浅谈膜结构的发展及应用
摘要：膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式。经过几十年的发展，膜结构已成为结构设计选型中的一个主要方案，并逐渐应用于体育馆、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中。
关键词：膜结构,膜材,建筑
膜结构是一种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，从而形成的具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。
1膜结构概述
1．1膜材
膜结构能大量推广应用的基础是材料问题的解决，其应用的高强度柔韧薄膜称膜材。现阶段主要应用的两种膜材涂敷聚四氟乙烯（PTFE）的玻璃纤维织物和涂敷聚氯乙烯（PVC）的聚脂织物具有质地柔韧、厚度小、重量轻、透光性好等特点，对自然光吸收和透射能力、阻燃，具有良好的耐久、防火、气密等特性；表面经过氟素处理或二氧化钛处理的膜材料抗老化性能好，具有较高的自清洁性能。
1．2膜结构的特点
建筑造型优美：膜结构的突出特点之一就是它形状的多样性，新颖美观的曲面造型，简洁明快，且色彩丰富，打破了纯直线建筑风格的模式，给人以耳目一新的感觉。
适合覆盖大跨度空间：膜材料每平方壹公斤左右，由于自重轻，加上钢索、钢结构高强度材料的采用，与受力体系简洁合理，使膜建筑可以不需要内部支撑面大跨度覆盖空间，这使人们可以更灵活地设计和使用建筑空间。
造价低，工期短：膜建筑屋面重量仅为常规钢屋面的1/30，这就降低了墙体和基础的造价。同时由于膜建筑奇特的造型和外观效果使其价格效益比更高。膜工程中所有加工和制作依设计均可在工厂内完成，现场只需组装，施工简便，相比传统建筑的施工周期，它几乎要快一倍。
节能环保：膜材有较高的反射性及较低的光吸收低，并且热传导性较低，对太阳热能可反射掉70%，膜材本身吸收了17%，传热13%，而透光率却在20%以上，保证了适当的自然漫散射光照明室内。具有良好的环保性、透光性、节能性。
2膜结构的历史
第一座真正意义上的膜结构建成于1946年，设计者为美国的沃尔特•勃德，这是一座直径为15的充气穹顶。1967年在德国斯图加特召开的第一届国际充气结构会议，无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂。随后各式各样的充气膜结构建筑出现在1970年大阪世界博览会上。其中具有代表性的有盖格尔设计的美国馆（137m×7m8卵形），以及川口卫设计的香肠形充气构件膜结构。后来人们认为70年大阪博览会是把膜结构系统地、商业性地向外界介绍的开始。大阪博览会展示了人们可以用膜结构建造永久性建筑。而70年代初美国盖格尔-勃格公司开发出的符合美国永久建筑规范的特氟隆膜材料为膜结构广泛应用于永久、半永久性建筑奠定了物质基础。之后，用特氟隆材料做成的室内充气式膜结构相继出现在大中型体育馆中，1975年在美国密执安州庞提亚克兴建了平面尺寸243.9X183m的银色穹顶，这是第一次将气承式膜结构应用于永久性的大型体育馆。其后在北美地区，类似的膜结构就建了9座，其中象美国的明尼阿波利斯和加拿大的温哥华均位于北方地区。虽然象这样的充气结构也发生过几次不愉快的坍塌事故，但是膜结构终于登堂入室，进入永久性建筑的行列。
3膜结构的前景
从多年国内外的实践经验来看，膜结构具有强大的生命力，必将是21世纪建筑结构发展的主流。预计最能发挥膜结构优势的应用领域有：
1.需要自然采光的公共建筑，如体育馆、训练房、展览厅等。
2.轻而而美观的膜结构用于敞开或半敞开建筑物的遮蔽屋盖尤为适宜。
3.各种类型的生产厂房与仓库，其尺寸都比较规则，因而可有用膜结构并加以定型化、商品化。这种建筑有运输、拆装方便的优点，对于紧急救灾或灾后重建也十分有用。
4.在改造原有建筑物时，膜结构的自重轻是很大的优点，可以用来代替传统的屋盖。
4膜结构的应用
现在膜结构的设计有许多方法，但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。在设计过程中，建筑师和结构工程师要坐在一起确定建筑物的形状，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。因此，要保证结构的最终成形与设计相一致，除了在设计时更仔细之外，还应保证各部门配合更为协调一致外。
同时，膜结构施工过程中也遇到一些问题。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。为了使膜结构成为一种现代技术,有必要定量地评测薄膜预张力。所以，研究膜张力的一些检测手段成了当务之急。
5结语
随着膜结构技术的不断发展，相信越来越多的膜结构工程会出现在我们身边。解决其在设计和施工中遇到的问题也成为我们下一阶段研究的主要任务之一。随着奥运会和世博会在中国的举办，膜结构建筑也呈现出一派欣欣向荣之象。这正是我国突破现状的良机，不久的将来，膜结构一定会在我国得到够好的发展和应用。
参考文献
[1]克劳斯-迈克尔·科赫.膜结构建筑.大连理工大学出版社,2007
[2]杨庆山,姜忆南.张拉索膜结构分析与设计.北京科学出版社,2004.
