目錄摘要……………（2）一．膜結構特點…………………（3）二．膜結構種類及發展歷史……（5）三．膜材的分類…………………（8）四．膜結構的設計………………（9）五．中國膜結構發展前景和方向………………（10）六．參考文獻…………………（12）摘要大跨度空間結構是指橫向跨越60米以上空間的各類結構形式的建筑結構，它往往是衡量一個國家或地區建筑技術水平的重要標志其結構形式主要包括網架結構、網殼結構、懸索結構、膜結構、薄殼結構等五大空間結構及各類組合空間結構。形態各異的空間結構在體育場館、會展中心、影劇院、大型劇場、工廠車間等建筑中得到了廣泛的應用其中膜結構膜結構是20世紀中期發展起來的一種新型建筑結構形式，是由多種高強薄膜材料(PVC或Teflon)及加強構件(鋼架、鋼柱或鋼索)通過一定方式使其內部產生一定的預張應力以形成某種空間形狀，作為覆蓋結構，并能承受一定的外荷載作用的一種空間結構形式。在近幾年來，由于膜結構造型非常優美靈活、適合覆蓋大跨度空間、良好的耐火性和抗震性，使其在大型現代化建筑中受到了越來越多人的親睞。一、膜結構特點（優、缺點）1．輕質張力結構自重小的原因在于它依靠預應力形態而非材料來保持結構的穩定性。從而使其自重比傳統建筑結構的小得多，但卻具有良好的穩定性。2．較高的透光性（降低能源消耗）透光性是現代膜結構最被廣泛認可的特性之一。膜材的透光性可以為建筑提供所需的照度，這對于建筑節能十分重要。對于一些要求光照多且亮度高的商業建筑等尤為重要。通過自然采光與人工采光的綜合利用，膜材透光性可為建筑設計提供更大的美學創作空間。夜晚，透光性將膜結構變成了光的雕塑,透光性的缺點如果室內陽光照射時間過長，會使得室內溫度驟然升高，影響人在建筑物內的正常活動。3．良好的柔性張拉膜結構不是剛性的，其在風荷載或雪荷載的作用下會產生變形。膜結構通過變形來適應外荷載，在此過程中荷載作用方向上的膜面曲率半徑會減小，直至能更有效抵抗該荷載4．造型優美且適用于大型無柱空間由于膜為織物材料自重較輕，且擁有較好的韌性，所以可塑性很大，多變的支撐結構和柔性膜材使建筑物造型更加多樣化，新穎美觀，同時體現結構之美，且色彩豐富，可創造更自由的建筑形體和更豐富的建筑語言。同時，它也可以實現大跨度無柱空間。5．安全性由于輕型結構自重較輕，即使發生意外坍塌，其危險性也較傳統建筑結構小。膜結構發生撕裂時，若結構布置能保證桅桿、梁等剛性支承構件不發生坍塌，其危險性會更小。良好的自潔性及對積水、積雪自動下滑對策由于膜結構多為突出弧形或半球形結構，所以當上面有積水或者積雪時，這樣的結構形式有利于雪、水可自動下滑，在下滑過程中自動的進行了對膜結構表面的清潔。施工周期短膜工程中所有加工和制作依設計均可在工廠內完成，在現場只進行安裝作業。相比傳統建筑的施工周期，它幾乎要快一倍耐久性差。膜材在持續的張力狀態下容易發生蠕變，預應力損失，膜面發生褶皺，導致整體結構的承載力下降，無法保持原有的形狀，另外，長期風、雪等動荷載作用下，輕質膜材容易發生振動，結構的穩定性將受到影響。在溫差較大的區域，受天氣影響較大。而且現在的膜結構的使用年限非常短，一般只可使用10到25年左右。

高度的紫外線照射會引起膜材的褪色。在紫外線照射較強的區域膜材不應采用鮮艷的色彩。充氣式膜結構充氣式膜結構是將膜材固定于屋頂結構周邊，利用送風系統讓室內氣壓上升到一定壓力后，使屋頂內外產生壓力差，以抵抗外力，因利用氣壓來支撐，及鋼索作為輔助材，無需任何梁，柱支撐，可得更大的空間，施工快捷，經濟效益高，但需維持進行24小時送風機運轉，在持續運行及機器維護費用的成本上較高。世界上第一座充氣膜結構建成于1946年，設計者為美國的沃爾特?勃德。1967年在德國斯圖加特召開的第一屆國際充氣結構會議，無疑給充氣膜結構的發展注入了興奮劑。隨后各式各樣的充氣膜結構建筑出現在1970年大阪世界博覽會上。其代表建筑有1988年在日本建成的‘東京巨蛋'，又稱東京棒球館（圖1），我國在08年奧運會建成的‘國家游泳中心'又稱水立方（圖2）等圖1東京巨蛋（東京棒球館）圖圖1東京巨蛋（東京棒球館）圖2國家游泳館（2008）張拉式膜結構以膜材、鋼索及支柱構成，利用鋼索與支柱在膜材中導入張力以達安定的形式。除了可實踐具創意，創新且美觀的造型外，也是最能展現膜結構精神的構造形式.近年來，大型跨距空間也多采用以鋼索與壓縮材構成鋼索網來支撐上部膜材的形式。因施工精度要求高，結構性能強，且具豐富的表現力，所以造價略高于骨架式膜結構。張拉形式膜結構的先行者是德國的奧托，他在1955年設計的張拉膜結構跨度在25m左右，用于聯合公園多功能展廳。由于張拉膜結構是通過邊界條件給膜材施加一定的預張應力，以抵抗外部荷載的作用，因此在一定初始條件（邊界條件和應力條件）下，其初始形狀的確定、在外荷載作用下膜中應力分布與變形以及怎樣用二維的摸材料來模擬三維的空間曲面等一系列復雜的問題，都需要有計算來確定，所以張拉膜結構的發展離不開計算機技術的進步和新算法的提出,因此計算機技術的迅猛發展為張拉膜結構的應用開辟了廣闊的前景，而特氟隆摸材料的研制成功也極大地推動了張拉膜結構的應用。其代表建筑有日本的‘白龍穹頂'、美國新丹佛國際機場（圖3）以及我國在1997年建成的上海的‘八萬人體育場'（圖4）等。

圖3圖3丹佛國際機場圖4上海八萬人體育場1997)骨架式膜結構骨架式膜結構是指鋼構或是集成材構成的屋頂骨架，在其上方張拉膜材的構造形式,下部支撐結構安定性高，因屋頂造型比較單純,開口部不易受限制，且經濟效益高等特點，廣泛適用于任何大,小規模的空間。具有代表性的骨架式膜結構的建筑有日本秋天的‘天穹'（圖5a5b）等。圖5a‘天穹'結構示意圖圖5a‘天穹'結構示意圖圖5b天穹'外觀圖索穹頂（組合膜結構）索穹頂是由預應力鋼索、鋼桿件以及薄膜組合而成的組合膜結索穹頂是由預應力鋼索、鋼桿件以及薄膜組合而成的組合膜結構，結構大量采用預應力鋼索，壓桿少而短，所以能充分發揮鋼材的抗拉強度，結構效率極高。自從20世紀末問世以來，便以其新穎的造型、合理的受力、經濟的造價、快速的施工，贏得了工程師

們的親睞，并被成功地應用在一些大跨度、超大跨度建筑的屋蓋設計中，是近年來國內外空間結構的研究熱點之一。早期的索穹頂結構是在1988年由美國工程師Geiger在韓國所設計的韓國漢城奧運會體操館，之后美國工程師Levy對Geiger設計的索穹頂中索網平面外剛度不足、容易失穩等缺點進行了改進,將輻射狀脊索變為三角化聯方型布置脊索,成功設計了1996年亞特蘭大奧運會的主體育館‘喬治亞穹頂'，此后由于技術方面日漸成熟與完善，索穹頂如雨后春筍一般在世界各地出現，當中具有代表性的索穹頂建筑應屬1999年英國倫敦的‘千年穹頂'（圖6a、6b）,千年穹頂以其獨特的膜結構，顯示了當今建筑技術與材料科學的發展水平。圖6a千年穹頂（1999圖6a千年穹頂（1999） 圖6b千年穹頂結構示意圖膜材的分類目前建筑膜材廣泛認可的標準是日本JISA-93所規定的A（PTFE）、B、C三類，是根據其防火性能的優劣來劃分的。A類最好，以玻璃纖維織物為基材涂PTFE（永久膜材）與我國的國家游泳中心（水立方）外墻所采用的膜材ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）為主。PTFE膜材：在超細玻璃纖維織物上涂以聚四氟乙烯樹脂而成的材料。這種膜材有較好的焊接性能，有優良的抗紫外線、抗老化性能和阻燃性能。另外，其防污自潔性是所有建筑膜材中最好的，但柔韌性差，施工較困難，成本也十分驚人ETFE膜材：由人工高強度氟聚合物（ETFE）制成，具有以下優點。其特有抗粘著表面使其具有高抗污，易清洗的特點；使用壽命至少為25-35年，是用于永久性多層可移動屋頂結構的理想材料；ETFE膜達到B1、DIN4102防火等級標準，燃燒時也不會滴落；膜質量很輕，每平方米只有0.15-0.35公斤；ETFE膜完全為可再循環利用材料等。B類次之，以玻璃纖維織物為基材涂PVC而成；C類是三類中最次的，以聚酯（滌綸）織物為基材涂PVC而成。按涂層材料分，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）、橡膠等，它的壽命因不同的表面涂層而異，一般可達12—50年。四、膜結構的設計膜結構的設計主要包括體形設計、初始平衡形狀分析、荷載分析、裁剪分析等四大問題。通過體形設計確定建筑平面形狀尺寸、三維造型、凈空體量，確定各控制點的坐標、結構形式，選用膜材和施工方案。初始平衡形狀分析就是所謂的找形分析。由于膜材料本身沒有抗壓和抗彎剛度，抗剪強主芤很差，因此其剛度和穩定性需要靠膜曲面的曲率變化和其中預應力來提高，對膜結構而言，任何時候不存在無應力狀態，因此膜曲面形狀最終必須滿足在一定邊界條件、一定預應力條件下的力學平衡，并以此為基準進行荷載分析和裁剪分析。目前膜結構找形分析的方法主要有動力松弛法、力密度法以及有限單元法等。膜結構考慮的荷載一般是風載和雪載。在荷載作用下膜材料的變形較大，且隨著形狀的改變，荷載分布也在改變，因此要精確計算結構的變形和應力要用幾何非線性的方法進行。荷載分析的另一個目的是一確定索、膜中初始預張力。在外荷載作用下膜中一個方向應力增加而另一個方向應力減少，這就要求施加初始張應力的程度要滿足在最不利荷載作用下應力不致減少到零，即不出現皺褶。因為膜材料比較輕柔，自振頻率很低，在風荷載作用下極易產生風振，導致膜材料破壞，如果初始預應力施加過高，膜材涂變加大，易老化且強度儲備少，對受力構件強度要求也高，增加施工安裝難度。因此初始預應力的確定要通過荷載計算來確定。經過找形分析而形成的摸結構通常為三維不可展空間曲面，如何通過二維材料的裁剪，張拉形成所需要的三維空間曲面，是整個膜結構工程中最關鍵的一個問題，這正是裁剪分析的主要內容。五、中國膜結構發展前景和方向一個國家膜結構建筑的規模大小從側面反映出了一個國家的科技文化水平。近年來，中國膜結構的發展規模是十分鼓舞人心的，從1995年開始，當年只造了一個面積為3300m2的膜結構。從1996至2001年，六年內建造的膜結構估計達370,000m2。由于一些大型體育場的建成，膜結構的建設以平均每年20％的速度增長。2003年建造的膜結構約為180,000m2。當膜結構第一次用于上海體育場時，恐怕有很少人會看到這在推動膜結構發展的潛力。此后，膜材被用在大小不等的體育場篷蓋上，浙江車棚并占據了膜結構相當大的份額。當中最具代表性的應當屬我們在2008年奧運會期間建成的國家游泳中心（俗稱‘水立方'）它的建筑面積為79,532m2，整體建筑由3000多個氣枕組成，氣枕大小不一、形狀各異，覆蓋面積達到10萬平方米，堪稱世界之最。因此有理由預測中國的膜結構將繼續以每年15-20％速度增長。展望將來，隨著中國經濟的增長和文化生活的不斷豐富，將建造更多的具有新穎功能、形式多樣的建筑。例如，江蘇車棚按照規劃需要32體育場館，其中19個是新建的。08年奧運會已經建成的奧林匹克公園將包括國家體育場、國家體育館、國家游泳中心、國際展覽中心等項目。此外，2010