索膜结构及其施工技术
作者：王世江
索膜结构是目前发展很快的一种新型空间结构，是一种效率极高的张力集成体系，可以充分发挥钢索的强度与张拉整体结构的空间作用。张拉膜结构是索膜结构中最常见的一种形式，是索膜建筑的代表和精华，它通过钢索与膜材共同受力形式稳定曲面来覆盖建筑空间，具有高度的形体可塑性和结构灵活性，即通过对膜材内部施加一定的预张力，使其具备了抵抗外荷载能力，从而充当结构材料的一种结构体系。这种形式能够充分利用膜材的受力性能，形成轻巧、美观、具有现代感的空间大跨曲面结构，并且施工简单、快捷，成本低，在国内外已经被广泛应用于商业建筑、体育建筑、工业建筑、户外设施、文化娱乐建筑等各种领域。
1 索膜结构的组成及材料特性
1.1 索膜结构的组成
一个完整的索膜结构一般由三部分组成：
1）形成曲面结构的张拉膜材；
2）用于加强膜面的脊索和谷索，以及将膜内力传向支承结构的边索；
3）求索膜体系的支架结构。
张拉膜材即作为结构材料，要能够抵抗一定的荷载而不致引起过大变形。同时为完成作为覆盖材料所规定的建筑功能，例如美观、遮光、防火、耐久等等，还需满足各种性能要求。所以，选用合适的膜材对于索膜结构的设计建造非常重要。
加强索除其对于膜面受力方面的加强作用外，更重要的是起到了改变建筑造型的作用。尤其是谷索和脊索的灵活设置会给整个建筑带来奇妙的视觉效果。
支架结构最常采用的是钢结构，也可采用混凝土结构，甚至在某些情况下可以采用木结构或其他结构。支架结构除满足将索膜体系的内力传递到基础这一结构要求以外，其形式可以采取变化多样的形式，以实现不同的建筑造型效果。例如采用独立柱或柱与拉索的组合可以提供一个独立支点，这里的柱可以是钢管柱、桁架柱或混凝土柱，而直梁、桁架拱或环梁可以提供一系列连续支点。
通过索膜结构三部分的不同组合、变化，可以形成形式多样、不拘一格、令人耳目一新的索膜结构。对索膜结构来说，因为这种结构自重轻，荷载低、用材经济，结构上的要求一般是容易满足的，而形式上的不断创新是索膜结构这一结构体系的灵魂，这也正是它越来越为更多的人所重视的原因所在。
1.2 索膜结构的材料和性能
索是受拉单元的统称。索的核心分为有机纤维和金属两类。一般工程用索为全钢索，典型的有：高强钢棒、索心索、股钢核心索等
工程结构用索的柔性要求不高，所以钢索一般采用较粗的线材制造。钢索的弹性模量一般在147KN/mm2——170 KN/mm2，线膨胀系数一般在3.9×10-6mm/mm*℃。结构用索的另一个重要参数是索的密实系数。密实系数是指索中线股总面积和索直径所对应圆面积的比值。密实系数越大，索的抗拉极限荷载越大。实验表明，张紧索在工作应力σ〈0.55σe（σe为比例极限）的范围内可认为具有恒定的弹性模量，即索是线弹性体。
另外，动力荷载引起的振动效应相对于静荷载而言对索的工作性能更不利，因为振动会使索产生反复加卸载从而引起松弛。从这个观点出发，应尽量使工程结构中的索具有较高的工作应力。设计中综合考虑索的疲劳、松弛等效应，一般取安全系数为5。在这个范围内，根据实验结果，索被认为是线弹性体，并且具有不低于200万次的疲劳寿命。
膜结构采用的薄膜材料，大多采用涂层织物薄膜，分为两部分，内部为基材织物，主要决定膜材的力学性质，提供材料的抗拉强度、抗撕裂强度等。外层为涂层，主要解决膜材的物理性质，提供材料的耐火性及防水、自治性等，常用的膜材一般为聚酯织物涂敷聚氯乙烯涂层膜材、玻璃纤维织物涂敷聚四氟乙烯涂层或有机硅树脂涂层膜材等。膜材的抗拉强度、粘结强度与抗撕裂强度之间有很大的相关性。基布编织紧密的膜材有很高的抗拉强度，但抗撕裂强度相应较低，这是由于其很高的弹性模量及基布与涂层间的粘结强度较大的缘故。高的弹性模量限制了基布的拉伸、延展，而粘结作用又阻止了基布和涂层间的滑移，进一步限制了膜材的拉伸延展，这种特性使高抗拉强度膜材实际可用的抗拉强度大大降低，因为在实际工程中，膜材的破坏主要是抗撕裂强度不足引起的撕裂破坏。膜材的疲劳强度比抗拉强度小得多，接缝的强度通常比材料强度小，且由于紫外线的照射会老化、变质，因此需对膜材在外部气候条件下进行性能试验，进行长期观测。从经济的角度看，膜材的耐久性还是令人满意的。微小的损伤可以修补，除稍加清洗改善透光度外，不需其他的养护和维修。
2 索膜结构特点和施工技术
2.1 索膜结构的特点
索膜材料均不具有抗弯能力，其上所有的点在分析模型中只具有三个自由度。这一特点实际可将索膜体系简化为长度任意改变的空间链杆体系，或将膜简化为可自由拉伸和转动的三节点或更多节点有限元组成的空间网格。要使索、膜材料具有抵抗外荷载的能力，必须预先对其施加张拉力，以增强刚度、减小变形。由于索膜结构内的张拉力呈较为复杂的空间分布，因此所施加张拉力的大小一般需要通过计算机找形来确定。施加预张力后的索膜体系在承受外荷载之前的初始形状需要通过找形这一步骤确定。
在对索膜体系进行设计分析时，首先要给定结构的边界条件。而结构顶张拉后在空间上的确定几何形状还无法预知。如何确定在给定边界条件下索膜结构的空间几何形状及与之相应的预张力分布就是找形所要解决的问题。索膜材料只可受拉，不能受压，受压或拉力为零实际上将导致膜材出现故相，而索将屈曲变形，同时失去承载能力；风荷对作用于索膜结构所引起的水平力和上拔力对支架结构及其基础的设计有很大影响。为抵抗水平力和上拔力，斜拉稳定索成为支架结构中的常用构件。
基础采用抗拔锚锭。如果采用独立柱的形式，则将成为受弯构件，其基础若仍采用独立基础，则可能存在很大的偏心距，设计时必须进行特殊处理，在大型结构中常常采用闭合水平构件如环梁或环索的形式来承担水平力。
2.2 索膜结构的剪裁和连接技术
膜材像服装一样需裁剪，再缝合、胶接或焊接。在欧洲市场上制成的商业半成品薄膜或涂层薄膜材料的门幅宽度通常是150cm，也有120cm，140cm，160cm或200cm的膜材。
目前对标准形体的膜结构的裁剪式样，可以用程序控制标绘器来完成，用计算机操纵自动样片切割机进行裁剪，节省了制图步骤。但是，对于多种多样的膜结构，要根据具体的几何形状确定与之相适应的裁剪式样，尽可能地简单、经济。有时几何形状不同的单片膜材接合在一起，出现多向薄膜拉力，很容易出现皱折，这时需制作尺寸精确的模型来估计薄膜拉力并确定裁剪方案。根据所采用的连接方式，膜材两边需重叠2cm——4cm。
裁剪方式的选择应遵循以下规则：
1）单片形状规则、面积大的裁剪式样比小而不规则的裁剪式样好，接缝清晰、美观；
2）接缝长度要尽量短，以减少浪费；
3）对于无法避免的重叠接缝，应尽量使最少的接续集中于一个地方；
4）由于接缝处的强度比膜材强度低，所以沿主应力方向的接缝比同其垂直方向的接缝要经济；
5）沿薄膜表面最陡方向的接缝使雨、雪易于滑落，保持表面的干燥，防止出现由于大的雪载引起陷落。
膜结构的连接包括膜节点、膜边界、膜角点、膜脊和膜谷。膜节点指膜裁剪片之间的连接，膜边界是指膜材与支承结构之间的连接、膜角点是指膜边界交汇的点，膜脊、膜谷是指支承结构最高和最低处膜的连接。
3 结语
索膜结构是一种柔性结构，其材料性能、强度性能不同于一般的传统建筑材料，由这种材料组成的构造体系要具有抵抗外荷载的结构刚度，必须施加恰当的裁剪和连接技术。但随着相关技术的发展，人们越来越认识到利用索膜结构来建造普通建筑物具有其他类型结构无法表现的、独特的性能，这种性能优良的轻质建筑空间结构体系必将在我国得到进一步的应用与发展。
