膜结构分类.docx

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膜结构分类

张拉式膜结构

通过钢索与膜材共同受力形式稳定曲面来覆盖建筑空间，它是索膜建筑的代表和精华，具有高度的形体可塑性和结构灵活性。

骨架式膜结构

通过自身稳定的骨架体系支撑膜体来覆盖建筑空间，骨架体系决定建筑形体，膜体为覆盖物。

空气式膜结构

通过空气压力支撑膜体来覆盖建筑空间，它形体单一，运用较少。

优点：

1.更自由的建筑形体塑造多变的支撑结构和柔性膜材使建筑物造型更加多样化，新颖美观，同时体现结构之美，且色彩丰富，可创造更自由的建筑形体和更丰富的建筑语言。

2.更好的经济效益膜建筑屋面重量仅为常规钢屋面的1/30，这就降低了墙体和基础的造价。

同时膜建筑奇特的造型和夜景效果有明显的“建筑可识性”和商业效应，其价格效益比更高。

3.更短的施工周期膜工程中所有加工和制作依设计均可在工厂内完成，在现场只进行安装作业。

相比传统建筑的施工周期，它几乎要快一倍。

4.更低的能源损耗膜材有较高的反射性及较低的光吸收低，并且热传导性较低，这极大程度上阻止太阳能进入室内。

另外，膜材的半透明性保证了适当的自然漫散射光照明室内。

5.更大跨度的建筑空间由于自重轻，膜建筑可以不需要内部支撑面大跨度覆盖空间，这使人们可以列灵活、更有创意地设计和使用建筑空间。

基材：

膜材基本上为一种织布，织材由纤维构成。

一织品结构的材料选择、适当的设计、施工、制造及安装，综合这几点能够确保结构的品质。

结构的好坏主要取决于材料的选择。

运用在拉力结构及充气式结构中更为贴切，因为膜材本身亦有载重。

大部分的织品结构运用织品更甚于网状物或胶卷。

织品主要镀上其它材料或压层以产生更大的拉力或更强的抗外力。

最常见的材料为聚酯压层或镀PVC材质，镀PTFE或镀硅之玻璃纤维材质。

网状物、胶卷及其它材料各有其适用范围。

而通常纤维之运用可分为下列数种：

1.尼龙/Nylon：

抗拉力较Polyester稍佳，但其弹力系数较低，使得在载重之情形下可能造成皱褶之机率大为升高，且易受湿度变化影响，使得在裁切前后之误差产生，并且易受紫外线影响而逐渐失去抗拉力。

2.聚酯类/Polyester：

其抗拉力较Nylon稍差，但因其良好的张力、耐久性、低成本及拉力，在某些使用上其较钢性的特质能弥补其不足。

聚酯为最常用之基材。

PVC膜片与聚酯胶合或镀层在较长时间的制造中通常为最经济的方式。

胶合物通常由织布或聚酯接合成的网覆盖乙烯基膜而组成（称为基材）。

镀层织品一般都会使用高计数、高拉力之织品镀上一层有弹性的物质以强化拉力。

织品制造方式为在镀层前及镀层过程中将聚酯织品置于张力下。

结果是织布上不同方向的纱具有鲜明的特性，织品的稳定性增加，为较轻的织品（200～270gm／m2）。

未处理之Polyester纤维同样易受紫外线破坏，但在保护涂层覆盖后相较于同样处理之Nylon更能抵抗紫外线，因此就实用而言，Polyester之抗紫外线能力较Nylon为佳。

3.玻璃纤维/FiberGlass：

具有高弹性系数及高抗拉强度，但其纤维易因重复之压折而破坏，为克服此点，运用较小直径之纤维稍能降低破坏之程度。

玻璃纤维不易受紫外线破坏，因此大为应用于永久性的建构上。

4.人造纤维Aramids（Kevlar）：

具有高弹性系数及高抗撕裂强度，伸缩性较玻璃纤维为佳但不及Nylon与Polyester。

曝露于紫外线下同样会使基材之特性恶化。

一、膜结构的分类

膜结构按结构受力特性大致可分为充气式膜结构、张拉式膜结构（Tension/Suspensionmembranestructure）、骨架式膜结构（Framemembranestrcture，Cabledomemembranestructure）、组合式膜结构（Compoundmembranestructure）等几大类。

充气式膜结构又可分为气承式膜结构（Air-supportedmembranestructure）和气胀式膜结构（或叫气肋式膜结构）（Inflatedmembranestructure）。

气承式膜结构是通过压力控制系统向建筑物室内充气，使室内外保持一定的压力差，膜体受到上浮力，并产生一定的预张力，以保证体系的刚度。

室内设置空压自动调节系统，来不断地调整室内气压，以适应外部荷载的变化。

气胀式膜结构是向单个膜构件内充气，使其保持足够的内压，多个膜构件进行组合形成一定形状

的一个整体受力体系，这种结构对膜材自身的气密性要求很高，或需不断地向膜结构构件内充气。

张拉式膜结构是现代膜结构建筑的重要组成部分，膜面一般为负高斯曲面，因此，它体形丰富、自然流畅、曲面柔美，倍受建筑师们的青睐。

但这种结构体系受力分析复杂，对施工精度要求高，因此，其设计计算、加工制作及施工工艺难度都较大。

骨架式膜结构是自身封闭的、稳定的骨架体系（一般是钢桁架体系、网架结

构、索网结构或张拉整体体系等）与膜材料共同组成一个结构受力体系。

该体系施工与常规结构相似（除索网或张拉整体体系等的自身施工外），较易被工程界理解和接受，但为了让膜具有一定的刚度，骨架体系提供给膜的支撑系统一般要有一定的曲度，并应设置向膜中施加预应力的机构。

组合式膜结构通常为在自身稳定的桁架体系上划分若干个单元，每个单元上布置张拉式膜结构单元，膜单元之间在受力上基本上是相互独立的，可以认为是多个简单张拉式膜结构单体的物理组合，受力的复杂性介于张拉式膜结构与骨架式膜结构之间。

这种体系在目前膜结构体育场罩篷中也有较广泛的应用。

二、膜结构的特点

各种类型的膜结构形式在受力分析、设计构造、制作安装等方面难易程度有很大不同，应用上也不尽相同，但它们有如下共同特点：

（1）自重轻

在建造大型共公建筑时，具有较好的性能价格比。

在大跨度的结构中采用膜结构要比传统结构轻一个或几个数量级，且单位面积的结构自重与造价也不会随跨度的增加而明显地增加。

（2）造型优美、富有时代气息

膜结构突破了传统的建筑结构形式，易做成各种造型，且色彩丰富，在灯光的配合下易形成夜景，给人以现代美的享受。

又由于其技术上的先进性，膜结构被誉为现代建筑高科技，是21世纪的建筑。

（3）减少能源消耗

膜材料自身透光性较好，透光率在7%~20%左右，可充分利用自然光，白天使用不需人工照明，完全能满足各种体育比赛等活动需要；膜材料对光的折射率在70%以上，在日光照射下，室内形成柔和的散光，给人以舒适、梦幻般的感受。

（4）施工速度快

膜片的裁剪制作、钢索及钢结构等制作均在工厂内完成，可与下部钢筋混凝土结构或构件等同时进行，在施工现场只是钢索、钢结构及膜片的连接安装定位及张拉的过程，故在现场的施工安装比较文明、迅速快捷。

（5）经济效益明显

虽然膜结构建筑项目目前来说一次投资稍大，但由于此类结构的日常维护费用极小（被称为“免维护结构”），从长远来看，经济效果非常明显。

此类结构若用于超大跨度建筑中，则有更为突出的价格优势。

索膜结构的经济优势是与空间跨度和技术难度成正比的。

（6）使用安全可靠

由于其自重轻，抗震性能比较好；膜结构属柔性结构，能够忍受很大的位移，不易整体倒塌；且膜材料一般都是阻燃材料，也不易造成火灾。

（7）易做成可拆卸结构，易于运输，可用作巡回演出、展览等

如美国某公司设计制作的音乐蓬覆盖面积300多平方米，其拆卸和安装只需用不足6个小时。

（8）使用范围广

从气候条件看，它适用于从阿拉斯加到沙特这样广阔的地域；从规模上看，可以小到单人帐蓬、花园小品，大到覆盖几万、几十万平方米的建筑。

甚至有人曾设想覆盖一个小城，实现人造自然。

三、膜结构的应用范围

目前国内外已修建的各种膜结构建筑中，主要用于以下几个方面：

1）大型体育设施：

如棒球场、足球场、网球场、游泳馆等。

2）娱乐中心、展览馆、音乐厅、侯机厅和大型集会场所。

3）超级商场及酒店的中厅、过廊等。

4）飞机库、停车场、仓库等。

5）海滨、公园等旅游场所遮阳结构。

6）花园、庭院等小品及城市街景。

◆膜结构性能介绍◆

一、膜材料的力学性能

膜结构所用的膜材料为具有高强、阻燃、耐久、自洁等特性的高强复合材料，一般由基布和涂层二部分组成。

基布主要采用高强聚脂纤维或玻璃纤维丝编织而成，有平织和绞织等多种编织方法，不同的编织方法影响着膜材料的经纬向力学性能指标，提供膜的抗拉强度和抗撕裂强度等；涂层材料主要有聚四氟乙烯和聚氯乙烯，在一定程度上提高了膜材料各项强度指标，为提高膜材料的耐久、自洁等特性，表面往往有一层氟涂层或硅涂层，提供膜材料的耐火、耐久及防水、自洁等性能，决定着膜材料的物理特性。

膜材料是一种高强柔软的织物，具有较高的抗拉强度，有一定的抗撕裂强度，但其平面内的抗压、抗弯强度几乎为零，抗剪强度也很低，并具有一定的各向异性和材料几何非线性性质，使用时又易发生应力松弛和徐变，因而在膜结构分析计算中如何正确地确定膜材料的各项力学参数及本构关系将是一项极其繁琐而又必不可少的事情。

在实际工程应用时，随着膜材料品种的不同，膜中预应力一般在1～8kN/m，即使在最不利荷载工况下，膜中应力值也只是其抗拉强度的1/4～1/8，为简便设计计算，一般可假定膜材料为正交异性的线弹性材料，由弹性力学理论可知，平面应力正交异性弹性材料的本构关系有如下形式。

式中E1、E2、、分别为膜材料经、纬向的弹性模量和泊松比，G12为膜材料的剪切模量。

二、膜材料的物理性能随着膜结构分析理论和设计施工经验的不断成熟和完善，膜结构已从众多的现代建筑形式中异军突起，越发地受到人们的青睐，吸引着众多的建筑、结构工程师们来设计建造现代大中小型永久性或半永久性的膜结构建筑。

同时也对膜材料的物理性能提出了更多的要求。

1.高强度

膜材料是一种柔性织物，织物内部只有存在一定的应力场，才能获得一定的刚度。

因此，对于膜结构而言，任何情况下不允许膜中有无应力状态。

在高应力状态下，膜材料的抗拉强度越高，越不易发生徐变和老化；其次，在大跨度膜结构中，膜中应力往往较大，且对膜的安全度要求较高，一般在长期荷载作用下，安全系数取６～８，在短期荷载作用下，安全系数取４。

安全系数考虑了以下几种不利因素：

膜材料本身的强度和弹性常数有较大的变异性；膜结构计算假定及计算结果的不精确性；膜材料双向应力测试与实际情况的差异；紫外线照射下膜材的老化；动静力下膜材的疲劳；膜材制作和施工过程中的划伤和折叠等。

因此，膜结构建筑中的膜材料必须具有较高的抗拉强度及抗撕裂强度。

2.阻燃

膜建筑作为永久性或半永久性建筑，膜材本身必须应完全满足有关建筑材料防火指标的要求。

以日本膜结构大国为例：

他们早在20世纪80年代就已把膜结构成功地应用于诸多大型公共建筑中，并且玻璃纤维布基涂敷聚四氟乙烯膜材料（PTFE材料）也早已通过了国家防火测试试验，但至今仍没把膜材料作为不燃材料列入国家建筑标准，只是要求针对每个建筑单体膜材通过防火测试，满足要求即可。

一般认为PTFE材料是不可燃材料，PVC材料是阻燃材料。

3.耐久

膜材的耐久性不仅与其布基所用材料本身的性质有关，而且不同的涂层种类，对布基的保护程度各不相同，也影响着膜材的使用寿命。

膜材老化的主要因素有：

紫外线照射下，聚合物自身的化学不稳定；从膜的边缘或划伤处由于毛细虹吸水存在微生物的滋生而引起的发霉变质导致材料性质的退化。

一般来说，PTFE材料的质保期在25年以上，PVC材料质保期在10年～15年，但到目前为止，PTFE材料工程有的已超过25年，PVC材料工程有的已超过20年，而继续正常使用。

4.自洁

自洁性就是膜材料本身的防污自洁性能。

由于PVC材料对紫外线的化学不稳定性，尤其在夏日里阳光下，PVC涂层易离析发粘，粘附尘埃，且不易被雨水冲掉，影响观瞻，减少使用寿命。

因此，一般建筑用PVC膜材料，在PVC涂层外，再加一层PVF（聚氟乙烯）或PVDF（聚二氟乙烯）或有机硅面层，能有效地改善其自洁性。

PTFE膜材料自身则具有很好的防污自洁性能，不需要添加任何面层材料。

5.隔音

通常膜结构建筑位于市区内，有的建造在最繁华的闹市区，特别是用于音乐、娱乐等大型文化活动场所，人们即不希望外部噪音传入室内，干扰室内活动，也不希望室内声音扩散出去，为此对建筑的隔音提出较高的要求。

单层膜隔音仅有10dB左右，因此，单层膜结构建筑往往用于对隔音要求不是太高的活动场所，或者通常用巧妙的设计、构造等手段来提高其隔音性能。

目前有人提出增加膜材料的质量可提高其隔音性能，但真正能达到令人满意的性能指标，尚需待以时日。

6.保温隔热

单层膜材料的保温性能大致相当于夹层玻璃，如果某建筑物对保温性能要求较高，就不得不考虑采用双层或多层膜，但双层或多层膜又损害了建筑物的透光性能，一般来说双层膜的透光率在4%～8%左右。

透光性是膜建筑很吸引人的一个特点，有时很难让人在二者之间作出选择。

为使上述矛盾达到协调统一，针对某个建筑物就必须寻求一种特定的方法，如寻求一种透光性好的内层膜材料等。

一般来说，就同类膜材料而言，其透光性越高，强度就越低。

三、材料的分类

用于膜结构建筑中的膜材料种类繁多，且不同的国家对膜材料的要求也不尽相同。

但按材质的不同可分为PTFE类和PVC类两大类：

1．PTFE类膜材料

PTFE膜材料商品名叫特氟隆（Teflon），是在玻璃纤维布基上敷聚四氟乙烯树脂（polytetrafluoroethylene,简写PTFE），且这种树脂的含量大于90%，并满足以下条件：

（1）玻璃纤维布基自重不小于150g/m2；

（2）树脂涂层的重量应大于400g/m2，小于1100g/m2；

（3）膜材料厚度大于0.5mm。

2．PVC类膜材料

PVC类膜材料布基织物为聚脂或聚胺脂等，涂层为PVC树脂，或氯丁橡胶类物质，一般另加有聚氟乙烯（PVF）或聚二氟乙烯（PVDF）类面层。

且满足以下条件：

（1）合成纤维织物自重大于100g/

m2；

（2）涂层材料重量大于400g/m2，小于1100g/m2；

（3）膜材料厚度大于0.5mm；

（4）膜材料须通过阻燃2级试验。

四、关于PVC类膜材料的性能分析

PVC类膜材料由于其明显的价格优势，目前在国内受到普遍青睐。

在使用这类材料时有一些值得注意的问题。

PVC类膜材料涂层对紫外线有化学不稳定性，所以此类材料的敷面层起着至关重要的作用。

PVC类材料的敷面层很大程度上决定了材料本身的使用寿命、自洁程度、抗老化年限以及材料价格等。

1．敷面面层材料的种类

（1）100%PVDF（聚偏二氟乙烯）+ACRYLIC（丙烯酸）

材料顶面敷着聚偏二氟乙烯，材料底面敷着丙烯酸。

此类材料偏重于材料顶面的保护，对材料底面的保护较差。

（2）100%PVF（聚氟乙烯，商品名叫TEDLAR）+ACRYLIC（丙烯酸）

材料顶面敷着聚氟乙烯，材料底面敷着丙烯酸。

此类材料偏重于材料顶面的保护，对材料底面的保护较差。

但由于PVF面层是用一种粘合剂粘着在膜材料表面，因此TEDLAR膜材显得硬一些。

TEDLAR与PVDF的其他各项性能均近似，从使用效果上看，TEDLAR的自洁效果略优于PVDF。

（3）100%PVDF（聚偏二氟乙烯）+100%PVDF（聚偏二氟乙烯）

材料顶面及底面均敷着聚偏二氟乙烯。

此类材料对膜材的底面及顶面均加以妥善保护。

（4）ACRYLIC（丙烯酸）+ACRYLIC（丙烯酸）

材料顶面及底面均敷着丙烯酸。

此类材料对膜材的底面及顶面均无妥善保护。