膜結(jié)構(gòu)建筑體系研究*

朱雨欣，劉玉妮，張俊杰，張逸杰，王澤聰

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院 江蘇 南京 211167）

0 引言

近年來，科技不斷發(fā)展，復(fù)合材料工藝不斷進(jìn)步，膜材料，以輕質(zhì)、高強(qiáng)度、強(qiáng)透光性、強(qiáng)柔性張力、易于施工及易回收等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)有的建筑體系中嶄露頭角并已組成膜結(jié)構(gòu)建筑體系。隨著膜結(jié)構(gòu)的普遍應(yīng)用，關(guān)于膜結(jié)構(gòu)的越來越多的問題也得到了人們的關(guān)注。

膜結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)存在較大差異，主要在材料，結(jié)構(gòu)，造型等方面。膜材料的差異導(dǎo)致了透明度、強(qiáng)度、防火性能等差異，膜結(jié)構(gòu)的不同會(huì)影響支撐強(qiáng)度及形變量等，這些問題都會(huì)影響膜結(jié)構(gòu)的適用范圍。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀研究

在中國，同濟(jì)大學(xué)的學(xué)者最先填補(bǔ)我國關(guān)于膜結(jié)構(gòu)知識(shí)的空白，他們于1980 年開始實(shí)踐膜結(jié)構(gòu)工程。20 世紀(jì)90 年代初，有些涉及膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建造的公司逐漸成立，遺憾的是建造的膜結(jié)構(gòu)建筑局限于臨時(shí)性或半永久性[8]。終于在1997 年，上海8 萬人體育場(chǎng)建成，這是膜結(jié)構(gòu)在中國首次應(yīng)用于大型永久建筑中，彌補(bǔ)了之前我國膜結(jié)構(gòu)建筑僅僅局限于非永久性的缺憾，自此我國進(jìn)入大型膜結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用階段。2008 年，ETFE 膜材在我國首次運(yùn)用于大型建筑物，ETEF 氣枕被用于建造水立方屋蓋和墻體，取得了巨大成功。

雖然我國目前正積極進(jìn)行膜結(jié)構(gòu)研究，但在膜結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、造型分析、找形分析等方面，與國外相比差距還是很大。

2 膜結(jié)構(gòu)及其特性分析

2.1 膜材料的分類

2.1.1 膜材組成

（1）織物膜材：涂層織物膜材的組成主要是：涂層、纖維基布、膠粘劑及表面涂層等。主要有聚酯纖維基布PVC 涂層膜（PVC/PES）、玻璃纖維基布Silicone 涂層膜、玻璃纖維基布PVC 涂層膜（PTFE/GF）、PBO 纖維基布PVF 涂層膜及聚酯纖維基布Silicone 涂層膜等類型。非涂層織物膜材主要包括棉質(zhì)纖維膜、氟化物織物及金屬織物。

（2） 非織物膜材：主要指以EPFE 薄膜、THV/FEP 薄膜及PVC 薄膜等為代表的熱塑性化合物薄膜。

2.1.2 防火性能

A 類膜材：涂層為PTFE、基布為玻璃纖維，不燃；

B 類膜材：涂層為聚乙烯基類、基布為乙烯-四氟乙烯共聚物或者玻璃纖維或者，可燃但不會(huì)燒穿， B1、DIN4120 防火等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；

現(xiàn)代地震危險(xiǎn)性評(píng)估通過結(jié)合震源的完全分布和它們發(fā)生的概率來計(jì)算一個(gè)地區(qū)內(nèi)預(yù)期地震的震動(dòng)強(qiáng)度水平。利用地震波衰減模型來確定地震動(dòng)（例如，Boore et al，1997），這些模型量化震動(dòng)強(qiáng)度如何隨離開斷層的距離而衰減。這種關(guān)系的本質(zhì)是正在研究的重點(diǎn)，與委員會(huì)報(bào)告中記述的影響震動(dòng)強(qiáng)度的其他參數(shù)，如當(dāng)?shù)赝寥罈l件的影響和路徑效應(yīng)，包括盆地內(nèi)地震能量的放大和陷落等均同等重要。

C 類膜材：涂層為聚氯乙烯、基布為聚酯纖維，可燃但不蔓延。

3 工程應(yīng)用膜材

（1） PVC 膜材：多用于臨時(shí)性或半永久性建筑，耐久能力和自潔性較差，解決此問題需要靠TiO2或PVDF 涂層；

（2）PTFE 和ETFE 膜材：自潔性和耐久能力較好，使膜結(jié)構(gòu)走向永久性建筑，應(yīng)用更加廣泛。

3.2 膜結(jié)構(gòu)分類

（1） 骨架式膜：骨架的組成部分為鋼材和木材，上方的膜材主要起覆蓋作用，局部范圍內(nèi)發(fā)揮張拉作用，受骨架的約束，不易變形，風(fēng)振效應(yīng)相對(duì)較小。

（2） 張拉式膜結(jié)構(gòu)：拉索將膜材料張拉于結(jié)構(gòu)上，膜面可以承擔(dān)起覆蓋建筑物的作用，令人稱奇的是，這種結(jié)構(gòu)形式下膜面本身也是受力體系的組成部分，結(jié)構(gòu)受力體系由膜材壓桿拉索共同構(gòu)成，結(jié)構(gòu)變形大，風(fēng)振效應(yīng)較明顯。

（3）充氣式膜結(jié)構(gòu)

（a） 氣承式膜結(jié)構(gòu)：直接用單層薄膜作為屋面和外墻，借助送風(fēng)系統(tǒng)使室內(nèi)氣壓大于外界氣壓，從而產(chǎn)生氣壓差來抵抗外力。

（b） 氣肋（囊）式膜結(jié)構(gòu)：拱形膜肋通過充氣可具支撐能力作為氣肋（囊）式膜結(jié)構(gòu)的骨架，屋面體系則由骨架和膜材共同形成。

4 索桁架膜結(jié)構(gòu)

由索桁架與膜復(fù)合而成，索桁架本身就是一種獨(dú)立的建筑結(jié)構(gòu)體系，完整且穩(wěn)定，有足夠的剛度。

5 張拉整體與索穹頂膜結(jié)構(gòu)

是一種有自穩(wěn)定性的閉合結(jié)構(gòu)體系。在一定空間內(nèi)，經(jīng)連續(xù)拉力桿按特定幾何拓?fù)潢P(guān)系組成，有較大剛度和穩(wěn)定性。

6 膜材料的特性分析

PVC（聚氯乙烯）：彈性大，徐變大，強(qiáng)度低，柔韌性能好，可卷折，有良好的抗震性能，受光照影響較大，不易清洗，結(jié)構(gòu)受力不理想。

PVDF（聚二氟乙烯）：比PVC 使用期限多7~10 年，耐火性合格，可實(shí)現(xiàn)較大程度跨越。

PVF（聚偏氟乙烯）：更耐用，防沾污，但防火性、加工性、施工性不佳，100℃以下幾乎不溶于任何溶劑，國內(nèi)在這方面研究還較少。

PTFE（聚四氟乙烯）：適宜溫度范圍為-70~230℃，具有極好的耐久、防火及防污特性，樹脂含量大于90%，在拉伸強(qiáng)度上，與鋼材相似。光學(xué)性能好，耐老化，但成本高且柔軟性差。

ETFE（乙烯—聚四氟乙烯共聚物）：能在-200~150℃的溫度中長(zhǎng)期使用，高抗污，易清洗，延展性、耐火性好，質(zhì)量輕，可循環(huán)使用，有較強(qiáng)的耐腐蝕性，且可強(qiáng)力附著在金屬表面，克服了PTFE 不黏合金屬的缺陷，是金屬的理想復(fù)合材料。因其耐負(fù)壓極為優(yōu)良，在建筑中常常以氣墊的形式被采用，并監(jiān)控補(bǔ)充氣壓保證效果良好。光學(xué)性能極好，不易被外界環(huán)境影響。

7 結(jié)語

結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀，首先針對(duì)膜材料和膜結(jié)構(gòu)兩方面對(duì)膜結(jié)構(gòu)建筑體系進(jìn)行較為詳細(xì)的論述。膜材料方面著重于其特殊性研究，點(diǎn)名不同膜材料的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。膜結(jié)構(gòu)方面詳細(xì)闡述現(xiàn)有的各種膜結(jié)構(gòu)類型，并針對(duì)不同類型膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳解，目的是增強(qiáng)膜結(jié)構(gòu)運(yùn)用的合理性，更好的展示膜結(jié)構(gòu)在將來建筑體系中的優(yōu)越地位。