| 材质低合金高强度结构钢 | 使用范围大跨度的体育场馆 |
| 产品类别膜结构 | 产地广州 |
| 品牌茂名膜结构 | 钢板厚度10mm |
| 规格100 | 钢型号Q235 |
| 每平米用钢量122 | 活动类型热销 |
| 特殊用途抗压强大 |
1.1 膜结构的发展回顾
虽然人们喜欢从***广泛的意义出发，把铁木构架和帆布建成的大棚,甚至以枝条和兽皮搭成的帐篷都纳入膜结构的范围,但从严格的结构受力的定义来说, 真正意义上的现代膜结构是在20世纪50年代出现的。美国的沃尔特，伯德( watler. bird)在1946年为美国军方设计制作的球形充气雷达罩,1957年为自己家游泳池罩上的充气膜;德国建筑师佛赖·奥托(freiotto)在1955年、1957年分别为两届德国联邦园艺博览会设计的临时音乐台和场馆入口挑篷及音乐台均是这一时期里程碑式的膜结构建筑。但谈及现代膜结构大量展现在世人面前并风靡于世，则不得不叙述一下1970年在日本大阪举行的万国博览会。本次博览会上的美国馆是一个空气支承膜结构。这个建筑物的蒙皮采用了先进的复合材料——建筑织物。大阪博览会之后，作为临时性建筑的美国馆虽已拆除，但膜结构的建筑技术却逐渐推广应用到永久性的建筑上。
随后，膜结构建筑如雨后春笋般在各地涌现，比较有代表性的有:1981年的沙特阿拉伯哈吉(haj)国际航空港;1985年的沙特阿拉伯利雅德(riyadh)皇家体育场;1992年建成的日本熊本公园体育馆以及1993年的美国丹佛国际机场候机大厅等。值得一提的是丹佛国际机场候机大厅屋顶由双层ptfe膜材构成，中间间隔600 mm，以保证大厅内温暖舒适并且不受飞机噪声的影响。同时该工程也被看作寒冷地区大型封闭张拉膜结构的成功范例。
1.2 膜结构的主要形式
膜结构在工程实践中有各种应用形式，根据构造和受力特点，大致可分为如下几种类型:
(1)充气膜结构，即薄膜的刚度由空气压力提供。一般两种形式：①以室内气压支承膜材的气承式膜结构。②充气于特定形状的封闭囊内，使之形成具有一定刚度的结构或构件的气肋状膜结构。
(2)张拉式膜结构，其形状类似帐篷。它的结构形成机制与预应力索网类似，呈负高斯曲率的鞍形曲面形状，张紧在柔性或刚性的边缘构件上，还可利用桅杆或立柱提供独立的吊点;张拉式膜结构要通过一定的张拉手段建立预应力，使之具有必要的刚度。
(3)骨架支承膜结构，膜材绷紧在刚性骨架上，刚性骨架是屋盖的主要承重结构，作为覆盖材料的膜材则是局部范围内的承重单元。
(4)索弯顶，国外近几年来用得较多的“索弯顶”(cable dome) ,实际上是空间双层索系与覆面膜材的联合运用，形成一种高效的大跨度轻型屋盖结构形式，它是一种特殊形式的索一膜结构。结构型式有:张拉弯顶结构，张拉整体索弯顶结构。
1.3 常用膜材
目前业界比较常用的膜材也是pvc和ptfe这两种织物类膜材。其中，pvc膜材是***早得到应用的，但由于pvc涂层中含有的增塑剂极易向表层迁移，而当该种物质与灰尘或其他污染物粘在一起时，很难用一般清洁剂除去，因此相对于ptfe膜材，pvc膜材的自洁性要差一些。而且pvc膜材的强度特性也比ptfe膜材稍差，因此pvc类膜材多用于临时性结构上。后来出现了pvdf(聚偏二氟乙烯)膜材，这种膜材就是为了改善pvc膜材的自洁性而在其表面涂敷了pvdf涂层。再加上这类膜材具有易加工，价格便宜的优点，因此现在国内的常见临时性膜结构大多采用的是pvdf膜材。另外改变pvc膜材自洁性的做法还有在pvc表面粘贴含氟薄膜(如pvf)。这些方法都能改善pvc膜材料的自洁性，特别是在表面粘贴pvf薄膜(氟化乙烯)能大大改善膜材料的自洁性及抗老化性。
由于我国国家游泳中心所使用的膜材是etfe膜材，即乙烯一四氟乙烯共聚物。因此，这种膜材也就更多地进入人们的视线中。etfe( ethylene tetra fluoro ethylene)是一种含氟高分子(fluoropolymer)热塑型( thermoplastic)材料。该种膜材与上述两种膜材的区别之一是etfe不属于织物类膜材，而且etfe膜材的厚度通常小于0.20mm 。
由于常被做成两层或三层的气垫式，且需要充气及控制设备，etfe工程的造价折人民币达2 400元/m2 ～3 000元/m2。但由于etfe膜材非常轻，支承结构及基础工程的造价可以大大地节省。就整个项目而言，利用etfe气垫作屋盖比较于利用传统透明材料如玻璃等，其投资节省可达40%一50% 。
国际上***早的etfe工程已有20余年的历史—1983年，由foiltec公司建造的荷兰amhiem公园里的一座建筑。而***著名的etfe膜结构建筑要数2001年3月对游人开放的英国伊甸园了。其建筑物覆盖的面积有2hm2之广，原先预计一年可达75万参观人次，结果才开幕8个月，参观人次就已经超过预期的两倍。新颖奇特的建筑造型以及其所采用etfe膜材所特有的美丽及迷幻与高科技共同打造了它的成功。
1.4 膜结构的性能特点
由于高性能膜材的出现和计算机技术的飞速发展，使膜结构建筑具有明显的特点:
(1)艺术、美观： 膜结构以造型学、色彩学为依托，可结合自然及民族风情创意出曲线和造型，且造型优美、风格各异、飘逸自然，膜结构建筑溶技术、艺术、自然美于一体，每一座膜结构建筑都是一道亮丽的风景线，被誉为21世纪***有代表性与充满前途的建筑形式。
(2)透光、节能、环保、杭紫外线： 膜材具有优良的透光性，透光率为20%-95%，白天可以得到自然的漫射日光，节约大量照明能源，另外膜材具有反射光热作用，可以节省部分作用于空调的能源。
(3)耐候性好，使用寿命长： 常用膜材以涂层聚脂织物纤维为主要材料，表面加上100%pvdp、涂层，物理性能可靠稳定，确保其使用寿命在20年以上。
(4)自重轻、抗震性能佳： 膜材料自重仅为钢结构1/8,混凝土的1/40，可以建成大跨度的建筑。膜结构的预应力使其建筑膜材尺寸持久稳定，能够抵抗狂风、大雪、地震等。
(5)防火、防潮、自洁： 膜材料表面经防护涂层处理后，不吸水、不受潮、抗磨损，防火阻燃，且落在膜材表面的灰尘可以靠雨水的自然冲洗达到自洁效果。
(6)大跨度一无柱大空间： 膜结构从根本上克服传统结构在大跨度(无支撑)建筑上实现所遇到的困难，可建造出巨大、明亮、无遮挡的可视大空间。
(7)经济性： 对于同等大小的建筑，如果采用膜结构，其成本只相当于传统建筑的1/2或更小，特别是在建筑短期应用的大跨度建筑时更为合算。膜结构的主要制作在工厂完成，现场组装工作量少，建筑工期为一般传统建筑工期的30%，大大缩短建造的时间，而且膜结构能够拆卸，易于搬迁。
2、膜结构的设计现状
2. 1 膜结构的设计过程
由于索、膜等主要受力构件均为柔性材料，必须施加预应力，才能决定索膜结构不同的形状。因此，索膜建筑的设计，就是要把建筑功能、内外环境的协调、找形和结构传力体系分析、材料的选择与剪裁等集为一体，并借助于计算机的图形和多媒体技术进行统筹规划与方案设计，再用结构找形、体系内力分析与剪裁的软件，完成索与膜的下料与零件的加工图纸。设计一般分为三个步骤找出一个初始平衡形状(form-finding即找形);各种荷载组合下的力学分析以保证安全(analysis);裁剪制作(pat-teming) 。需要解决的主要问题有:保证膜面有足够的曲率，以获得较大的刚度和美学效果;细化支承结构，以充分表达透明的空间和轻巧的形状;简化膜与支承结构间的连接节点，降低现场施工量。
(1)找形设计是索膜结构设计的重点和难点。所谓找形，就是根据膜材的特点和建筑师的要求，找出***合理的空间形体。目前比较流行的找形方法有，力密度法、动力松弛法和非线性有限元法。
(2)受力分析薄膜结构的受力分析一般是应用有限单元法计算结构在雪荷载、自重等外部荷载的作用下的反应。计算时要考虑几何非线性，可以忽略材料的物理非线性，用newton- raphson法来求解。在静力分析过程中，如果单元出现压应力，解决的办法一般是忽略该单元在结构分析中的作用，但是必须保证刚度矩阵不奇异，以便求解的顺利进行。
与传统结构相比，薄膜结构的自重较小，柔度很大，自振频率很低，因此其静力和地震作用不起主导作用。而在风荷载的作用下结构极易产生风振现象，使膜材撕裂破坏。因此，薄膜结构在风载下的动力特性是目前理论和试验研究中的难点和热点之一。
结构荷载分析的另一个目的是确定索、膜中初始顶张力的变化。在外荷载的作用下，薄膜中一个方向的应力增加，而另一个方向的应力减少。这就要求所施加的顶张应力，一方面要在外载的作用下膜中的应力不至于减少到零，出现褶皱;另一方面在***不利荷载作用下，也不可以使膜材中的应力过大，使强度储备过小。因此，初始顶应力的确定要通过荷载计算来完成。同时还要考虑施工过程中产生的附加应力。
(3)剪裁分析经过找形分析得到的膜结构几何外形通常为三维的不可展曲面，且呈空间曲面形状的薄膜结构***终要由平面膜材来拼接;而工厂生产的膜材幅宽有限，无法也不可能用一块薄膜材料形成膜结构的整个表面。因此薄膜结构的剪裁分析，就是将三维的薄膜结构尽可能精确地展开为平面膜材，·并且确定其剪裁线的问题。
剪裁分析的结果要求:平面膜材拼接为曲面时，浪费的膜材料***少;拼接后形成的曲面同找形分析得到的初始曲面相吻合，而且顶应力的偏差要小。这是薄膜切割加工时必须解决的问题。
2.2 膜结构设计中存在的问题
现在膜结构的设计有许多方法，但缺乏一套系统的理论，仍存在许多问题需要解决和研究。比如膜建筑的隔振问题、内部环境问题、屋顶膜材的融雪问题、隔热问题、积灰问题等，还有应将现在的计算理论与计算机相结合并开发相应的软件，研究索膜结构的风振响应，解决索膜结构在设计和施工过程中出现的问题。
裁剪分析过程中，必须选定合适的裁剪式样并精确确定连接坐标，把膜材由空间的预应力状态还原为平面的无应力状态。而一般情况下这时所对应的结构的整体刚度趋于零。据此建立的非线性方程组将变为奇异方程组，这样得到的解可能是病态的。所以如何把膜材由预应力状态还原为无应力状态是进行膜结构裁剪分析中的关键技术，但这个问题至今还未得到很好的解决。
由于裁剪分析与膜结构的形状、大小、曲率、材料性能等诸多因素有关，使得目前各种裁剪方法的应用均受到一定程度的限制。
到目前为止以有限元法为进、***普遍被采用的裁减分析方法，计算理论都是以平面膜单元作为膜结构的计算模型。该方法是从刚性板壳大变形理论移植过来的。膜结构作为只能抗拉的软壳体是不适宜采用这种平面单元的，其缺点是需要过多的平面内位移来满足平衡的要求，而实际情况是只需要一定的平面外和平面内的位移及曲率变化就可以了。其后果就是在后面要进行的内力计算时，代人真实材料常数后，由于前面找形得到的极小曲面与实际可能存在的膜结构形状的差距在视觉上可能不大，但对计算来说却是不能忽视的，因此计算很容易发散或出现皱褶。这也是其他方法的共同缺点，往往把这一连贯的过程区分成理想化的找形和实际验算两个阶段，也就不能保证找出的形状都能用真实的膜材建成等应力极小曲面。膜结构现有分析方法所遇到的这些困难，其主要原因是有限元法对有限元网格的依赖性，它们基本上都是由于有限元网格的存在而产生的。消除了网格也就避免了这些困难。因此，如何把无网格法引入膜结构的分析中是一个值得研究的课题。
2.3 膜结构的施工过程及存在的问题
在膜结构中，膜材预张力是确保结构稳定与安全的一个重要因素。在施工现场为了得到设计的平衡状态和形状，在张拉膜片的过程中，必须把设计预定的膜张力精确地施加到膜材中。这就要求施工人员能随时测量、调整膜张力，避免出现应力松弛区域和应力集中区域，避免张力过大引起膜材撕裂。
另外，膜结构中膜材的一个特性是其张力会随时间发生松弛。如果膜材发生松弛，就会导致膜面下垂，在风荷载作用下发生抖颤。当这种情况发生时，需要测量膜材中的实际应力，以确定松弛造成的膜张力减退，再根据测量结果施加、调整膜张力。第一个现代膜结构建成至今已有好几十年了，因此大量已建成的膜结构需要定期进行膜张力松弛检测。
***早依靠有经验的工人或工程师凭感觉来测量薄膜预张力，国内有一些膜结构公司可能还在采用这一方法。为了使膜结构成为一种现代技术，有必要定量地评侧薄膜预张力。为此，日本、美国等国家的一些膜结构公司，相继提出了各种膜张力测量方法，研制了一些膜张力测量装置。
2.4 膜结构尚待进一步研究的方面
膜结构还需要在以下方面进行研究:
(1)如果剪裁不准确，会造成膜结构的曲面不平整，从而影响受力性能，所以膜结构的剪裁设计和分析方法迄今仍然是需要深入研究的重要问题。
(2)膜材经、纬两个方向的力学性能确实有一定差别，在膜结构分析中应考虑其正交异性特点。
(3)膜结构自振频率较低，是风敏感性结构，因而研究这类体系在风作用下的反应是膜结构设计中的重要问题。膜结构问题国内外研究尚少，在许多方面基本上是空白，因而还需做大量的研究工作。
(4)将现在的分析理论与计算机图形学相结合，对索膜结构进行从初始形态确定、受力和裁剪的全过程跟踪分析，并开发相应的计算软件。
(5)解决索膜结构在设计和施工过程中出现的问题，为索膜结构的应用和发展提供理论依据。
3、膜结构的应用前景
膜结构造型新颖、重量轻，具有广阔的发展前景，同时现在世界各国在大力提倡建设绿色建筑，这将膜结构带入了第二个“春天”。因为膜结构的张力很强，在较大的距离内都不需要钢铁的支撑，所以这就能节省很多材料。现在研制了一种绝热的内衬，叫做透明隔热层。将这个隔热层置于布中，就能达到很好的保温效果，只要能将保温工作做好，那么用来烧暖气的燃料自然就减少了，这也就达到了节能的要求。
展望索膜结构的应用前景是十分令人鼓舞的，其作为21世纪***具前途的建筑结构型式之一，不仅可作为标志性的建筑场馆，同时也可以广泛应用于工农业生产和日常生活中，为创造和改善人类的生活环境发挥其应有的潜力。
4 结语
膜结构造型新颖、重量轻，比其他结构形式更容易实现大跨度、无遮拦的空间，但同时它属于柔性结构，受风、雨、雪等外荷载的影响比较大，变形大，采取更合理的施工手段变得越来越重要。另外，如何保证结构的***终成形与设计相一致，除了在设计时更仔细，各部门配合更一致外，还要有一定的检测手段来保证。造型轻盈别致、抗震及其他力学性能优越以及具有绿色环保等优点的膜结构在洗尽铅华，真实还原被人们放大或者缩小了的优缺点之后，一定会迎来属于它自己的一片天空。
广州展筑膜结构工程有限公司
许先生
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