1

从结构方式上大致可分为骨架式、张拉式、充气式膜结构3种形式
海口海洋世界入口膜结构
1.骨架式膜结构（Frame Supported Structure） 　　
　以钢构或是集成材构成的屋顶骨架后，在其上方张拉膜材的构造形 式，下部支撑结构安定性高，因屋顶造型比较单纯，开口部不易受限制， 且经济效益高等特点，广泛适用于任何大,小规模的空间。
青岛音乐广场

2.张拉式膜结构（Tension Suspension Structure） 　　
　以膜材、钢索及支柱构成，利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安 定的形式。除了可实践具创意，创新且美观的造型外,也是最能展现膜结 构精神的构造形式. 近年来，大型跨距空间也多采用以钢索与压缩材构成 钢索网来支撑上部膜材的形式。因施工精度要求高，结构性能强，且具丰 富的表现力，所以造价略高于骨架式膜结构。

3.充气式膜结构（Pneumatic Structure） 　　
　充气式膜结构是将膜材固定于屋顶结构周边，利用送风系统让室内气 压上升到一定压力后，使屋顶内外产生压力差，以抵抗外力，因利用气压 来支撑，及钢索作为辅助材,无需任何梁,柱支撑，可得更大的空间，施工 快捷，经济效益高，但需维持进行24小时送风机运转，在持续运行及机器 维护费用的成本上较高。

二\膜材料
用于膜结构建筑中的膜材是一种具有强度，柔韧性好的薄膜材料，是由纤维编织成织物基材，在其基材两面以树脂为涂层材所加工固定而成的材料，中心的织物基材分为聚酯纤维及玻璃纤维，而作为涂层材使用的树脂有聚氯乙烯树脂（PVC）,硅酮(silicon)及聚四氟乙烯树脂（PTFE），在力学上织物基材及涂层材分别具有影响下列的功能性质。

织物基材——抗拉强度，抗撕裂强度，耐热性，耐久性，防火性。 　　　　　　　　　
涂 层 材——耐候性，防污性，加工性，耐水性，耐品，透光性。

三\膜材的正确选定
用于建筑膜结构的膜材，依涂层材不同大致可分为PVC膜与PTEF膜，膜材的正确选定应考虑其建筑的规模大小、用途、形式，使用年限及预算等综合因素后决定。

PVC膜（PVC-Coated Polyester） 　　
　PVC膜材在材料及加工上都比PTFE膜便宜，且具有材质柔软，易施工的优点。但在强度、耐用年限、防火性等性能上较PTFE膜差。PVC膜材是由聚脂纤维织物加上PVC涂层（聚氯乙烯）而成，一般建筑用的膜材，是在PVC涂层材的表面处理上，涂以数micron厚的压克力树脂(acrylic)，以改善防污性。但是，经过数年之后就会变色、污损、劣化。一般PVC膜的耐用年限，依使用环境不同在5~8年。为了改善PVC膜材的耐侯性，近年来已研发出以氟素系树脂于PVC涂层材的表面处理上做涂层,以改善其耐侯性及防污性的膜材。

　　PVDF
　　PVDF是二氟化树脂（Polyvinylidene Fluoride）的略称，在PVC膜表面处理上加以PVDF树脂涂层的材料称为PVDF膜。PVDF膜与一般的PVC膜比较，耐用年限改善至7~10年左右。

　　PVF　　　
　　PVF是一氟化树脂（Polyvinyl Fluoride）的略称。PVF膜材是在PVC膜的表面处理上以PVF树脂做薄膜状薄片（laminate）加工，比PVDF膜的耐久性更佳，更具有防沾污的优点。但因为加工性、施工性与防火性都不佳，所以使用用途受到限制。

PTFE膜（PTFE Coated Fiberglass） 　　
　PTFE膜是在超细玻璃纤维织物上，涂以聚四氟乙烯树脂而成的材料。PTFE膜最大的特微就是耐久性、防火性与防污性高。但PTFE膜与PVC膜比较，材料费与加工费高，且柔软性低，在施工上为避免玻璃纤维被折断，须有专用治工具与施工技术。

　　耐久性：涂层材的PTFE对酸、硷等化学物质及紫外线非常安定，不易发生变色或破裂。玻璃纤维在经长期使用后，不会引起强　　　　　　度劣化或张力减低。膜材颜色一般为白色、透光率高，耐久性在25年以上。
　　防污性：因涂层材为聚四氟乙烯树脂，表面摩擦系数低，所以不易污染，可藉由雨水洗净。
　　防火性：PTFE膜符合近所有国家的防火材料试验合格的特性，可替代其它的屋顶材料做同等的使用用途。

四\工程应用
体育设施—体育场馆、健身中心等
交通设施—机场、火车站、公交车站、高速公路收费站、加油站等
文化设施—展览/会议中心、剧场、博物馆、动物园、水族馆等
景观设施—建筑入口、泳池小品、小区长廊、户外广场、公园小品、标识性建筑等
商业设施—购物中心、餐厅、步行街等
工业设施—工厂、仓库、污水处理中心、物流中心、温室等

张拉膜结构的概念设计
只有正确表达结构逻辑的建筑才有强大的说服力与表现力”这句话揭示了张拉膜结构的精髓。对于张拉膜结构，任何附加的支撑和修饰都是多余的，其结构本身就是造型；换句话说，不符合结构的造型是不可能的，因为那样的薄膜不是飘动的就是缺乏稳定性的。张拉膜结构的美就在于其“力”与“形”的完美结合。

张拉膜结构的基本组成单元通常有：膜材、索与支承结构（桅杆、拱或其他刚性构件）。

膜材一种新兴的建筑材料，已被公认为是继砖、石、混凝土、钢和木材之后的“第六种建筑材料”。膜材本身不能受压也不能抗弯，所以要使膜结构正常工作就必须引入适当的预张力。此外，要保证膜结构正常工作的另一个重要条件就是要形成互反曲面。传统结构为了减小结构的变形就必须增加结构的抗力；而膜结构是通过改变形状来分散荷载，从而获得最小内力增长的。当膜结构在平衡位置附近出现变形时，可产生两种回复力：一个是由几何变形引起的；另一个是由材料应变引起的。通常几何刚度要比弹性刚度大得多，所以要使每一个膜片具有良好的刚度，就应尽量形成负高斯曲面，即沿对角方向分别形成“高点”和“低点”。“高点”通常是由桅杆来提供的，也许是由于这个原因，有些文献上也把张拉膜结构叫做悬挂膜结构（suspension membrane）。

索作为膜材的弹性边界，将膜材划分为一系列膜片，从而减小了膜材的自由支承长度，使薄膜表面更易形成较大的曲率。有文献指出，膜材的自由支承长度不宜超过15米，且单片膜的覆盖面积不宜大于500平米。此外，索的另一个重要作用就是对桅杆等支承结构提供附加支撑，从而保证不会因膜材的破损而造成支承结构的倒塌。

膜结构设计主要包括以下内容：
1，初始态分析：确保生成形状稳定、应力分布均匀的三维平衡曲面，并能够抵抗各种可能的荷载工况；这是一个反复修正的过程。
2，荷载态分析：张拉膜结构自身重量很轻，仅为钢结构的1／5，混凝土结构的1／40；因此膜结构对地震力有良好的适应性，而对风的作用较为敏感。此外还要考虑雪荷载和活荷载的作用。由于目前观测资料尚少，故对膜结构的设计通常采用安全系数法。
3，主要结构构件尺寸的确定，及对支承结构的有限元分析。当支承结构的设计方法与膜结构不同时，应注意不同设计方法间的系数转换。
4，连接设计：包括螺栓、焊缝和次要构件尺寸。
5，剪裁设计：这一过程应具备必要的试验数据，包括所选用膜材的杨氏模量和剪裁补偿值（应通过双轴拉伸试验确定）。

膜结构在方案阶段需要考虑的问题有：
1，预张力的大小及张拉方式；
2，根据控制荷载来确定膜片的大小和索的布置方式；
3，考虑膜面及其固定件的形状以避免积水（雪）；
4，关键节点的设计，以避免应力集中；
5，考虑膜材的运输和吊装；
6，耐久性与防火考虑。

在膜结构设计阶段所要考虑的要点有：
1，保证膜面有足够的曲率，以获得较大的刚度和美学效果；
2，细化支承结构，以充分表达透明的空间和轻巧的形状；
3，简化膜与支承结构间的连接节点，降低现场施工量。

膜结构研究的主要问题有：
1，找形（Form-finding）或更进一步叫“形态理论”；
2，考虑膜材松弛和各向异性下的结构响应；
3，结构在风荷载作用下的动力稳定性；
4，裁剪优化；
5，膜与索及支承结构间的相互作用。

膜材的类型
纵观设计过程（膜结构表面的几何分析，预张拉的方法，和膜结构尺寸的稳定性）的全貌，我们应该将我们的注意力集中在应用于膜结构的膜材自身。这里介绍三种基本的织物类型：涂刮织物，覆膜织物和加强覆膜织物。由于涂刮织物应用最广泛，所以重点介绍这一类材料。

1． 涂刮织物： 这类材料布基的纤维丝通常是呈90度编织的。在膜材的长度方向上受力的称为“经向”，而在膜材的幅宽方向上受力的，且受张拉力较低的称为“纬向”。涂刮织物通常表现出各向异性（它们在经向和纬向上表现出不同的特性），虽然这些不同可以通过编织和涂刮的工艺予以减轻。
很多膜结构工程是采用PVC涂覆聚酯长丝或PTFE涂覆玻璃纤维的材料。PVC涂覆聚酯长丝比较PTFE涂覆玻璃纤维的材料容易操作，而且价格便宜，但是它的耐久性不够，而且需要不停地清洗，在荷载作用下变形较大.
2． 覆膜织物： 不应该称之为“织物”了，因为它仅仅是由一片很薄的塑性或弹性的片材组成。它可以全透明或完全不透明，它非常柔软，而且通常是各向同性。但是它的机械性能很低，它的耐久性和抗撕裂性能比涂刮织物低很多。因为它非常柔软，又具有十分低廉的价格，所以它能应用在临时建筑上，象露天音乐会的遮蓬。
3． 加强覆膜织物： 在两层很薄的薄膜之间粘接或者热合上布基。层压工艺提供给这类织物相应的强度和耐久性。如果使用透明的编织丝，再覆上透明的薄膜就可以制成透明度极高的材料。它使用的时间比覆膜织物长的多。

膜结构简史
1917年有一位名为兰彻斯特的美国人建议利用新发明的电力鼓风机将膜布吹胀，作野战医院。像许多专利申请案一样，这只是一种构思，而没有真正成为使用的产品。

1946年，有一位名为华特?贝尔德的人为美国军方做了一个直径 15m圆形充气的雷达罩，可以保护雷达不受气候侵袭，又可让电波无阻的通过，从而使相隔了19年的专利付诸实用。由此而衍生出了一个新的工业产业，在1956年以后美国一共建立了约50多家的膜结构公司，制造各种膜产品，用做体育设施、展览场、设备仓库、轻工业厂房等，不一而足。但多因设计不周全，或制作粗糙，或是业主维护不当，以致造成许多不幸事件，大多数的工厂亦因之倒闭。

1960年间，德国斯图加特大学的弗赖?奥托先生，先后于1962和1965年发表了研究膜结构的成果，并同帐篷制造厂商合作，做了一些帐篷式膜结构和钢索结构，其中最受人注目的是1967年在蒙特利尔博览会的西德馆，其在欧洲，尤其是德国，可以说是开了膜结构构商业化的先河。1968年，美国纽约的建筑师布罗迪和哥伦比亚的大卫?盖格教授合力争取到了日本大阪世界博览会美国馆的设计权。原先的经费2500万美元，被一再消减到250万美元，此设计组承受了无比的挑战，在穷则变，变则通的情况下，将基地挖一大坑，将废土堆在四周，筑成围墙，其上浇注一混凝土压力环，将钢索网固定在环上，再将膜布固定在钢索网上，加以充气，就做成了9290m2的展览馆，从而开启了气撑式膜结构的新页。1968年到1987年之间，有 8座室内运动馆是以此方法设计建造的。

　　在大阪世博会，盖格公司成功地向世人推出气撑式膜结构的新设计技术，而受到建筑工程界一致认可后，又面临所使用的膜材料问题。这种膜材只有7年? 8年的寿命，在太阳紫外线及风、雨的交互作用下，膜布会变得硬脆、破裂，而失去结构性能。只有使用好的膜布材料，才能使这种大跨距的屋顶，成为永久性的建筑。正在此时，美国福特基金会下属的教育设施实验室给盖格公司一笔资金，用来开发此种永久性的建筑膜。在盖格公司领导下，同美国的杜邦公司、康宁玻纤公司、贝尔德建筑公司、化纤织布公，五家共同开发永久性的结构膜。产品很顺利地就制成了，化纤公司将康宁公司提供的玻璃纤维，先集成线再织成布纱，经过矽胶浸泡，先制成水密坯布，再多次快速放入特氟隆溶液中，使坯布两面皆有均匀的特氟隆涂层，永久性的PTFE膜正式诞生。经过加速气候实验，其物理稳定性确定后，盖格公司又设计各种结构配件及确定设计程序，以建造不同性质的膜结构。堪萨斯城的建筑师约翰?西弗率先使用此产品，在加州的拉?弗恩建了一座学生活动中心，另外，几平同时即1973年在圣太?克罗拉的加州分校办建了一座气撑游泳馆（活动屋顶）及学生活动中心，从此永久性膜结构便正式在美国风行。

1．关于结构膜　　一般钢结构屋顶，是由桥梁支撑屋面板，上面覆盖防水、隔热层，这些屋面材料皆不承受结构力。但膜结构中的膜本身就承受活荷载包括风压、温度应力等，膜既是覆盖物，亦是结构的一部分。 以材质分类，结构膜有以下两种: 1）平面不织膜：由各种塑料，在加热液化状态下挤出的膜，它有不同厚度、透明度及颜色，最通用的是聚乙烯膜。亦有以聚乙烯和聚氯乙烯热熔后制成的复合膜，其抗紫外线及自洁性强，且使用年限可从7年延长到15年，此种膜因张力强度不大，而自跨度不大，属于半结构性的膜材。 2）织布合成膜：以聚酯丝织成的市心，双面涂以PVC树脂，再用热熔法覆盖上一层聚氟乙烯膜，制成复合膜，使用年限从 7年延长到15年。因布心的张力强度较大可以使用于多种的张啦力型结构，跨度可达8m－10m，在美、日、法等国皆生产多种品牌。 2．几种膜结构　　与上述结构膜结合的结构大约有下述几类: 1）纯钢拱形结构采用传统的梁柱系统，屋顶为圆拱式，柱梁间距一般为8m左右。 2）混凝土结构主体加钢拱以上两种最简单的膜结构，依平面的形状，如方形、菱形等，可有许多变化，拱的间距依使用的膜材强度、设计荷载、风力等确定。 3）混凝土主体结构加钢索脊素为上弯，位于膜布下面，谷索为下弯，位于膜上面。两种钢索的弯向相反张拉后造成相反方向的垂直力，使膜市受到垂直方向的张力，膜布中水平方向的张力直接张拉形成。 4）混凝土主体结构加钢柱 5）张拉式帐篷膜结构 6）大型（跨度在200m以上）气撑式膜结构　　用扁钢作的钢索加上膜布，可以做成大跨度的巨型屋顶。这种建筑，结构简单，施工方便，经济效益高，无需维修。但因需常年维持封闭，进出较不便，现己不再新建，但仍不失为一种好的结构形式。由于膜结构需要精确的设计及剪裁，以达到理想的效果，大卫、盖格和哥伦比亚大学的同僚迈克、马克麦克和约塞夫、赖特共同开发了非线性钢索计算程式，为气撑式大型膜屋顶工程设计奠定了基础。自1973年至1978年，在世界各地一连建造了12座气撑式膜结构大型室内体育馆，与同时期落成的其他球场比较，这些膜结构的体育馆不但价格便宜，而且施工快。面积40000m2的银顶球场

膜结构简介--张拉膜结构

张拉膜结构(Tesioned Membrane Structure)，是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索共同构成机构体系。在阳光的照射下，由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光，无强反差的着光面与阴影的区分，室内的空间视觉环境开阔和谐。夜晚，建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空，建筑物的体型显现出梦幻般的效果。张拉膜结构特别适合用来建造城市标志性建筑的屋顶，如体育与娱乐性场馆，需有广告效应的商场、餐厅等。城市的交通枢纽是城市命脉的关键性建筑，使用功能要求建筑物各组成单元的标志明确。因而近来年，这类建筑越来越多采用膜结构。建筑膜材料的使用寿命为25年以上。在使用期间，在雪或风荷载作用下均能保持材料的力学形态稳定不变。建成于1973年的美国加州La Verne大学的学生活动中心是已有23年历史的张拉膜结构建筑．跟踪测试与材料的加载与加速气候变化的试验，证明它的膜材料的力学性能与化学稳定性指标下降了20％至30％，但仍可正常使用。膜的表层光滑，具有弹性，大气中的灰尘、化学物质的微粒极难附着与渗透，经雨水的冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层与透光性。
张拉式膜结构

张拉整体结构（Tensegrity）是由一组连续的拉杆和连续的或不连续的压杆组合而成的自应力、自支撑的网状杆系结构，其中“不连续的压杆”的含义是压杆的端部互不接触，即一个节点上只连接一个压杆。 Tensegrity是美国建筑师 R.B.Fuller首先提出的一种结构思想，他认为宇宙的运行就是按照张拉整体的原理进行的，即万有引力是一个平衡的张力网，各个星球是这个网中的一个个 孤立点。这种结构体系中的索网就相当于宇宙中的万有引力，独立的受压杆件 相当于宇宙中的星球。

张拉索－膜结构分析与设计

作 者： 杨庆山，姜忆南 点击可查询该作者的其它作品



[点此查看实际尺寸]


评分星级：
共有0位网友参与打分

【商品状态】 上架
【所属类别】 理工类 >> 土木建筑类
【丛书名】
【出 版 社】科学出版社
【出版日期】2004年3月
【I S B N】7-03-012520-7/TU.279
【版次】1 【开本】B5 【页数】196

【装 帧】平装



原价：45元

多淘价：33.70元

节省：11.30元



　 　 收藏

【内容简介】



本书对张拉索－膜结构的分析与设计进行了介绍。在第一章绪论中介绍了工程结构的演化进程和薄－膜结构的发展历程。第二章以薄壳理论为基础介绍了张拉索－膜结构的受力特点及其与结构形式间的关系。第三章和第四章为张拉索－膜结构分析所需的基础知识和理论，包括钢索及膜材的物理、力学性能，固体力学的大位移理论和有限元分析方法。第五章到第八章分别介绍张拉索－膜结构的形态分析、裁剪分析、荷载分析和节点设计。第九章介绍张拉索－膜结构分析设计软件CAFA的基本功能和使用方法。以张拉索－膜结构设计中的建筑构思作为本书的第十章，以体现索－膜结构设计中建筑设计与结构设计间异常紧密的结合。
本书可供土木工程专业的结构工程师、建筑师、施工技术员和相关专业的大专院校师生以及结构工程专业的研究生参考。


【图书目录】

序
前言
第一章 绪论
1·1工程结构的演化
1·2薄膜结构的发展历程
第二章 张拉索－膜结构的选型与设计
2·1柔性壳体的基本力学性能
2·2张拉索－膜结构的基本单元及组合
2·3结构的支承体系
2·4膜材的剪裁与连接
第三章 钢索、膜材的物理、力学性能
3·1钢索的产品规格及性能指标
3·2建筑膜材
3·3膜材的本构模型
3·4弹性主轴方向上的本构关系
3·5非弹性主轴上的本构关系
3·6建筑膜材的力学性能参数
3·7膜材强度指标
第四章 张拉索－膜结构分析的理论基础和有限元方法
4·1几何非线性分析
4·2有限元方法
第五章 张拉索－膜结构的形态分析
5·1形态分析的程序实现
5·2数值分析的精确性检验
5·3形态分析示例
5·4工程算例
第六章 膜曲面的裁剪分析
6·1裁剪线的确定
6·2膜片的展开
6·3裁剪条元的下料尺寸
6·4精确性验证
6·5裁剪分析示例
6·6工程算例
第七章 张拉索－膜结构的受力分析
7·1单元应力及局部松弛和破坏
7·2受力分析程序的有效性检验
7·3张拉索－膜结构的受力性能分析
7·4工程结构荷载验算
第八章 张拉索－膜结构的连接与节点
8·1膜材与膜材的连接
8·2索与膜的连接
8·3膜材与刚性边界的连接
8·4索节点
8·5柱节点
8·6索膜节点
第九章 张拉索－膜结构分析设计软件CAFA
9·1CAFA的组成
9·2模型建立
9·3形态分析
9·4裁剪分析
9·5荷载分析
9·6数据查询
第十章 张拉索－膜结构设计的建筑构思
10·1环境因素与总体构思
10·2空间要素与结构选型
10·3形式要素与视觉造型
附录Ⅰ 曲面理论的基本概念
附录Ⅱ 测地曲率与测地线
附录Ⅲ 悬链面的表面积公式
参考文献