)上采用了外環(huán)圓形，內(nèi)環(huán)橢圓形，呈波浪式馬鞍形的整體結(jié)構(gòu)。觀眾席上方采用馬鞍形大懸挑鋼管空間屋蓋結(jié)構(gòu)，覆以乳白色薄膜材料，面積為3.6萬平方米，主席臺(tái)正上方的一根最長單臂懸挑梁長73.5米，是典型的張拉式膜結(jié)構(gòu)。青島頤中體育場的結(jié)構(gòu)支承體系由中心環(huán)索及60是個(gè)錐狀模體組成脊骨式張拉整體式膜結(jié)構(gòu)。平面呈橢圓形，短軸180m，長軸266m。整個(gè)膜面均采用的PVC膜材。張拉式膜結(jié)構(gòu)是通過鋼架、鋼索等對(duì)膜面施加預(yù)張力使其具有一定剛度并抵抗外荷載的一種結(jié)構(gòu)形式。由于其獨(dú)特的外觀，優(yōu)良的性能和施工方便等特點(diǎn)在國內(nèi)得到廣泛地應(yīng)用。2008建成的國家體育場外形結(jié)構(gòu)由巨大的門式鋼架組成，屋頂鋼結(jié)構(gòu)覆蓋雙層膜結(jié)構(gòu)，即固定于鋼結(jié)構(gòu)上弦之間的透明的上層ETFE膜和固定于鋼結(jié)構(gòu)下弦之下及內(nèi)環(huán)側(cè)壁的半透明的下層PTFE聲學(xué)吊頂。作為2010年上海世博會(huì)主入口和主軸線的世博軸也是一個(gè)典型的膜結(jié)構(gòu)，是一個(gè)集商業(yè)、餐飲、娛樂、會(huì)展等服務(wù)于一體的大型商業(yè)、交通綜合體。世博軸中膜結(jié)構(gòu)屋頂總長度約840m，最大跨度約97m，膜結(jié)構(gòu)總面積達(dá)到64000m2，索單根最長110m，分為結(jié)構(gòu)索和膜面索[6]。上海世博軸的巨型索膜結(jié)構(gòu)建筑安裝是世界級(jí)的難題，但被建設(shè)者攻克了這個(gè)難題，成為了世博會(huì)一軸四館五大永久建筑之一。

三、膜結(jié)構(gòu)的分類及優(yōu)缺點(diǎn)

(一)膜結(jié)構(gòu)分類

膜結(jié)構(gòu)可分為整體張拉式膜結(jié)構(gòu)、骨架支承式膜結(jié)構(gòu)、索系支承式膜結(jié)構(gòu)和空氣支承式膜結(jié)構(gòu)。整體張拉式膜結(jié)構(gòu)由鋼索和膜組成整體，通過一定的方式給膜面施加一定的預(yù)張力形，使其具有一定的形狀和剛度，膜結(jié)構(gòu)的曲面單元與其支承體公共構(gòu)成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)受力體系。骨架支承式膜結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成，一部分是作為承重骨架的剛性構(gòu)件，一部分是張拉在骨架上的膜材，膜材起到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，骨架可獨(dú)立形成受力體系。索系支承式膜結(jié)構(gòu)由索、桿和膜構(gòu)成，其中空間索系及桿為主要承重結(jié)構(gòu)，膜材布置于索系上，膜材與索桿共同受外荷載作用。空氣支承式膜結(jié)構(gòu)依靠結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓力保持膜材張力，內(nèi)設(shè)充氣裝置保持內(nèi)壓，從而保證結(jié)構(gòu)剛度。空氣支承式膜結(jié)構(gòu)可分為氣承式、氣肋式和氣枕式。氣承式膜結(jié)構(gòu)通過氣壓控制系統(tǒng)向膜材內(nèi)充氣，保持膜材內(nèi)外一定的氣壓差，從而使膜材產(chǎn)生預(yù)張力，以保證結(jié)構(gòu)剛度。氣肋式和氣枕式膜結(jié)構(gòu)是指如同氣球一般，將膜材包裹成封閉構(gòu)件，通過向膜內(nèi)部充氣使膜材產(chǎn)生張力。前者一般由管狀膜構(gòu)件組成，后者一般由枕式膜構(gòu)件組成。

(二)膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

膜結(jié)構(gòu)是一種柔性結(jié)構(gòu)，要形成具有剛度的表面，還需和支撐系統(tǒng)組合，來承受一定的荷載。膜結(jié)構(gòu)作為一種新型的的建筑結(jié)構(gòu)形式，與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)形式相比，膜結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)：

1.自重輕、抗震性能好，可用于建造大跨度建筑；

2.結(jié)構(gòu)造型豐富多樣，可以充分發(fā)揮建筑師的想象力；

3.經(jīng)濟(jì)適用，膜材可作為裝修材料，減少二次裝修費(fèi)用；

4.建筑膜材表面的防護(hù)涂層使其具有良好的自潔功能；

5.施工工期短，膜片的裁剪制作均在工廠完成，現(xiàn)場直接安裝；

綜上所述，膜結(jié)構(gòu)作為一種新型的建筑結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)在在國內(nèi)外的發(fā)展取得了爆發(fā)性的增長，以獨(dú)特的優(yōu)勢躋身于建筑行業(yè)。同時(shí)也推動(dòng)了膜材的發(fā)展，膜結(jié)構(gòu)的材料、設(shè)計(jì)、制作、安裝等產(chǎn)業(yè)鏈也已發(fā)展形成。目前，我國已有數(shù)百家膜結(jié)構(gòu)專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，每年會(huì)建成大量的膜結(jié)構(gòu)建筑。