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18索膜结构工程18.1索膜结构的特点、类型及材料索膜结构体系起源于远古时代人类居住的帐篷，但真正意义上的膜结构是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式，是一种建筑与结构完美结合的结构体系。它是用高强度的柔性薄膜材料（PVC或PTFE)与一定的支撑及张拉系统（钢架、钢柱或钢索等）相结合，通过预张力使膜形成具有一定刚度的空间稳定曲面，从而达到能承受一定外荷载，并满足造型效果和使用功能的一种空间结构形式。它集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学、计算机技术等为一体，具有很高技术含量。其曲面可以随着建筑师的设计需要任意变化，结合整体环境，建造出标志性的形象工程。膜结构从20世纪90年代以来在我国也得到了飞速的发展，目前已经建设了数十个大型膜结构体育建筑、文化娱乐建筑、商业建筑、交通运输建筑及其他标志性建筑。图18-1是国内已建的代表性膜结构工程。(c)(d)图18-1国内膜结构工程(α)上海八万人体育场；（W青岛颐中体育场；（c)郑州杂技馆；id)大连金石滩影视艺术中心18.1.1索膜结构特点18.1.1.1自洁性膜材表面的涂层PTFE或PVDF均为惰性材料，具有较高的不燃性和稳定的化学性能，并且耐腐蚀。惰性涂层不与灰尘微粒结合，长久不褪色，所以膜结构建筑表面经雨水冲刷即能自洁，经过长年使用仍然保持外观的洁净及室内的美观。18.1.1.2透光性膜材是半透明的织物，并且热传导性较低，对自然光具有反射、吸收和透射能力，其透光率随类型不同而异，可达4%〜18%。经膜材透射的光呈漫反射状，光线柔和宜人无眩光，给人一种开敞、明亮的感觉。膜材的透光性既保证了适当的自然漫散射光照明室内，又极大程度上阻止了热能进入室内，因此膜结构在节能方面有它的独特效果。18.1.1.3大跨度膜结构建筑中所使用的膜材重量轻，常用膜材质量为0.5〜2.5kg/m2，并且膜结构是张力结构体系，能够充分发挥材料的抗拉性能，因此膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度建18.1索膜结构的特点、类型及材料653筑上所遇到的困难，它能创造出巨大的无遮挡可视空间，有效增加空间使用面积。18.1.1.4轻量结构膜材料与其他建筑材料相比要轻得多。不管在施工阶段还是在使用阶段，对膜面而言，风荷载均是主要荷载，故要特别注意施工阶段膜面和结构的安全。18.1.1.5防火性和耐久性采用PTFE膜材料的膜结构建筑具有耐热性、耐气候性、耐药物性、高强度、防火等特性，而且不易老化，经过长期使用仍能保持其最初时的强度，PTFE膜寿命在30年以上，PVDF膜寿命也有15年。18.1.1.6安装的复杂性膜面常与索结构结合，通过施加应力，形成结构刚度。合理施加预应力是涉及索膜结构安全的关键要素。其安装工效较高，只需投入较简便的施工机械，且较少影响屋顶以下分部工程的施工。但由于多为悬空作业，安全操作设施需要因工程不同特点而作特殊考虑。18.1.2索膜结构类型索膜结构类型可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。张拉式膜结构是通过支承结构或钢索张拉成型，其造型非常优美灵活。图18-2为索膜结构的分类图。18.1.2.1充气膜结构充气膜结构又分为气承式膜结构和气肋式膜结构两#(图18-3)，气承式膜结构靠室内外压力差(室内气压室外气压）形成和维持稳定膜面形态，图18-2索膜结构的分类并承受外荷载作用，可支撑于其他建筑或自成独立建筑。气承式膜结构适合建造平面为圆形、椭圆形（长短轴比小于2)、正多边形的穹顶结构。气肋式膜结构是向特定形状的封闭气囊内充入一定压力的气体以形成具有一定刚度和形状的构件，再由这些构件相互连接形成建筑空间。充气式膜结构需要不间断地充气，运行与维护费用高，空压机与新风机的自动控制系统和融雪热气系统的隐含事故率高。此外，气承式膜结构中室内的超压也会使人略感不适。这些缺点使人们对充气式膜结构的前途产生怀疑，因此美国自1985年以来在建造大跨度建筑时再也没有使用这种膜结构形式。但近年来，采用近乎全透明无基材膜材ETFE⑷Φ)图18-3充气膜结构的基本形式(a)气承式；（6)气肋式的气肋（枕）式膜结构因其特殊的建筑光学效果得到了相当程度的应用（图18-4α),最新的应用实例是2008北京奥体游泳馆（图18-4W。总体而言，张拉膜结构的应用远多于充气膜结构。65418索膜结构工程⑷(*)图18-4ETFE气枕膜结构(a)气肋（枕）式膜结构；（W北京奥体游泳馆18.1.2.2张拉膜结构张拉膜结构以钢索、钢结构构件等为边界，通过张拉边界或顶升飞柱等手段给膜面施加张力，维持设计的形状并承受荷载。张拉膜结构的基本外形有马鞍形、圆锥形（伞形）、拱支承形、脊谷式等，见图18-5。应用于实际工程的张拉膜结构常常是这些基本外形的组合。图18-5张拉膜结构的基本形式(α)马鞍形；（6)圆锥形（伞形）；U)拱支承形；W)脊谷式18.1.3索膜结构材料18.1.3.1拉索与锚具膜结构的拉索可采用热挤聚乙烯高强钢丝拉索、钢绞线或钢丝绳，也可根据具体情况采用钢棒等。拉索有多种钢索可供选用。热挤聚乙烯高强钢丝索是由若干高强度钢丝并拢经大节距扭绞、绕包，且在外皮挤包单护层或双护层的高密度聚乙烯而形成，在重要工程中宜优先考虑采用。钢丝绳宜采用无油镀锌钢芯钢丝绳。热挤聚乙烯高强钢丝拉索及其铺具的质量应符合现行国家标准。热挤聚乙烯高强钢丝拉索、钢绞线的弹性模量不应小于1.90X105MPa,钢丝绳的弹性模量不应小于1.20X105MPa。拉索的锚接可采用浇铸式(冷铸锚、热铸锚）、压接式或机械式锚具。锚具表面应做镀锌、镀铬等防腐处理。当锚具采用锻造成型时，其材料应采用优质碳素结构钢或合金结构钢，优质碳素结构钢的技术性能应符合现行国家标准。锚具与索连接的抗拉强度，浇铸式不得小于索抗拉强度的95%，压接式不得小于索抗拉强度的90%。对组成热挤聚乙烯高强钢丝拉索、钢绞线、18.1索膜结构的特点、类型及材料655钢丝绳的钢丝，应进行镀锌或其他防腐镀层处理。对碳素钢或低合金钢棒应进行镀锌、镀铬等防腐处理。对外露的钢绞线、钢丝绳，可采用高密度聚乙烯护套或其他方式防护。锚具与有防护层的索的连接处应进行防水密封。3.2膜材图18_6膜材结构膜结构材料可分为两大类：无基材薄膜材料和基材涂层类膜材。前者是一种以ETFE为主要原料的高分子薄膜材料；后者（见图18-6)中交叉编织的基材材料决定了其力学性能，如抗拉强度、抗撕裂强度等，而涂层、面层的种类决定了其物理性能，如耐久性、耐火性、防水性、自洁性、黏合度、颜色等。常用基材涂层类膜材中基材与涂层的种类见表18-1。常用基材与涂层种类表18-1名称代号名称代号玻璃纤维FG聚四氟乙烯PTFE基材聚酰胺合成纤维PA涂层聚氯乙烯PVC聚酯合成纤维PET聚乙烯CSM聚乙烯醇合成纤维PVA氟树脂PVD目前膜结构建筑中最常用的膜材料基材主要为PVC膜材料和PTFE膜材料（俗称特富龙）。PVC膜材是由聚酯纤维织物表面涂以聚氯乙烯涂层（PVC)而成。PVC膜材在材料及加工费用上都比PTFE膜便宜，且具有质地柔软、易施工的优点。但在强度、耐久性、防火性等性能上较PTFE膜材差，所以只能作为一般临时性建筑的膜材。近年来巳研发出在PVC膜材表面再加涂聚氟乙烯（PVF)涂层或聚偏氟乙烯（PVDF)涂层来提高其耐久性和自洁性的新技术，从而使聚酯织物的使用寿命延长到15年以上，得以在7欠久性建筑中使用。PTFE膜材是在超细玻璃纤维织物上涂以聚四氟乙烯树脂涂层（PT-FE)而成，具有强度高，徐变小，弹性模量大，耐久性、防火性与自洁性高等特点。但PTFE膜材与PVC膜材相比，材料与加工费用高，且柔软性低，在施工时为避免玻璃纤维被折断，须采用专用施工工具和技术。该类膜材使用寿命30年以上，在永久性膜结构建筑得到大量应用。18.2索膜结构的深化设计索膜结构是由拉索、膜材和压杆整体张拉形成的空间结构体系，它与传统结构有很大区别：作为一种柔性结构，索膜材料本身在自然状态下不具有保持固有形状和承载的能力，由这些材料组成的结构体系初始时也是一个机构，只有对膜材和索施加了一定的预应力后结构体系才获得承载所必须的刚度和形状。因此，索膜建筑设计与传统结构的设计过程有很大差别，传统建筑的设计过程是“先建筑，后结构”，而索膜建筑的设计过程首先要求建筑设计与结构设计紧密结合，寻求满足建筑功能要求的理想几何外形和合理的应力状态。所以，结构的形体并非仅由建筑设计决定，亦受受力状态的制约。索膜结构的设计包括初始状态确定（俗称找形）、荷载分析和裁剪分析。对于结构工程师而言，初始形态设计和荷载分析是其关注的焦点。裁剪分析是一项更为专业的工作，不属于传统结构工程师的工作范畴。索膜结构的设计流程如图18-7。65618索膜结构工程图18-7索膜结构设计流程图18.2索膜结构的深化设计65718.2.1初始状态确定索膜结构初始状态的确定包含了几何（形）和合理的应力状态（态）两个方面，其方法总体上来说可分为两类：物理模型法和数值分析法。20世纪70年代以前，物理模型法是人们研究索膜结构形态的重要方法，包括丝网模型法和皂泡模型法，1967年加拿大蒙特利尔展览会的德国大帐篷（GermanPavilion)和1972年慕尼黑奥林匹克体育场均是采用物理模型法设计（见图18-8和图18-9)。但物理模型法的模型制作要花费大量的人力、物力，且需要一套复杂仪器设备和高超的近景摄影测量技术。由于测量手段存在着较大的随机因素，测量精度难以保证。因此，人们更加关注力学方法的研究，美国、英国、德国和日本等国学者相继提出并发展了以计算机技术为手段的张力结构的形状判定，并逐步取代了早期的模型法。物理模型法在工程实践和科学研究中已经很少单独使用，主要是同数值方法配合使用以及用于方案阶段的概念设计。图18-8德国大帐篷图18-9慕尼黑奥林匹克体育场20世纪70年代以后，随着计算机数值分析技术的日益发展，各种膜结构的计算机数值分析方法也应运而生。经过近几十年的研究和实践，力密度法、动力松弛法和非线性有限单元法已经取代物理模型法而成为目前膜结构初始形态确定的主要方法。力密度法是一种用于索网结构的初始形态分析方法。在应用力密度法进行膜结构初始形态分析时，首先要将膜结构离散为由节点和杆单元构成的索网状结构模型，然后建立每一节点的静力平衡方程，通过预先给定索网中各杆单元的力与杆长的比值（即给定杆单元的力密度值）而将几何非线性问题转化为线性问题，结合边界节点的坐标联立求解这组线性方程组，得到索网各节点的坐标，从而得到膜结构的初始位形。不同的力密度分布，对应不同的外形。当外形符合要求时，由相应的力密度即可求得相应的膜面预应力分布。力密度法避免了初始坐标输人问题和非线性收敛问题，计算速度快，因而特别适合于索网结构和膜结构的初始形态分析，但对于具有大位移特征的膜结构初始形态确定问题，力密度法没有考虑节点变位对节点平衡的影响，因此有些学者认为力密度法虽然计算简单，但得到的初始位形解答误差较大。另一方面，力密度法找形得到的膜面应力分布难以控制，尽管可通过修正力密度值进行迭代以获得均匀的应力分布，但这样就失去了线性解的优势。此外，形状确定之后，还是需要采用非线性分析方法对膜结构进行荷载效应分析。力密度法可以针对膜面的离散索网模型快速得到其平衡曲面。动力松弛法不建立结构平衡方程因而对计算机的内存要求极低，通过反复假定和迭代计算得到平衡的内力分布和相应的几何曲面。有限元法通过建立结构的平衡方程进行求解迭代计算结构的平衡曲面，迭代次数少但需存储和求解结构刚度矩阵。随着计算机软硬件技术的快速发展，有限单元法已经成为结构分析包括索膜结构初始状态分析的主流方法。初始状态确定分析中可以将支承结构视作相对刚度极大的结构而只进行索膜部分的找形计算，然后再将连接处反力施加给支承结构，从而完成整个结构初始状态的分析。也可以考虑膜65818索膜结构工程与索及支承结构的共同作用，直接分析计算得到整个体系的初始状态。需要根据具体的结构构成确定结构分析方法。膜曲面可以是应力分布均勻的最小曲面，也可以是应力分布不均匀的平衡曲面。最小曲面具有刚度均匀、曲面