膜结构的性能分析及其技术运用

谢

摘

浩

广东工业大学

要：针对膜材这种现代化的工程结构，本文首先总结其先进的性能特点，然后分析膜结构工程在发达国家的发展趋

势，探讨膜结构技术在我国建筑业的应用方向，旨在挖掘膜结构的潜力，提高建筑设计水平。

关键词：膜结构；性能；建筑结构；规模；应用

1前言

膜结构是建筑结构中新发展起来的一种形式。

构。由于膜结构是一种张力结构，只有在一定的张力作用下，膜结构才有一定的形状和刚度，因而膜结构建筑体现了力的平衡美，是一种受力最为合理的结构形式。采用轻质膜材，同时辅以柔性拉索、轻型钢桁架的结构形式，可以很好地达到大跨度、覆盖大空间的目的。用于膜结构的有两种主要建筑织物，即涂敷聚四氟乙烯（PTFE）的玻璃纤维织物和涂敷聚氯乙烯（PVC）的聚酯织物。PTFE具有强度高、半透明、耐火不燃以及自洁性好的特点。虽然材料的保证年限是25年，但按照实际使用的经验，实际使用寿命将会更长。玻璃纤维膜材的唯一缺点是价格较高。PTFE膜材主要应用在大型体育场馆、展览馆、会议厅、机场候机厅等对大空间有需求的建筑。

它以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。与传统的刚性结构有很大的不同，膜结构具有质轻、薄而柔软的特性，在建筑造型上能创造出新颖独特的形式。膜材的透光性使膜结构的内部形成明亮的空间，单位面积内相对较轻的重量使其能轻易地跨越较大距离，形成完整的大空间，其结构形式具有很强的适应能力。它可应用于体育场馆、展览馆、会议厅、机场候机厅等对大空间有需求的建筑和街景小品等构筑物。膜结构也因其简洁优美的曲面造型和卓越的光学、力学、保温、耐火、防水、自洁等性能被誉为21世纪的建筑结构。

PVC聚酯织物与玻璃纤维织物相比，其强度等性能

稍差，使用年限也较短，但价格却较便宜，大约在

PTFE的1/5左右。为了改进其性能，可以在涂层外

再加一个面层，成为聚氟乙烯（PVF）或聚偏氟乙烯（PVDF）。这种面层能保护织物抵抗紫外线的侵蚀，并改进其自洁性。PVC膜材主要应用于景观建筑、街景小品等构筑物[1]。

近年来一种新兴膜结构材料-乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）—在国内大型和重点工程等尖端领域中开始被广泛应用。它不仅具有优良的抗冲击性能、电性能、热稳定性和耐化学腐蚀性，而且机械强度高、加工性能好。由ETFE制成的膜材替代传统的玻璃和其他高分子采光板、PTFE膜材料等用于大型建筑物的屋面或墙体材料，显示出无可比拟的优

2膜结构性能的先进性

过去人们习惯把膜结构视作帐篷，而帐篷只能

算是一个临时性建筑，它不够牢固，不能防火，也不能保暖或隔热。如今对采用膜结构的帐篷却要刮目相看了，其中的关键是材料。膜结构是一种由高强薄膜材料及加强构件（钢结构或拉索）通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，可作为覆盖结构并能承受一定外荷载的空间结构形式。膜结构以良好的自洁性、隔热性以及高强耐久、造型新颖和自重轻等优点广泛应用于各类休闲小品、轻型大跨度无柱空间或轻型屋盖建筑结

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技术交流势。ETFE膜为现代建筑提供了一个创新解决方案。由这种膜材制成的屋面和墙体，重量小，只有同等大小玻璃重量的1%；韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂，延展性大于400%；耐火性和耐化学腐蚀性强，熔融温度高达200℃，并且不会自燃。作为大型公共建筑材料的ETFE膜，更大的优势还在于它们可以加工成任何尺寸和形状，能满足大跨度要求，节省了中间支撑结构，可以设计出简洁高雅的结构。作为一种充气后使用的材料，它可以通过控制充气量的多少，对遮光度和透光性进行调节，有效地利用天然光，节省能源，并在提供良好透光度的同时，也兼有保温隔热性能。又由于质量轻，它可以根据需要设计成可方便开启和关闭的活动屋顶，满足大型公共设施通风透气、天然采光的需求。不仅如此，这种膜还具有良好的声学性能，可以有效地消除回声，避免了其它膜材或硬质层顶所产生的噪声。同时，它还具有自清洁功能，可使灰尘不易附在其表面，雨水能冲刷掉表面的附着物，清洁周期大约为5年。这种材料的另一个优点是，可在现场预制成薄膜气泡，方便施工和维修，加上成本合理，使其极具竞争力。ETFE膜使用寿命为25～35年，是用于永久性多层可移动屋顶结构的理想材料，达到

构设计紧密结合。要确定在初始荷载下结构的初始形状，即结构体系在膜自重（有时还有索）与预应力作用下的平衡位置。在初步设计阶段，先按建筑要求设定大致的几何外形，然后对膜面施加预应力使之承受张力，其形状也相应改变，经过不断调整预应力，最后就可得到理想的几何外形和应力分布形态。因此，在设计过程中，建筑师和结构工程师要一同确定建筑物的形状，并进行必要的计算分析。这时，所设计建筑物的平面形状、立面要求、支点设置、材料类型和预应力大小都将成为互相制约的因素，一个完美的设计也就是上述矛盾统一的结果。

3膜结构工程在发达国家的发展趋势

膜结构工程是集建筑学、结构力学、精细化工、

材料科学和计算机科学等于一体的高科技工程。膜结构形状的千变万化，突出地表现在历年各国举行的博览会上。在这些博览会上，大大小小的展览馆，无一不以新颖奇特的造型来吸引观众，而膜结构就能达到这样的效果。其他如在候车亭、电话亭、走廊和厕所上也都出现了用膜材构成的形式各异的建筑小品，蔚为壮观。膜结构技术在发达国家应用已有50多年的历史，发展势头强劲。但从严格的结构受力的意义来说，膜结构始于1970年日本大阪博览会上一座气承式膜结构的美国馆。当初在大阪博览会上的美国馆，由于是临时性的展览建筑，采用的膜材是涂覆PVC的玻璃纤维织物，算不上先进，但在强度上也经受了两次速度达140km/h以上台风的考验。从膜结构的跨度来看，近似椭圆形的美国馆，两个方向的跨度分别为140m和83.5m。作为一种真正的现代工程结构，大阪万国博览会的展览馆标志着膜结构时代的开始。自此以后，膜结构在世界范围内得到了迅猛的发展。以后出现的东京后乐园的气承式膜结构，最大跨度达201m，而美国亚特兰大的佐治亚穹顶，以椭圆形的屋顶覆盖了240m×192m的索膜结构。从当前的技术和材料条件来看，完全有可能用膜结构来修建1000m的大跨度建筑。从所覆盖的面积来看，1981年建造的沙特阿拉伯吉大机场大厅的悬挂膜结构占地42万平方米。而如今在沙特阿拉伯的米拿，为了庇护来往的朝圣者，正在分三期建设与吉大机场类似的膜结构，总面积在100万平方米以上，堪称“帐篷之城”[2]。

作为膜结构的一种新形式，索穹顶于1988年首先用在汉城奥运会的体操馆与击剑馆，其后又推

B1、DIN4102防火等级标准，燃烧时也不会滴落，ETFE膜完全为可再循环利用材料，可再次利用生

产新的膜材料，或者分离杂质后生产其他ETFE产品。能够在-70℃～230℃的温度范围内使用，且材料难燃。ETFE膜还具有独特的光学性能，白天使入射光线成为天然漫射光，防止眩目，无阴影，光线均匀分布，几乎无紫外线透过，防止了内部装饰材料和设计的褪色；夜间高反射性能使空间具有卓越的照明效果。

综上所述，膜结构的突出特点之一就是它形状的多样性，曲面存在着无限的可能性。采用一般结构的建筑物，其形状往往是先由建筑师确定。膜结构则不同，首先它的变形比一般结构要大一些，其次它的形状是在施工过程中逐步形成的，有一个形状确定的问题，需要结构工程师的参与。对于气承式空气膜结构来说，充气之后的曲面主要是圆球面或圆柱面，可能没有太多的选择余地。而对于以索或骨架支承的膜结构，其曲面就可以随着建筑师的想象力而任意变化。也就是说，膜结构设计打破了传统的“先建筑、后结构”做法，要求建筑设计与结

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技术交流广到其他体育建筑中，例如1996年亚特兰大奥运会的“佐治亚穹顶”，拟椭圆形的尺寸达240m×

馆。“水立方”是世界上最大的膜结构工程，其外墙体和屋面围护结构采用新型钢膜结构体系。该钢膜结构体系由一系列类似于细胞、水晶体的钢网架单元和世界上最为先进的环保节能ETFE充气薄膜共同组成。它总共由3000多个气枕组成，气枕大小不一，形状各异，覆盖面积达到10万平方米。蓝色的表面出乎意料地柔软但又很充实。这种材料的寿命超过20年，目前世界上只有三家企业能够生产这种膜结构。考虑到场馆的节能标准，膜结构具有较强的隔热功能[3]。

193m。为了庆祝新千年的到来，英国在伦敦建成

了直径达320m的“千气穹顶”。整个展览大厅总面积为8万平方米，覆盖其上的是72块PVC涂层的玻璃纤维织物板。这座直径320m、以12根高达

100m的桅杆所支承的圆球形屋顶采用了张力膜

结构。千年穹顶以其独特的膜结构，显示了当今建筑技术与材料科学的发展水平。目前，膜结构已成为结构设计选型中一个主要方案，成为化纤纺织品应用的一个重要领域。随着计算机技术的不断进步，膜结构的形状就更多地依靠计算机来确定。在膜结构设计理论中还出现了专门的研究课题———“找形”（formfinding）。为了寻求合理的几何外形，这个过程通过计算机的几次迭代，就可确定膜结构的初始形状。

b)广州新火车站。广州新火车站是广州市最大

的交通枢纽，它也成为一个新地标式建筑群体。针对该项目的重要性，作为外围护工程的屋面，膜结构工程的选材显得尤为重要。为了使屋面膜结构的选材具有优越的功能性、施工便利性和结构先进性，屋面采用ETFE膜材，其透光率为所有膜材中最好的。根据位置和表面印刷的情况，ETFE膜的透光率可达95%。该材料不阻挡紫外光线的透射，以保证建筑内部天然光。通过表面印刷，该材料的半透明度可进一步降低到50%。根据几何条件及膜的层数，其K值可高达2.0W/(m·K)，耗能指数以一个三层印刷的膜为例可达到0.77。气枕式充气结构能起到很好的隔热、保温、环保和降低能耗的功能。

4膜结构技术在我国的应用

近年来，我国的现代空间结构技术有了长足的

进展，特别是膜结构的发展规模是十分迅速的。从

1995年开始，当年只造了一个面积为3300m2的膜

结构，从1996年到2001年，六年内建造的膜结构估计达370000m2。由于一些大型体育场的建成，膜结构的建设以平均每年20%的速度增长。仅2003年建造的膜结构就约为180000m2。膜材被用在大小不等的体育场篷盖上，并占据了膜结构相当大的份额，PTFE膜结构在我国的一些大型体育场馆中广泛使用，如上海八万人体育场、上海虹口体育馆和上海国际赛车场副看台等。其主要应用于对结构采光要求不是太高、整体隔热性能、环保指标要求不严的开放式、非365天运营的大型公共设施。广州新白云机场候机楼采用了膜材作为屋盖的一部分，就有巨大的58000m2面积。候机大楼很可能成为膜结构的另一个潜在应用对象，因此我们有理由预测中国的膜结构将继续以每年20%的速度增长。目前国内有很多厂家都能生产PVC涂层的聚酯织物，但其性能尚未完全达到建筑织物的要求，作为建筑用的永久性材料尚需进一步提高。最近有些公司正在试制PVC面层的聚酯织物和PTFE玻璃纤维织物，外观和性能都大为改进。

c)上海世博会。上海5.28平方千米的世博园区

不仅是人们参观游览的胜地，其本身也将成为世界建筑的“博览会”。不同国家、地区及各类组织带来风格各异的展馆建筑，将使这里成为名副其实的“地球村”。世博轴是世博园区空间景观和人流交通的主轴线，长约1045m，宽约100m，也是园区内最大的单体项目。世博轴不仅仅是一条轴线，更以其自由轻盈的形态成为世博园内最醒目的一道景观。六个圆锥型“阳光谷”如六朵盛开的“鲜花”随意“飘落”在世博轴上。为了构成“阳光谷”大挑悬和空间不规则的形态，结构体系确定为由三角形网格组成的异形单层网壳，超白夹胶安全玻璃被嵌在三角形网格内。因为要形成不规则的曲面体，三角形是最好的能整合成光滑平面的形状，使得“阳光谷”的整体造型更加完美。连接“阳光谷”的索膜结构由69块巨大的白色膜材拼装组成，总长度约840m，最大跨度约97m，总面积约，000m2，这一超大体量规模的全索膜结构在国内尚属首次。与“阳光谷”一样，69块膜材的尺寸、形状也各不相同，且错落吊装

a)水立方。国家游泳中心（即“水立方”）是2008年北京奥运会标志性建筑物之一，也是北京市

指定的唯一由港澳台侨胞捐资建设的奥运场

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技术交流在世博轴顶部。在10m平台上，人们可以选择呆在能够遮阳避雨的“伞”下，也可以尽情地亲近大自然的阳光雨露，大空间也因为不规则的穹顶而变得不再具有压迫感。

具有强大的生命力，必将成为今后建筑结构发展的主流。通过促进其发展，中国与世界的交流和合作也将会不断地加强。参考文献

——现代建筑的重要标[1]甘红川,甘镀,周艳琼.绿色建材—志.房材与应用，2001（6）.

5结束语

膜材作为一种现代化的工程结构，显示了当今

建筑技术与科学的发展水平，也具有巨大的发展潜力。由于膜结构所独有的特点，它将会以更大的规模增长。如膜材的透射性能很好地解决了采光问题，又可节能能源，并给人以身处于大自然环境中的感觉。从多年来国内外的实践经验来看，膜结构

[2]王树京.建筑技术概论.北京：中国建筑工业出版社，2008.[3]中国建筑学会建筑师分会建筑技术专业委员会.华中科技

大学建筑与城市规划学院.绿色建筑与建筑新技术.北京:中国建筑工业出版社,2008.

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!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!\"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!\"北京：商品房使用太阳能可享补贴

北京市近日公布了《北京市加快太阳能开发利用促进产业发展指导意见》(下称《意见》)。新建两限房、普通商品

房、公共建筑等若使用太阳能供热，太阳能集热器利用面积超过100平方米的将享受每平方米200元的补贴。此外，还有5项“金色阳光”工程公布。《意见》已从2010年1月1日起实施。

《意见》提出，到2012年，太阳能集热器利用面积将达到700万平方米，太阳能发电系统达到70兆瓦。到2020年太阳能

集热器利用面积达到1100万平方米，太阳能发电系统达到300兆瓦。

《意见》发布了6项“金色阳光工程”。在将开展的光能热水工程中，新建保障性住房、两限房、普通商品房、公共建筑及

文化、卫生、体育、社会福利等社会公益事业单位和机构等建筑，将全面推广太阳能热水系统。这种光能热水系统将采取

集中采集、分户利用的形式。按照支持高端先申先得的原则，到2012年12月31日前，对前100万平方米集热器面积，按照每平方米200元的标准予以补贴，申请项目单体项目规模集热器面积须超过100平方米。款项可能补给太阳能的项目业主

和建设方，需等细则出台才能明确。

目前，《意见》已经细化出时间表，相关部门将在规定时间内出台细则并落实，包括市财政局的补贴办法等。

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欧盟批准建筑物节能新标准

欧盟就2020年后建筑物节能新标准达成一致，且必须部分使用可再生能源。现有建筑物在重大改革之后也必须遵守

新标准。

议会宣布，公共机构将提前两年率先采用新标准，此项改革的部分融资将来自欧盟。近期议员们和代表欧盟各国

的瑞典已经同意采取措施降低能源依赖性并削减二氧化碳排放。

另一声明显示，此次协商还就冰箱或自动售卖机等商标产品能源消耗新规则达成一致，且适用于橱窗和户外照明

等不直接消耗能源但有利于节能的相关产品。

当前，节省能耗是欧盟首要任务，摆在面前的两大目标是减少二氧化碳排放和降低天然气等进口能源依赖。

08年，欧盟同意，在2020年前，较之1990年水平削减二氧化碳排放20%。而1月乌克兰和俄罗斯争端引发的天然气供

应中断更凸显降低进口依赖的重要性。

欧洲议会大会和欧盟多数均将批准上述协议，随后立法执行。

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