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
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
本文整理了膜材料特性、受力特性、
结构形式和后期维护的知识及案例
和你一起开启今天的学习
01.
常见的膜材料有哪些
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膜材的厚度通常小于0.20mm，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。
02.
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)
03.
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
① 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
② 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
③ 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
04.
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
来源：iStructure
