膜結構雨棚膜結構遮陽棚 中山，珠海膜結構雨棚膜結構遮陽棚

PTFE膜材是在超細玻璃纖維織物上涂以聚四氟乙烯樹脂而成的材料。這種膜材有較好的焊接性能，有優(yōu)良的抗紫外線、抗老化性能和阻燃性能。另外，其防污自潔性是所有建筑膜材中的，但柔韌性差，施工較困難，成本也十分驚人。在蓋格公司下，美國的杜邦公司、康寧玻纖公司、貝爾德建筑公司、化纖織布公司共同開發(fā)性膜材。其加工方法是把玻纖織物多次快速放入特氟隆熔體中，使織物兩面皆有均勻的特氟隆涂層，使性的PTFE膜正式誕生。此后性膜結構正式在美國風行，許多學者對膜結構進行了深入的研究。張拉膜20年后跟蹤檢測結果表明，這種膜材的力學性能與化學穩(wěn)定性指標只下降了20%~30%，顏色也幾乎沒變，膜的表層光滑，具有彈性，大氣中的灰塵、化學物質微粒極難附著與滲透，經(jīng)雨水沖刷建筑膜可恢復其原有的清潔面層與透光性，這足以顯示出PTFE膜材的強大生命力和廣闊的市場前景.

由ETFE(-共聚物)生料直接制成。ETFE不僅具有優(yōu)良的抗沖擊性能、電性能、熱穩(wěn)定性和耐化學腐蝕性，而且機械強度高，加工性能好。ETFE膜材的應用在很多方面可以取代其他產(chǎn)品而表現(xiàn)出強大的優(yōu)勢和市場前景。這種膜材透光性特別好，號稱"軟玻璃"，質量輕，只有同等大小玻璃的1%;韌性好、抗拉強度高、不易被撕裂，延展性大于400%;耐候性和耐化學腐蝕性強，熔融溫度高達200℃;可有效的利用自然光，節(jié)約能源;良好的聲學性能。自清潔功能使表面不易沾污，且雨水沖刷即可帶走沾污的少量污物，清潔周期大約為5年。另外，ETFE膜可在現(xiàn)成預制成薄膜氣泡，方便施工和維修。ETFE也有不足，如外界環(huán)境容易損壞材料而造成漏氣，維

護費用高等，但是隨著大型體育館、游客場所、候機大廳等的建設，ETFE更突顯自己的優(yōu)勢。生產(chǎn)這種膜材的公司很少，只有ASIGLAS(AGC)、日本旭硝子、德國科威爾等少數(shù)幾家公司可以提供ETFE膜材，這種膜材的研發(fā)和應用在國外發(fā)達國家也不過十幾年的歷史。剛剛竣工的北京奧運會場館"鳥巢"和"水立方"膜結構采用ETFE膜材，是目前國內(nèi)的ETFE膜材結構建筑，膜材采用進口產(chǎn)品。"鳥巢"采用雙層膜結構，外層用ETFE防雨雪，內(nèi)層用PTFE達到保溫、防結露、隔音和光效的目的。"水立方"采用雙層ETFE充氣膜結構，共1437塊氣枕，每一塊都好像一個"水泡泡"，氣枕可以通過控制充氣量的多少，對遮光度和透光性進行調(diào)節(jié)，有效地利用自然光，節(jié)省能源，并且具有良好的保溫隔熱、回聲，為運動員和觀眾提供溫馨，安逸的環(huán)境。目前國內(nèi)膜結構發(fā)展振奮人心，隨著一些大型體育館、候機大廳等建設以及2010年上海世博會和廣州亞運會等國際盛會的舉辦，為中國膜結構的發(fā)展帶來了機遇和挑戰(zhàn)。尤其在膜材方面，中國起步晚，技術水平低，大部分膜材還主要依靠進口。PTFE、PVC和表面改性的PVC、ETFE等膜材是市場的主流，應用比較廣泛。中國已有PTFE膜材的自主，性能也基本達到國外同類產(chǎn)品的要求。很多公司、科研單位以及高校都在進行PVC表面涂層材料的研究，如PVDF、納米TiO2表涂劑等的研究已初見成效，另外在表面防污自潔處理方面的研究如仿生荷葉構筑微粗糙表面也開始起步。在引進*的生產(chǎn)設備和工藝技術的同時，加緊消化吸收并改進創(chuàng)新，盡快開發(fā)適合中國市場需求的膜材表面處理技術，對提升中國整個產(chǎn)業(yè)用紡織品產(chǎn)品檔次和市場競爭力都具有重要意義。

一、膜結構采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法，用分項系數(shù)的設計表達式進行計算。

二、膜結構應根據(jù)建筑物的性質和等級、使用年限、使用功能、結構跨度、防火要求、地區(qū)自然條件及膜材的耐用年限等要求進行膜材選用。

三、膜結構的設計應根據(jù)荷載、支承條件、制作加工、施工工況及其它特殊條件進行。

四、膜結構的設計內(nèi)容包括形狀設計、荷載分析、裁剪設計、配件設計、支承結構設計。

五、對膜結構的形狀設計、荷載分析、裁剪設計，應在考慮施工過程的基礎上進行一體化的設計。

六、膜材只能承受拉力，不能承受壓力和彎矩。

七、膜面的主應力應小于膜材的強度設計值，在荷載長期作用下，最小主應力應大于等于維持其初始平衡形狀的應力值。

八、膜結構一體化設計時，應考慮膜材的松弛、徐變、老化。

九、膜結構設計時，應考慮使用階段膜材替換對整體結構的影響。

十、膜結構設計應考慮膜材破壞時，支承結構仍應保持自身的強度、剛度及穩(wěn)定性。

張拉整體結構(Tensegrity)是由一組連續(xù)的拉桿和連續(xù)的或不連續(xù)的壓桿組合而成的自應力、自支撐的網(wǎng)狀桿系結構，其中「不連續(xù)的壓桿」的含義是壓桿的端部互不接觸，即一個節(jié)點上只連接一個壓桿。Tensegrity是美國建筑師 R.B.Fuller首先提出的一種結構思想，他認為的運行就是按照張拉整體的原理進行的，即萬有引力是一個平衡的張力網(wǎng)，各個星球是這個網(wǎng)中的一個個 孤立點。這種結構體系中的索網(wǎng)就相當於中的萬有引力，獨立的受壓桿件相當於中的星球。

索膜結構建筑按結構分類為

膜結構建筑形式的分類:

從結構上分可分為:骨架式膜結構，張拉式膜結構，充氣式膜結構3種形式

⒈骨架式膜結構(Frame Supported Structure)

以鋼構或是集成材構成的屋頂骨架，在其上方張拉膜材的構造形式，下部支撐結構安定性高，因屋頂造型比較單純，開口部不易受限制，且經(jīng)濟效益高等特點，廣泛適用于任何大，小規(guī)模的空間。

⒉張拉式膜結構(Tension Suspension Structure)膜結構

以膜材、鋼索及支柱構成，利用鋼索與支柱在膜材中導入張力以達安 定的形式。除了可實踐具創(chuàng)意，創(chuàng)新且美觀的造型外，也是最能展現(xiàn)膜結 構精神的構造形式. 大型跨距空間也多采用以鋼索與壓縮材構成鋼索網(wǎng)來支撐上部膜材的形式。因施工精度要求]高，結構性能強，且具豐 富的表現(xiàn)力，所以造價略高于骨架式膜結構。

⒊充氣式膜結構(Pneumatic Structure)

充氣式膜結構是將膜材固定于屋頂結構周邊，利用送風系統(tǒng)讓室內(nèi)氣壓上升到一定壓力后，使屋頂內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，以抵抗外力，因利用氣壓來支 撐，及鋼索作為輔助材，無需任何梁，柱支撐，可得更大的空間，施工快捷，經(jīng)濟效益高，但需維持進行24小時送風機運轉，在持續(xù)運行及機器維護費用的成本上較高。

現(xiàn)今，城市中已越來越多地可以見到膜結構的身影。膜結構已經(jīng)被應用到各類建筑結構中，在我們的城市中充當著不可或缺的角色:

確保生成形狀穩(wěn)定、應力分布均勻的三維平衡曲面，并能夠抵抗各種可能的荷載工況;這是一個反復修正的過程。

張拉膜結構自身重量很輕，僅為鋼結構的1/5，混凝土結構的1/40;因此膜結構對地震力有良好的適應性，而對風的作用較為敏感。此外還要考慮雪荷載和活荷載的作用。

尺寸的確定

及對支承結構的有限元分析。當支承結構的設計方法與膜結構不同時，應注意不同設計方法間的系數(shù)轉換。

包括螺栓、焊縫和次要構件尺寸。

這一過程應具備必要的試驗數(shù)據(jù)，包括所選用膜材的楊氏模量和剪裁補償值(應通過雙軸拉伸試驗確定)。

膜結構聲學設計

膜結構建筑聲學設計通常集中圍繞兩方面的聲學品質進行。，如何外部噪聲對建筑內(nèi)部的影響;第二，建筑內(nèi)部輪廓對回聲作用與混響時間影響。噪聲與回聲需要考慮的因素截然不同，但兩者必須同時考慮，井評價建筑聲環(huán)境綜合品質。

1，保證膜面有足夠的曲率，以獲得較大的剛度和美學效果;

2，細化支承結構，以充分表達透明的空間和輕巧的形狀;

3，簡化膜與支承結構間的連接節(jié)點，降低現(xiàn)場施工量。

1，預張力的大小及張拉方式;

2，根據(jù)控制荷載來確定膜片的大小和索的布置方式;

3，考慮膜面及其固定件的形狀以避免積水(雪);

4，關鍵節(jié)點的設計，以避免應力集中;

5，考慮膜材的運輸和吊裝;

6，耐久性與防火考慮。

1，找形(Form-finding)或更進一步叫"形態(tài)理論";

2，考慮膜材松弛和各向異性下的結構響應;

3，結構在風荷載作用下的動力穩(wěn)定性;

4，裁剪優(yōu)化;

5，膜與索及支承結構間的相互作用。

膜結構是建筑結構中發(fā)展起來的一種形式，它以性能優(yōu)良的織物為材料，或是向膜內(nèi)充氣，由空氣壓力支撐膜面，或是利用柔性鋼索或剛性支撐結構將面繃緊，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結構體系。膜結構已成為結構設計選型中的一個主要方案。成為化纖紡織品應用的一個重要領域。在中國建筑 結構中也有長足的進展。大阪萬國博覽會中的美國館采用了氣承式空氣 膜結構。這個擬橢圓形、軸線尺寸為 140m×83.5m的展覽館是上個大跨度的 膜結構，而且是采用了聚氯乙烯(PVC)涂層的玻璃纖維織物。作為一種真正的現(xiàn)代工程結構，大阪萬國博覽會的展覽館標志著 膜結構時代的開始。自此以后， 膜結構在范圍內(nèi)得到了迅猛的發(fā)展。從跨度來說，美國龐提亞克的"銀色穹頂"氣承式空氣 膜結構的平面有234.9m×183m，開始采用聚四氟乙烯(PTFE)涂層的玻璃纖維織物，類似的大型體育館在北美就建了九座。從面積來說，沙特拉伯吉大機場候機大廳的懸掛膜結構占地42萬m2。作為 膜結構一種新形式，索穹頂于1988年首先用在漢城奧運會的體操館與擊劍館，其后又在一些體育建筑中得到推廣。千年穹頂以其獨特的 膜結構，顯示了當今建筑技術與材料科學的發(fā)展水平。目前國內(nèi)有好多廠家都能生產(chǎn)有PVC涂層聚酯織物，但其性能尚未能完全達到建筑織物的要求，作為建筑用的性材料尚需進一步提高。據(jù)悉有些公司正在試制有PVDF面層的聚酯織物和PTFE玻璃纖維織物，外觀與性能都大有改進。近一段時間來，國外媒體表現(xiàn)出了對中國建筑設計的關注。2005年12月23日的美國《商業(yè)周刊》評選出了中國新建筑奇跡，包括北京奧體主會場、國家游泳中心、北京首都國際機場、上海金融中心、國家大劇院、中央電視臺、上海崇明東灘生態(tài)城、當代MOMA、長城腳下的公社、東海大橋(上海)。其中地處北京的建筑就有七家之多。"中國正逐步成為當今有創(chuàng)意性建筑和工程設計的舞臺。"中國建筑事業(yè)的發(fā)展，正在為今日最建筑及工藝技術創(chuàng)造一個舞臺。報道首先分析了中國新建筑崛起的經(jīng)濟原因和外部環(huán)境。文章說，當矚目北京2008年奧運會時，不單是上最快以及實力的運動員們正在為爭取榮譽而加緊努力，新一代的創(chuàng)新建筑也正在北京的土地上拔地而起。由于蒸蒸日上的經(jīng)濟的強大支持，上的航空港、有節(jié)能環(huán)保的建筑及上的室外觀光臺等將很快一一落戶中國。文章列舉評選結果說，2008年以前完工的國家游泳中心(水立方)、國家體育場(鳥巢)、國家大劇院等中國公眾十分熟悉的場館更理所當然地進入了""之列。從對它們的評價與介紹中可以看到評選者對追求環(huán)保、自然的推崇。比如被稱為"水立方"的國家游泳中心，是節(jié)能環(huán)保型的建筑。游泳池內(nèi)的水將由太陽能加熱，泳池的雙重過濾裝置可實現(xiàn)水的再利用，就連多余的雨水也將被收集和儲存在地下的水池中。復雜的工程系統(tǒng)和彎曲的鋼結構使得外部結構像一個泡沫，這種獨特的結構設計使得"水立方"幾乎經(jīng)得起任何地震的。文章介紹"鳥巢"時寫道，為讓北京奧運會主會場這個有著91000個座位的、可能是至今的環(huán)保型體育場獲得自然通風，建筑師從自然中獲得了靈感，了一個未完全密封，但同樣能為觀眾和運動員遮風擋雨的外殼。體育場的外觀猶如一個由枝條編織而成的鳥巢;而其內(nèi)部，從休息室到飯店，每一個分開的空間都是一個獨立的單元，從而使自然空氣的流通成為可能。文章指出，作為全國流行色彩的城市，北京吸引了很多建筑大師成就事業(yè)。入選的北京"長城腳下的公社"，是由12名亞洲杰出建筑師設計建造的當代建筑藝術作品。北京"當代MOMA"的設計表明了環(huán)保創(chuàng)新技術在住宅中應用和它所代表的建筑發(fā)展新趨勢,堪稱大型可持續(xù)發(fā)展住宅建筑的。它采用上的地源熱泵系統(tǒng)，將用來幫助這個由第20層的咖啡館、干洗店等系列服務設施連接起來的8幢建筑組成的小區(qū)，采用最為節(jié)能的方式保持恒濕恒溫，這是這座建筑的一大亮點。住宅單元還有一大亮點，就是可再利用廢水，將廚房和洗臉盆的廢水過濾，衛(wèi)生間循環(huán)利用。

20 世紀 60 年代隨著現(xiàn)代柔性建筑材料的發(fā)展，建筑師們從帳篷著一最古老的簡單建筑結構出發(fā)，構造出了魔幻般的形式--膜結構。它可以構成單曲面，多曲面等不同建筑結構形式，滿足了建筑師們對建筑與美學高度統(tǒng)一的要求。

柔性材料具有透光和功能，在一些室外建筑和環(huán)境小品中得到廣泛的應用。正是由于這一特征，夜間的燈光設計使膜結構具有鮮明的環(huán)境標志特征。

優(yōu)美造型的膜材，不銹鋼配件和緊固件加上設計輕巧合理，表面處理嚴格的鋼結構支撐，塑造出形式美觀，設計合理的膜結構，在當今范圍內(nèi)的建筑環(huán)境設計中占有舉足輕重的地位。

隨著建筑空間觀念的日益深化以及科學手段的不斷提高，"回歸自然"、"沐浴自然之溫馨"已是現(xiàn)代建筑環(huán)境學發(fā)展的主流。室內(nèi)外的視線越來越模糊，出現(xiàn)了許多亦內(nèi)亦外、相互滲透的不定空間，如:大廳裝飾、天井、四季廳、動植物園、公園廣場、觀景臺、舞臺、體育場館、體育看臺、文化娛樂場所等。由于膜材的光透性，白天陽光可以透過膜材形成慢射光，使膜覆蓋空間內(nèi)達到和室外幾乎一樣的自然效果，因此膜結構能創(chuàng)造出與自然環(huán)境相媲美的空間形式。

索膜結構作為一種建筑體系所具有的特性主要取決于其獨特的形態(tài)及膜材本身的性能。恰由于此，用膜結構可以創(chuàng)造出傳統(tǒng)建筑體系無法實現(xiàn)的設計方案。

⒈輕質:張力結構自重小的原因在于它依靠預應力形態(tài)而非材料來保持結構的穩(wěn)定性。從而使其自重比傳統(tǒng)建筑結構的小得多，但卻具有良好的穩(wěn)定性，建筑師可以利用其輕質大跨的特點設計和組織結構細部構件，將其輕盈和穩(wěn)定的結構特性有機地統(tǒng)一起來。

⒉透光性:透光性是現(xiàn)代膜結構最被廣泛認可的特性之一。膜材的透光性可以為建筑提供所需的照度，這對于建筑節(jié)能十分重要。對于一些要求光照多且亮度高的商業(yè)建筑等尤為重要。通過自然采光與人工采光的綜合利用，膜材透光性可為建筑設計提供更大的美學創(chuàng)作空間。夜晚，透光性將膜結構變成了光的雕塑。

膜材透光性是由它的基層纖維、涂層及其顏色所決定的。標準膜材的光譜透射比在10%~20%之間，有的膜材的光譜透射比可以達到40%，而有的膜材則是不透光的。膜材的透光性及對光色的選擇可以通過涂層的顏色或是面層顏色來調(diào)節(jié)。

通過膜材和透光保溫材料的適當組合，可以使含保溫層的多層膜具有透光性。即使光譜透射只有幾個百分點，膜屋面對于人眼來說依然是發(fā)亮和透光的，具有輕型屋面的觀感。

⒊柔性:張拉膜結構不是剛性的，其在風荷載或雪荷載的作用下會產(chǎn)生變形。膜結構通過變形來適應外荷載，在此過程中荷載作用方向上的膜面曲率半徑會減小，直至能更有效抵抗該荷載。

張拉結構的靈活性使其可以產(chǎn)生很大的位移而不發(fā)生性變形。膜材的彈性性能和預應力水平?jīng)Q定了膜結構的變形和反應。適應自然的柔性特點可以激發(fā)人們的建筑設計靈感。

不同的膜材的柔性程序也不相同，有的膜材柔韌性，不會因折疊而產(chǎn)生脆裂或是破損，這樣的材料是有效實現(xiàn)可移動、可展開結構的基礎和前提。

⒋雕塑感:張拉膜結構的獨特曲面外形使其具有強烈的雕塑感。膜面通過張力達到自平衡。負高斯膜面高低起伏具有的平衡感使體型較大的結構看上去像擺脫了重力的束縛般輕盈地飄浮于天地之間。無論室內(nèi)還是室外這種雕塑般的質感都令人激動。

張拉膜結構可使建筑師設計出各種張力自平衡、復雜且生動的空間形式。在內(nèi)隨著光線的變化，雕塑般的膜結構通過光與影而呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。日出和日落時，低入射角度的光線將突現(xiàn)屋頂?shù)那屎透〉裥Ч?，太陽位于遠地點時，膜結構的流線型邊界在地面上投入彎彎曲曲的影子。利用膜材的透光性和反射性，經(jīng)過設計的人工燈光也可使膜結構成為光的雕塑。

⒌安全性:按照現(xiàn)有的各國規(guī)范和指南設計的的輕型張拉膜結構具有足夠的安全性。輕型結構在地震等水平荷載作用下能保持很好的穩(wěn)定性。

由于輕型結構自重較輕，即使發(fā)生意外坍塌，其危險性也較傳統(tǒng)建筑結構小。膜結構發(fā)生撕裂時，若結構布置能保證桅桿、梁等剛性支承構件不發(fā)生坍塌，其危險性會更小。

膜結構的柔性使其在任一荷載作用下均以最有利的形態(tài)承載。當然，結構的布置和形狀要根據(jù)荷載情況來進行設計和調(diào)整。設計要確何膜面與其輔助結構協(xié)調(diào)工作，以避免力在膜面或輔助結構上集中而達結構破壞的臨界值。