让膜结构有“膜”有样

膜结构建筑是21世纪，最具代表性和前景的建筑形式之一，它打破了纯线性建筑风格的格局，以其独特优美的曲线形状，呈现出柔和的力量美感，同时赋予设计师更多的想象力和创作空间。

 

膜结构作为一种空间结构形式，最早可以追溯到远古，人类用木头搭建结构骨架，覆盖上兽皮或草席，用绳子或石块固定在地上，建成简易的房子。

△以兽皮建造的帐篷

 

近代膜结构，受到马戏团大型帐篷的启发，并随着新型膜材料和高强钢索的研发，以自由、轻巧、柔美，充满力量感的造型，在建筑领域的应用越来越广泛，此外，因为膜结构建造快、方便安装和拆卸，特别适用于小型、临时的或使用年限较短的建筑

 

常见的膜材料有哪些呢

 

建筑中最常用的膜材料，主要有PTFE膜、PVC膜和ETFE膜三种。膜材的选择往往取决于，建筑物的功能、防火要求、设计寿命和投资额。

 

 

（1）PTFE

在极细的玻璃纤维(3微米)编织成的基材上，涂覆聚四氟乙烯等材料。PTFE在1979年左右出现后，从各方面改善了膜材的特性，使得膜结构从帐篷或临时性建筑，发展到永久性建筑

特性：

永久性建筑首选膜材，使用寿命在20~30年以上；

·强度高、耐久性和自洁性好，不受紫外光的影响；

·高透光性，透过的自然散漫光不产生阴影和眩光；

·反射率高，热吸收量少；

·燃烧性能A级。

PTFE膜用于永久性膜，不便重新组装利用。PTFE膜不燃，可满足世界各国建筑A级防火需求。新安装的膜呈麦黄色，日照数月之后，膜会逐渐漂白。常规的PTFE膜伸长变形较小，拉伸强度150KN/m，撕裂强度1KN/m，透光率13%，网状膜可达65%以上，防潮、防霉、耐污，PTFE有微孔隙能透气。PTFE膜一般加工中易出折痕，且难以消除，不方便包装及运输，因此，在膜结构小品中容易出现折痕，适合于大型膜结构建筑工程。

 

（2） PVC

以尼龙织物为基材，涂覆PVC或其他树脂

特性：

·早期的膜材，使用年限一般为7到15年；

·强度及防火性与PTFE相比具有一定差距；

·自洁性较差，可在PVC涂层上再涂PVDF树脂；

·涂有Tio2（二氧化钛）的PVC膜，具有极高自洁性；

·燃烧等级B1 级，不及PTFE膜。

 

目前国内大部分膜结构工程使用的都是聚酯纤维膜材料，即PVC聚酯纤维膜材。聚酯纤维是膜建筑中应用最广泛的纤维，并认为是建筑膜材标准产品。聚酯纤维拉伸强度高，弹性好。在拉伸屈服前，纤维具有较大的伸长变形能力，使得在安装时可进行一定的调整。但日照将使聚酯纤维老化，弹性与强度等力学性能降低，所以很多建筑采用PTFE、ETFE等永久性膜材。

 

 

 

（3） ETFE

乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜，非织物类

特性：

· 耐久性好，15年以上恶劣气候下力学和光学性能不变；

·耐磨、耐高温、耐腐蚀，绝缘性；

· 密度小，抗拉强度高，破断伸长率达300%；

·表面光滑，极佳的自洁性能，污迹可随雨水冲刷；

·阻燃材料，熔后收缩但无滴落物。

 

ETFE膜材的厚度通常在250μm左右，是一种透明膜材。ETFE是乙烯-四氟乙烯共聚物，既具有类似聚四氟乙烯的优良性能，又具有类似聚乙烯的易加工性能，还有耐溶剂和耐辐照的性能。

 

高效的张拉结构

膜结构是以高强度的柔性薄膜材料，经张拉或充气形成稳定的曲面，承受外荷载的结构形式，其造型自由、轻巧、柔美，充满力量感。

△结构形式谱系简图

 

在上面的结构体系简图中，膜结构属于利用形抗的全轴力张拉结构，其结构效率是非常高的，利用膜材料的高抗拉强度，单独考虑膜材的跨度与其厚度的比值，可以达到1/10000，是最极致的轻型结构。

△构件尺寸与跨度的比值(估算)

 

结构形式分类

根据膜结构的成形方式和受力特点，一般可以分为张拉膜、充气膜和骨架膜三种，比较形象的比喻是：张拉膜像帐篷、充气膜像热气球，骨架膜像蒙古包。

△几种张拉膜和充气膜

 

 

 

 

•  张拉膜

丹佛国际机场航站楼是为数不多的整体采用膜结构的机场。76米x285米的大空间沿长边方向划分为17个单元。

△丹佛国际机场航站楼：鸟瞰

 

每个单元由间距45.8米的两根支柱，撑起山峰形的脊索，柱间为起稳定作用的谷索，以脊索和谷索为边界结构，其间的张拉膜材覆盖建筑大空间。

△丹佛国际机场航站楼：室内

 

2010年上海世博会主入口的世博轴，也采用了张拉索膜结构，由德国SBA公司和华东建筑设计研究院设计，全长1045米、宽约100米的世博轴由6个喇叭形的阳光谷、13根大型桅杆、数十根斜拉索和巨大的膜结构组成。

 

 

△上海世博会世博轴，2010年

 

 

 

• 充气膜

利用气压使膜产生张力，以此来抵抗外力的结构称为充气膜结构。具体又分为气承式和气胀管式两大类。是现代膜结构摆脱马戏团帐篷形象的一次尝试。简单地理解，气承式是利用膜内外气压差，使膜产生拉力来平衡外荷载，类似于热气球。

△气承式(热气球) / 气胀管式(充气棒)

 

气胀管式的原理是利用充气，使得管(梁或拱)形成抗弯和轴向刚度，以承担外荷载，类似于常见的充气棒，气胀管式充气膜所需要的气压比气承式的更大，结构效率比气承式低。

△气承式和气胀管式受力原理简图

 

充气膜结构建造方便、快速，最初用于军用设施。以1970年大阪世博会为展示契机，膜结构因建造快速简便，被众多国家场馆所采用。其中最具代表性的美国馆和富士馆都是充气膜，美国馆的方案是由盖格尔(D.Geiger)提出的低拱度空气膜结构属于气承式，在长轴142米、短轴83.5米的椭圆形压环内侧，用索张拉膜材(聚氯乙烯喷涂的玻璃纤维布)。

△大阪世博会上的美国馆,1970

 

美国馆穹顶的垂度非常低(仅1.6m)，垂度低的充气穹顶，受到的风荷载分布比较均匀(吸力)，这对保持膜结构形态和承载力的稳定非常有利。与美国馆不同，富士馆是一种拱形的充气膜，只对拱形管充气，建筑物内部气压与室外气压相同，出入口不需要气门锁，完全自由，同时结合横向索和缆风索，形成整体稳定的结构。

△大阪世博会富士馆,1970

 

充气拱的管状截面直径约4m，膜材为喷涂有弹性橡胶的聚乙烯醇纤维布，充气气压比室外大气压高800mm水柱，每个单元有16根拱，拱长均为72m，但每根拱的拱高和拱脚跨度不同，最终呈现出独特的形状，富士馆以前所未有的结构系统和形态震惊了世界。PTFE这种不可燃、高耐久性膜材的出现，为充气膜形式的永久建筑提供了技术上的可行性。

 

• 骨架膜

骨架膜是以刚性构件作为骨架，以膜材作为覆盖材料，主要由刚性骨架承受外荷载，由于膜材的透光性和张力感，使得骨架膜结构的大空间，更加明亮、开放、富有力度感

 

△蓬皮杜梅斯艺术中心, 2010

 

蓬皮杜梅斯艺术中心，由坂茂建筑事务所（Shigeru Ban Architects）设计，以15m跨度为模数，3个纵深长达90m的长方体彼此垂直层叠，木结构屋面表面覆盖PTEE薄膜，呈现出极佳的效果。

 

 

膜结构工程的保养维护

1、工程维护一般要求

膜结构工程的保护和维护。膜材表面不应与刀子、锐器接触，以免划破及磨伤膜材表面。一旦发现膜材被划破、严重磨伤等现象时，应及时采取有效措施以免磨伤更加严重，同时通知厂商派人修复，钢构件表面不得遭受硬物打击与划伤，不得接触各种酸性、碱性和有机溶剂。

2、膜材表面需清洗、打扫时：

（1）工人不应穿硬底鞋直接接触表面，防止沙土磨伤表面，严重磨刮膜表面。

（2）清洗膜表面时，应用清水或中性清洗剂，不宜用如：汽油、酒精、氯水等酸性或碱性材料液剂清洗。

（3）膜表面不宜长时间堆放异物如：铁件、化学物品或其它带颜色的材料等。

3、对结构中的钢结构、钢索、夹板及螺栓等部件在未经厂商认可的情况下不得任意调整、拆卸。

4、未经许可不许在膜材上随意牵拉、悬挂重物及物品。

5、用户应定期（半年至一年）对钢结构安全进行防锈及维护，确保结构安全，防止锈水滴落膜材表面。

 

以膜构成的空间有着无尽的可能和魅力，需综合考虑功能与形态、造型与力、材料、系统、节点、织物裁剪、施工方法等，你会发现膜结构设计其实是一种妙趣横生的探索过程。