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膜结构的发展历史与结构形式——土木工程案例分析课程论文课程名称土木工程案例分析报告名称膜结构的发展历史与结构形式指导教师姓名薛高学号1250776《膜结构的发展历史与结构形式》1/5COLLEGEOFCIVILENGINEERING膜结构的历史发展及结构形式前言膜结构也即织物结构,是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间结构形式。最早的膜结构雏形可追溯到公元前若干世纪的帐篷结构。现代意义上的膜结构工程最早出现于20世纪50年代,是集建筑、结构、材料和计算机等科学为一体的高科技工程。近几十年来,由于薄膜材料特殊的优越性能及建筑技术水平的不断提高,膜结构在世界范围内的发展空前繁荣。1膜结构及其发展历史1.1膜结构的定义及应用现状膜结构(Membrane)是以性能优良的柔软织物为材料,由膜内充气压力支承膜面,或利用柔性钢索、刚性支承结构使膜产生一定的预张力,从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。膜结构作为建筑结构中最新发展起来的一种形式，由于其独特的建筑形态以及膜材本身的特性，使得自1970年代被初步尝试使用以来，目前已经在国内外得到广泛的应用。膜结构自身的优良特性包括以下几方面：轻质张力结构自重小的原因在于它依靠预应力形态而非材料来保持结构的稳定性。从而使其自重比传统建筑结构的小得多，但却具有良好的稳定性。建筑师可以利用其轻质大跨的特点设计和组织结构细部构件，将其轻盈和稳定的结构特性有机地统一起来。透光性透光性是现代膜结构最被广泛认可的特性之一。膜材的透光性可以为建筑提供所需的照度，这对于建筑节能十分重要。对于一些要求光照多且亮度高的商业建筑等尤为重要。通过自然采光与人工采光的综合利用，膜材透光性可为建筑设计提供更大的美学创作空间。夜晚，透光性将膜结构变成了光的雕塑。膜材透光性是由它的基层纤维、涂层及其颜色所决定的。标准膜材的光谱透射比在10%~20%之间，有的膜材的光谱透射比可以达到40%，而有的膜材则是不透光的。膜材的透光性及对光色的选择可以通过涂层的颜色或是面层颜色来调节。通过膜材和透光保温材料的适当组合，可以使含保温层的多层膜具有透光性。即使光谱透射只有几个百分点，膜屋面对于人眼来说依然是发亮和透光的，具有轻型屋面的观感。柔性张拉膜结构不是刚性的，其在风荷载或雪荷载的作用下会产生变形。膜结构通过变形来适应外荷载，在此过程中荷载作用方向上的膜面曲率半径会减小，直至能更有效抵抗该荷载。张拉结构的灵活性使其可以产生很大的位移而不发生永久性变形。膜材的弹性性能和预应力水平决定了膜结构的变形和反应。适应自然的柔性特点可以激发人们的建筑设计灵感。不同的膜材的柔性程序也不相同，有的膜材柔韧性极佳，不会因折叠而产生脆裂或是破损，这样的材料是有效实现可移动、可展开结构的基础和前提。《膜结构的发展历史与结构形式》2/5COLLEGEOFCIVILENGINEERING雕塑感张拉膜结构的独特曲面外形使其具有强烈的雕塑感。膜面通过张力达到自平衡。负高斯膜面高低起伏具有的平衡感使体型较大的结构看上去像摆脱了重力的束缚般轻盈地飘浮于天地之间。无论室内还是室外这种雕塑般的质感都令人激动。张拉膜结构可使建筑师设计出各种张力自平衡、复杂且生动的空间形式。在一天内随着光线的变化，雕塑般的膜结构通过光与影而呈现出不同的形态。日出和日落时，低入射角度的光线将突现屋顶的曲率和浮雕效果，太阳位于远地点时，膜结构的流线型边界在地面上投入弯弯曲曲的影子。利用膜材的透光性和反射性，经过设计的人工灯光也可使膜结构成为光的雕塑。安全性按照现有的各国规范和指南设计的轻型张拉膜结构具有足够的安全性。轻型结构在地震等水平荷载作用下能保持很好的稳定性。由于轻型结构自重较轻，即使发生意外坍塌，其危险性也较传统建筑结构小。膜结构发生撕裂时，若结构布置能保证桅杆、梁等刚性支承构件不发生坍塌，其危险性会更小。膜结构的柔性使其在任一荷载作用下均以最有利的形态承载。当然，结构的布置和形状要根据荷载情况来进行设计和调整。设计要确定膜面与其辅助结构协调工作，以避免力在膜面或辅助结构上集中而达结构破坏的临界值。目前，膜结构主要应用在了一些需要大空间的公用建筑物工业厂房，以及具有装饰性的建筑小品中，包括：文化设施--展览中心、剧场、会议厅、博物馆、植物园、水族馆等；体育设施--体育场、体育馆、健身中心、游泳馆、网球馆、篮球馆等；商业设施--商场、购物中心、酒店、餐厅、商店门头（挑檐）、商业街等；交通设施--机场、火车站、公交车站、收费站、码头、加油站、天桥连廊等；工业设施--工厂、仓库、科研中心、处理中心、温室、物流中心等；景观设施--建筑入口、标志性小品、步行街、停车场等。1.2膜结构的发展历史3万年前膜结构的雏形可以追溯到最原始的游牧民族的帐篷结构。1960年代1961年，德国的FreiOtto教授在一篇名为《Tent》的文章在AIA杂志的二、四月份刊上发表，FreiOtto教授给所有人揭示了膜结构的重要性。由于FreiOtto教授的讲演和指导，膜结构的知识得以在许多国家快速地散布开来。他和他的小组于1965年出版了《Spannweiten》这本书，他们从建筑的角度研究并发展了现代的膜结构。这本书引起了全世界的关注。在轻型结构所工作的FreiOtto做了许多工作，代表着现代膜结构的起点。他们的技术和思想反映在蒙特利尔67年万国博览会上，这个建筑物对膜结构的世界有着广泛的影响，标志着膜结构正式成为建筑结构形式开始应用。1970年在大阪举行的日本万国博览会开始对膜结构有了需求。许多日本建筑师向用膜这种新材料来创造新空间发起了挑战。大阪博览会也为发掘膜结构的潜力提供了极好的机会。为安全起见，这个结构装备了一个系统以保证屋盖在漏气时不与观众席或场地接触。这个想法成为膜结构设计史上的一个转折点，使充气式膜结构成为可能。1970年代GeigerBerger公司发展了充气膜。随之而来的是PTFE涂层的玻璃纤维膜作为新的膜材而发展起来，导致许多巨型膜结构在美国的出现。随着Milligan学院的SteveLacy战地医院（1974）和SantaClara大学的ThomasE.Leavey活动中心(1976)的建成，大规模的充气膜开始兴建。在美国还涌现了一批能容纳许多观《膜结构的发展历史与结构形式》3/5COLLEGEOFCIVILENGINEERING众的多功能的适应各种天气情况的体育馆。1970年的Silver穹顶——拥有八万个席位的低矢高穹顶在Pontiac城建成。这些大跨度建筑表明膜结构的一个优点，即大空间不再是黑暗而压迫感的，这些穹顶还能经济地跨越大空间。就此而言，大阪博览会美国馆是膜结构发展历史上的里程碑。但是充气式膜结构经常地发生结构事故、持续充气带来的高成本、控制气压的复杂性、空间封闭性等问题，又迫使人们开始了探索新的结构形式。1980年代80年代，在北美洲，膜结构作为永久性建筑开发了新的功能。比如1980年的佛罗里达大学StephenC.O’Connel中心，1984年的Lindsay公园体育中心，1989年的SanDiego解放中心，1990年的公园露天剧场等均是完美外形与创新结构的结合。一系列购物商场也建成了。80代末期，由BuckminsterFuller最初设想的张拉整体穹顶作为能覆盖大空间的新的结构形式而引入，这种索-杆组合结构开始代替早期的充气穹顶。1986年圣奥林匹克国家体育中心的体操馆和击剑馆，紧接着是1988年建成的Illinois州立大学Redbird体育场、1989年的Thunder穹顶、1992年的佐治亚穹顶都采用了这种结构体系。美国开拓了自己的道路来覆盖大空间。全球有名的建筑师开始在许多欧州国家设计膜结构并改进了设计标准。美国的膜结构容易相似，而欧州的工程更具个人主义。1985年Schlumberger大学研究中心是欧洲第一个拥有膜结构的研究中心，被称作“新鲜的光空间”，采用索-膜的组合结构。膜结构中有基本的钢框架，但又用到索的组合。1989年，NuageLeger膜结构建在巴黎的GrandeArche中，使得这种结构体系在全世界范围内都成了引人注目的中心。足球场上跨越观众席的传统屋顶容易使下面的空间变黑，而在欧洲建的膜结构却不会如此。1990年代至今自80年代，末期索膜结构被开发出来以后在90年代有了很好的推广应用。1990年罗马奥林匹克体育场的膜结构从受压环的空间框架上悬挂下来，既轻盈又美观，成为跨越观众席的屋顶最常用的模型。1990年RenzoPiano设计的SanNicola体育场应用膜结构与混凝土的组合，1993年GottliebDaimler体育场轻便美观，与相应的结构比较取得了更大的合理性和经济性。PVC涂层的聚酯纤维膜主要用于欧州早期的膜结构，而PTFE涂层的玻璃纤维膜开始得到更大的应用。韩国2002年世界杯足球赛十个体育场中有五个采用膜结构（汉城体育场、仁川体育场、大邱体育场、釜山体育场、济洲西归浦体育场）。而国内也先后设计了一批膜结构，典型的代表有香港大体育场、上海八万人体育场、上海虹口足球场、广州黄埔体育场、浙江义乌体育场、青岛颐中体育场、武汉体育中心、威海体育中心、烟台体育场、郑州航海体育场等。2结构形式及其特点膜结构从结构上分可分为：骨架式膜结构，张拉式膜结构，充气式膜结构和索穹顶结构4种形式《膜结构的发展历史与结构形式》4/5COLLEGEOFCIVILENGINEERING2.1充气膜结构充气膜结构是膜发展过程中最初阶段的主要形式,它利用膜内外的气压力差为膜材施加预应力,使膜面能覆盖所形成的空间。分为气撑式与充气胎式两种。充气膜结构适用于跨度超过70m的大跨度体育设施,一般采用低拱度、一层膜或二层膜的结构形式。发展至今,由于充气膜结构在使用过程中出现了较多问题,除在特殊领域应用外,已大部分被张力膜结构所代替。2.2支撑式式膜结构骨架式膜结构以钢或其他材料构成刚性骨架,膜张拉并置于骨架上。其显著特点在于:膜不是维持结构体系存在的必要结构单元,也不仅仅是单纯的覆盖屋面体系,而是充分发挥了采光建筑功能和高强受力特性。现在骨架式膜结构有膜面曲率减小、趋于平缓、预应力水平增加的趋势。骨架式膜结构具有广泛地应用领域,特别是大型公共体育馆、会展中心等。2.3张拉膜结构张拉膜结构是通过给膜材直接施加预拉力使之具有刚度,并承担外荷载的结构形式。完整的张拉式膜结构一般由张拉薄膜、加劲索及支承结构三部分组成。目前各种形式张拉膜结构广泛应用于各个领域,包括大型或大中型体育、文化、娱乐、商业设施以及小型景观作品等。2.4索穹顶结构索穹顶结构是空间双层索系和覆面膜材的联合运用,形成的一种高效的大跨度轻型屋盖结构形式。可细分为Geiger索穹顶和Fuller三角索穹顶。索穹顶一般由中心受拉(钢)环梁、径向脊索、环向拉索、受压立杆、斜向对角索及外侧受压环梁组成。其造型新颖、造价经济、安装方便,结构效率极高,成功地应用于一些大跨度、超大跨度的结构。膜结构充气式膜结构单层膜双层膜气肋式张力式膜结构悬挂式张拉式支撑式膜结构桁架式框架式索穹顶结构《膜结构的发展历史与结构形式》5/5COLLEGEOFCIVILENGINEERING3膜结构发展的展望膜结构的未来发展方向是什么？使膜结构成为永久性建筑的同时，膜结构的临时性也是重要的主题。还有施工方法的改进，使膜材能定期地更换也是一个重要的任务。人们对膜材和施工方法以及高强度、抗撕裂性能、耐久性、隔热、隔音和弹性特性有不同的需求。除非我们努力满足这些要求，否则膜结构建筑的发展必将受到阻碍。膜结构建筑的特点之一就是拥有一个明亮的内部空间。膜材能通过光线就是其透光性。玻璃能通过光线，能传热，膜材的透光性也如此。希望将来膜材的透光率可根据设计要求自由调节。胶片也是一种有潜力的材料，但因缺乏强度和抗火性而难以利用。高度透明的膜材正在得到发展，如果能达到一定程度则膜结构建筑史上又将写下新的一页。使用这种材料来形成一个封闭空间时将会产生什么样的热负荷？相应的施工方法和力学系统有什么样的修改？热辐射的问题怎么办？与玻璃相比透