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膜結構的由來|膜結構相關建筑
2019-10-10 13:30:40 評論：2 點擊：560
膜結構的由來|膜結構相關建筑
新中國成立七十年來，我國的建設事業取得了輝煌的成就。結構設計作為建設事業有力保障之一，為建設事業的發展做出了巨大的貢獻。為了更好地回顧和總結結構設計相關工程技術、實踐經驗、科研成果和標準制定，值新中國成立七十周年之際，《建筑結構》雜志社特約國內知名專家，就建筑裝配化、空間結構、超高層建筑結構、膜結構、結構設計創新與實踐、消能減震技術等方面的發展進行了回顧與展望，以饗讀者。
回顧過去20年來膜結構在我國的發展歷史，列舉了膜結構在不同類別建筑物中的工程應用情況，如商業和辦公建筑、文化和展覽建筑、機場和車站建筑、體育場館等，并選取各類建筑中的典型膜結構工程實例作了介紹和說明，最后從膜材料領域、支承結構體系、多功能膜結構、氣承和充氣膜結構以及膜結構的研究、檢測和監測、修復和更換等角度分析和展望了膜結構在我國的進一步發展前景。
膜結構在國外的最早設想和專利是1917年英國Willian Lanchester應用于野戰醫院的充氣帳篷，但直到1946年美國Walter Bird才首次建造了直徑15m的充氣穹頂。1967年德國F.Otto設計的蒙特利爾展覽會西德館索膜支承膜片結構開啟了現代膜結構技術的應用和發展，在此之后，膜結構開始在西方發達國家開始得到較為廣泛的應用。
膜結構在我國的應用始于1996年前后。在此之前，只有極少量采用織物材料的由熟練工人或裁剪師傅制作和安裝的小品膜結構建筑。1996年，上海陸家嘴中央綠地公園建成了一個膜結構小品（圖1，圖名括號中為建造時間），這一小品出現在很多宣傳浦東開放的印刷宣傳品上，自此膜結構這一采用特殊織物材料的建筑類型才引起公眾和建筑結構專業人士的關注。
2000年后，膜結構在我國各類體育、展覽、文化等建筑中開始得到非常迅速的發展和應用，這一發展勢頭一直持續至今。目前，幾乎所有的建筑師和工程師對膜材料的類型、性能和膜結構的特點都有了較深入的了解。過去二十年中，發展出了數百家膜結構專業制作和安裝企業；近十年來，膜結構材料生產企業也異軍突起、成長迅速；地方和團體膜結構技術標準也已陸續頒布實施；國內自主研發的膜結構設計專業軟件也日漸成熟，獲得了廣泛應用。
小品膜結構和功能性膜結構建筑幾乎遍布大江南北，街頭或公園雕塑、遮雨棚、露天車庫棚、門廊、收費站、加油站等膜結構隨處可見，圖5為一些這類建筑的圖片。
北京首都國際機場T3航站樓收費站的膜結構建筑（圖6）建于2007~2008年，建筑面積3500m2，采用ETFE和PTFE膜材交錯布置，展開面積3385m2。支承結構體系類似于懸索橋，兩端由兩個梭形桅桿作為橋塔，跨度166m。前后為邊環索，每根桅桿頂部交叉下拉7根吊索與前后邊索相連，膜頂中間設置谷索，谷索與邊環索之間由聯系索聯結，每根桅桿頂部有兩根下拉索與外側的錨座節點相連保持平衡。
圖7為2012年建成的天津金地紫樂商業廣場屋蓋。膜結構支承結構為單層網殼體結構，網殼縱橫向均由工字形鋼焊接而成，網殼平面呈不規則多邊長方形，長向約110m，短向約60m，整個網殼由5根Y形支撐鋼柱與7根鋼柱支撐于二層或三層屋面上。網殼上面沿短向用φ60鋼管或12mm厚鋼板焊成支撐膜或連接膜用的二次鋼結構，膜面直接覆蓋在二次鋼結構桿件上，以網殼結構體作為膜結構支承體系，膜通過二次鋼結構連接于主體鋼結構上，為典型網架骨架式索膜結構體系。整個膜面有7個結構單元，各個單元單獨受力、自成體系。
文化和展覽建筑是膜結構的一個重要應用領域。表2列出了若干較大面積的這類膜結構應用實例。
為2001~2002年建設完成的位于鄭州市中心城區的鄭州雜技館，是國內第一個膜結構建筑形式的雜技館。其主體建筑面積3525m2，膜體投影面積3125m2，主體用鋼量120t。平面呈近似圓形，圓半徑為33m，在膜頂90m2范圍內，造型出五峰突兀。膜結構為全覆蓋全封閉形式，設有組織排水、隱蔽排水構造。膜體支承體系為全格構式相貫線焊接柱、梁組成，共有11根柱，11根縱向梁，在11根縱向梁上部增設膜脊梁頂升構造（當膜體后期松弛時，可滿足二次張拉），由2圈環梁、1個頂部平臺、膜體張拉系統組成，同時配置相應的工作通道、吊掛系統。工程采用PVC膜材，膜屋面展開面積3660m2，全部在工廠加工成一個整膜體，到現場整體吊裝。
為2001~2003年建設完成的南寧國際會議會展中心，建筑面積11萬m2。膜結構支承體系為凈高48m的鋼結構穹頂，上部外徑約為21m，內徑約為13m；下部外徑約為72m，內徑約為54m。采用PTFE膜材，外膜展開面積約9650m2，內膜展開面積約3900m2。該項目是中國自行建造的第一個PTFE膜項目。
膜結構建造起止時間為2010~2012年，建筑面積22000m2，PTFE膜材展開面積為15043 m2。主體膜結構部分南北長約120m，劃分為36個脊谷式膜結構單元；東西方向寬約54.5m，屋蓋頂面、東立面及西立面均由鋼索（脊索、谷索或外拉索）和剛性構件（脊梁或下拉桿）圍成一系列的手風琴式褶皺，局部采用雙層膜材。
膜結構在國內應用最為廣泛的領域是體育場。國內第一個建成的體育場結構是1996年的上海八萬人體育場（圖2），由境外企業制作安裝。其后，膜結構在體育場建筑中得到了非常廣泛的應用。表4給出了國內建成的大部分膜結構體育場工程。以下介紹一些不同時期建成的典型體育場膜結構。
圖12所示的國家體育場鳥巢膜結構[11-12]建造起止時間為2006~2008年。建筑面積25.8萬m2。屋蓋結構的平面投影為橢圓形，長軸333m，短軸290m。體育場屋面膜結構可分為屋面圍護膜，聲學吊頂膜。其中屋面圍護膜結構采用單層ETFE膜材，約42000 m2，聲學吊頂膜采用單層PTFE膜材，約53000 m2。
盤錦體育場（圖13）建造起止時間為2012~2013年，建筑面積60570m2，PTFE膜材展開面積26000m2。體育場采用橢圓形馬鞍面布置，由X形內外柱、三角形環桁架組成的鋼結構提供外圍支撐，由內環索、148根交叉形徑向吊索、72根徑向脊索、72根徑向谷索、膜邊索和PTFE膜材構成整體張拉式索膜結構屋面；篷蓋出挑距離東西看臺最大42m、南北看臺最大30m。環索為傾斜的馬鞍形。
上海閘北網球館膜結構(圖14)建造起止時間為2002~2003年，建筑面積2000 m2，PVC膜材展開面積2750 m2。閘北網球館由網球場索膜結構和附屬的框架組成，網球場平面尺寸38m×38m，附屬框架長38m、寬7m（雙層），網球館支承結構為空間鋼管桁架，屋面和兩側墻部分采用膜作為圍護材料，其余部分為金屬墻面。
膜結構建造起止時間為2005~2006年，建筑面積31520m2，PVC膜材展開面積45000m2。游泳館屋面投影面積約15000m2，呈類筒殼形,長210m,寬88.8m,鋼拱矢高13.08m。鋼拱交叉布置。應建筑效果要求，鋼拱外露，拱之間覆蓋PVC膜片，膜面由谷索下壓形成凹凸有致的折板形狀。由于佛山地處華南，夏季氣溫很高，為減小能耗采用了雙層PVC膜，兩層膜之間氣囊厚度400~600mm。為滿足室內游泳比賽的音響效果，在雙層PVC下還設置了一層PTFE吸音膜，故整個膜屋面一共有3層膜。
膜結構建造起止時間為2010~2012年，建筑面積37000 m2，PTFE+PVC膜材展開面積8150 m2。屋面支承結構體系為索穹頂，平面投影為圓形，直徑71.2m，采用Geiger型索穹頂。外環為鋼結構周邊鋼桁架，放射狀的脊索從中心鋼環拉向周邊桁架的高點，將穹頂劃分為20個單元。在每兩道脊索中間設置一道谷索，谷索靠近環梁處增設兩道分叉索。從而將膜單元分隔成兩個區域：由脊索、谷索、分叉索、內環組成的梯形區域，采用PTFE外膜；由分叉索，后谷索、環梁組成外三角區域，采用ETFE膜材。
南通體育場是國內首個采用移動屋面的多功能膜結構建筑。自此之后，多功能移動屋面膜結構建筑逐漸得到了較多的應用。表6列出了已經建成的若干這類膜建筑，并詳細介紹兩個典型的移動屋面膜結構建筑。
上海旗忠森林體育城網球中心（簡稱旗忠網球中心，圖17）的膜結構建造時間為2005年。屋蓋投影面積約1.6萬m2。網球場屋頂鋼結構由兩部分組成：下部是W形大直徑鋼管焊接而成的桁架結構形式的環梁，環梁總共有3道，每道環梁使用的主管直徑為φ914，重約2000t；上部由8片花瓣狀的屋蓋組成，每片為呈網狀形的空間桁架結構，重約200t，8片屋蓋可由驅動裝置同時開啟和關閉，開啟一次大約需要7min 30s。屋蓋外屋面為金屬屋面，內部部分采用內膜覆蓋。內外膜膜材均為PEFE材料。根據鋼管所劃分成的網狀結構，內膜每個花瓣劃分為69塊，形狀面積均不同。整個屋蓋共計552塊膜。
紹興縣體育中心體育場（圖18）的膜結構建造起止時間為2011~2013年。建筑面積為77640 m2。體育場開合屋蓋由兩個單元塊組成，開啟面積12350 m2，為國內目前開合面積最大的活動屋蓋。鋼結構主要包含固定屋蓋、活動屋蓋和膜結構鋼骨架，體育場固定屋蓋投影接近橢圓形，長軸方向長度為267m,短軸方向長度為206m，屋蓋外邊緣為四心圓。活動屋蓋采用平面桁架結構，沿跨度方向共設置14道主桁架。除固定屋蓋、活動屋蓋采用PTFE膜材外，圍繞墻面設置的外裝飾菱形框架也采用了PTFE膜材包裹，PTFE膜材展開面積為10萬m2。
1985年上海建成了最早的一個充氣膜結構，1995年北京建成兩個充氣膜結構。但這幾個膜結構尺度較小，采用的膜材也不是具有較好耐久性能和力學性能的現代涂層復合膜材料，所以短期運行后，屋面膜材都被拆除或被其他材料替換了。表7列出了2007~2013年國內較早建成的一些充氣和氣承式膜結構工程實例。
北京航空航天大學充氣囊體活動式試驗支持系統工程（簡稱北航實驗室）是較具代表性的氣承式膜結構（圖19），膜結構建造時間為2010年，位于河北省秦皇島市昌黎漁島，北臨著名旅游景點“世界滑沙中心”，是專為發展中國航空事業而修建的超大型飛行試驗基地。建筑面積3300 m2，采用國產PVC膜材，膜材展開面積（包括氣囊）為28000 m2。結構體系由兩大部分組成：試驗用主球體和通道。二者結構體系相同，均為高壓氣囊和低壓氣承式組合充氣膜結構，其中高壓氣囊為直徑達1.5~3m的弧形圓柱曲面，內壓高達到10kPa，為整個膜面提供骨架支撐作用；低壓氣承式充氣膜為一單層膜面，內壓僅為300Pa，起形成和維持膜面形態，二者相互作用共同受外部荷載作用。
國內主辦的各類國際會展活動中，很多建筑物均采用了膜結構（表8）。其中，上海2010年世博會世博軸膜結構是難度和規模最大的膜結構工程。
上海世博會世博軸膜結構的方案概念設計是德國SBA 事務所，其膜結構設計、檢測驗收嚴格遵循國家和地方膜結構標準。針對這一工程，同濟大學進行了包括結構體系、材料、節點、連接件等系列的理論和試驗研究，確保了工程的順利建設和安全運行。這一項目的成功建成標志了中國膜結構技術達到了國際先進水平。
上海世博會中，日本館（圖20）無疑是最有意義的膜結構，它采用輕鋼框架支承的雙層ETFE氣枕 ，高約24m，建筑面積約6000m。在國際上首次在ETFE氣枕中集成了非晶太陽能電池，其發電能力為20~30 kW。ETFE薄膜上涂有Ti02光催化涂層并附著柔性光伏太陽能薄膜。
在1996~2005年的早期膜結構應用中，PVC膜材因為其相對低廉的價格和易于安裝的特點占了絕對多數，唯一的例外是外方公司Birdair,Inc.設計和施工的上海八萬人體育場。但是，早期PVC材料無論其自潔性能還是耐久性能均不盡人意，在應用10年左右后，大部分PVC膜結構均呈現較差的表現：膜面臟污、泛黃、破損等。相比較而言，上海八萬人體育場膜面給人的感覺都是隨使用期的延長約來越白、越來越整潔。所以，近十多年以來，業主和建筑師越來越青睞PTFE膜材。
近幾年，國內企業已經成功研發和生產了PVC和PTFE膜材，隨著國產材料的應用，進口膜材特別是PTFE膜材的價格也得到了有效的抑制。相信隨著工程應用的增多和技術的積累和發展，我國國產膜材質量會很快趕上發達國家膜材。
自北京2008奧運會游泳館“水立方”采用ETFT氣枕后，ETFT材料日益獲得了建筑師的興趣和關注。ETFE材料雖然非涂層織物類材料，但其具備與涂層織物膜材相類似的基本力學性能，其設計計算理論與方法與涂層織物類膜結構相同。近十多年來，ETFE氣枕膜結構在我國有較多的應用，甚至在環境氣溫為-30℃的我國北方也有應用實例。
膜材最重要的特點是材質輕，這一特點決定了其最適宜采用輕型支承結構體系。但盡管如此，早期國內大型膜結構建筑中很多仍然采用了重型鋼結構桁架體系。隨著膜結構的普及應用，也客觀上推動了我國索張拉結構體系的研究、發展和應用，這一點從表1中也可以明顯地觀察到。
移動屋蓋多功能膜結構
移動屋蓋能夠滿足建筑物多功能的要求，可以使建筑物按需要成為體育場、體育館或展覽館等。輕質覆蓋材料對于移動屋蓋建筑物的節能和提高驅動效率十分關鍵和重要，所以對移動屋蓋而言，膜材無疑是其首選覆蓋材料。從這一角度出發，也可以認為：正是因為膜材料的應用，促進了移動屋蓋建筑在我國的應用和發展。顯然，隨著膜材料技術的進一步發展和推廣應用，多功能移動屋蓋類建筑在我國還有較大的發展和應用前景。
氣承和充氣膜結構
膜材料的獨特特點是其可以由空氣來支承。近年來，集成了充氣和氣壓控制系統的充氣和氣承膜結構在我國的應用和發展十分迅速，其建造和運維成本均比較低廉，我國每年都要建成十余座跨度或長度在200m左右的氣承式膜結構，應用領域覆蓋了教育、體育、環保、發電（堆煤）等眾多領域，一些專業承擔氣承式膜結構設計制作安裝的企業也迅速崛起?？梢灶A期，氣承式膜結構在我國的發展還有很大的空間和極好的前景。
膜結構的研究、檢測和監測、修復和更換
我國膜結構的研究始于20世紀90年代后期，過去20多年，膜結構的研究從無到有，研究隊伍發展十分迅速，每年均有大量膜結構方面的論文面世。至今，我國已經頒布實施了一系列的國家團體和地方膜結構標準，很多高校、研究單位研發了成套的膜結構試驗、檢測和監測裝置和設備，在我國廣為使用的兩套膜結構專業設計軟件分別由上海交通大學和同濟大學研發并維護。整體上，我國膜結構的研究已經趕上了國際先進水平。近年來，膜結構領域尚需深入研究的問題和熱點主要有兩個：膜材料（PVC、PTFE、ETFE等）的力學性能和模型（強度、彈性模量、時變、老化等）；膜結構的風致振動機理和風荷載效應設計計算方法。前者主要依靠實驗室的模型研究，后者主要依靠膜結構現場監測工作。目前，國內已有多個大型膜結構工程安裝了健康監測系統。
早期采用PVC的大型膜結構體育場近幾年不同程度地出現了局部損壞等現象，如青島頤中體育場、安徽蕪湖體育場等；采用PTFE的上海世博會世博軸也因頻繁變更用途、進行改造，膜面也出現了較多的局部破損；也有像虹口足球場遭遇局部火災、上海八萬人體育場因冰災導致的膜面局部破壞事故等。在發展了二十多年后，膜結構的檢測、修復和更換問題已經日益重要，需要引起膜結構領域的研究者和從業者更多的關注和重視。
在過去二十多年里，建筑膜結構在我國的應用取得了爆發性增長，包含膜結構的材料、設計、制作、安裝、檢測監測等在內的全產業鏈也已發展形成。目前，我國已有數百家膜結構專業生產企業，每年會建成大量的膜結構建筑。膜結構的國產材料也從無到有，某些PVC和PTFE材料的技術水準已經接近國外材料，但這一領域相對而言仍然是我國膜結構行業的短板。與膜結構發展相伴的是我國索支承結構工程應用的迅速發展，索穹頂、輪輻式索桁架、單層索網結構已經得到了非常廣泛的應用。多功能移動屋蓋結構也伴隨著膜結構的發展取得了較多應用。
膜結構在臺風下的損毀也時常發生，許多研究者均在進行膜結構的風致振動研究，包括CFD數值模擬方法、風洞試驗、現場監測等的工作均在開展，這一領域的研究任重道遠，要取得能夠實用的確保膜結構臺風下安全的設計方法尚需許多研究者的努力。
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