各位設(shè)計(jì)師

大家好！

膜結(jié)構(gòu)建筑是21世紀(jì)

最具代表性和前景的建筑形式之一

它打破了純線性建筑風(fēng)格的格局

以其獨(dú)特優(yōu)美的曲線形狀

 呈現(xiàn)出柔和的力量美感

同時(shí)賦予設(shè)計(jì)師更多的想象力和創(chuàng)作空間

膜結(jié)構(gòu)作為一種空間結(jié)構(gòu)形式

最早可以追溯到遠(yuǎn)古

人類用木頭搭建結(jié)構(gòu)骨架

覆蓋上獸皮或草席

用繩子或石塊固定在地上

建成簡(jiǎn)易的房子

△以獸皮建造的帳篷

近代膜結(jié)構(gòu)

受到馬戲團(tuán)大型帳篷的啟發(fā)

并隨著新型膜材料和高強(qiáng)鋼索的研發(fā)

以自由、輕巧、柔美，充滿力量感的造型

在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛

此外，因?yàn)槟そY(jié)構(gòu)建造快、方便安裝和拆卸

特別適用于小型、臨時(shí)的或使用年限較短的建筑

本文整理了膜材料特性、受力特性、

結(jié)構(gòu)形式和后期維護(hù)的知識(shí)及案例

和你一起開啟今天的學(xué)習(xí)

 01. 常見的膜材料有哪些 

建筑中最常用的膜材料

主要有PTFE膜、PVC膜和ETFE膜三種

膜材的選擇往往取決于

建筑物的功能、防火要求、設(shè)計(jì)壽命和投資額

 ① PTFE  

在極細(xì)的玻璃纖維(3微米)編織成的基材上

涂覆聚四氟乙烯等材料

PTFE在1979年左右出現(xiàn)后

從各方面改善了膜材的特性

使得膜結(jié)構(gòu)從帳篷或臨時(shí)性建筑

發(fā)展到永久性建筑

特性：

1. 永久性建筑首選膜材，使用壽命在20~30年以上；

2. 強(qiáng)度高、耐久性和自潔性好，不受紫外光的影響；

3. 高透光性，透過的自然散漫光不產(chǎn)生陰影和眩光；

4. 反射率高，熱吸收量少；

5. 燃燒性能A級(jí)。

PTFE膜用于永久性膜，不便重新組裝利用。PTFE膜不燃，可滿足世界各國(guó)建筑A級(jí)防火需求。新安裝的膜呈麥黃色，日照數(shù)月之后，膜會(huì)逐漸漂白。常規(guī)的PTFE膜伸長(zhǎng)變形較小，拉伸強(qiáng)度150KN/m，撕裂強(qiáng)度1KN/m，透光率13%，網(wǎng)狀膜可達(dá)65%以上，防潮、防霉、耐污，PTFE有微孔隙能透氣。PTFE膜一般加工中易出折痕，且難以消除，不方便包裝及運(yùn)輸，因此，在膜結(jié)構(gòu)小品中容易出現(xiàn)折痕，適合于大型膜結(jié)構(gòu)建筑工程。

 ② PVC  

以尼龍織物為基材

涂覆PVC或其他樹脂

特性：

1. 早期的膜材，使用年限一般為7到15年；

2. 強(qiáng)度及防火性與PTFE相比具有一定差距；

3. 自潔性較差，可在PVC涂層上再涂PVDF樹脂；

4. 涂有Tio2（二氧化鈦）的PVC膜，具有極高自潔性；

5. 燃燒等級(jí)B1 級(jí)，不及PTFE膜。

目前國(guó)內(nèi)大部分膜結(jié)構(gòu)工程使用的都是聚酯纖維膜材料，即PVC聚酯纖維膜材。聚酯纖維是膜建筑中應(yīng)用最廣泛的纖維，并認(rèn)為是建筑膜材標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。聚酯纖維拉伸強(qiáng)度高，彈性好。在拉伸屈服前，纖維具有較大的伸長(zhǎng)變形能力，使得在安裝時(shí)可進(jìn)行一定的調(diào)整。但日照將使聚酯纖維老化，彈性與強(qiáng)度等力學(xué)性能降低，所以很多建筑采用PTFE、ETFE等永久性膜材。

 ③ ETFE 

 乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜

非織物類

特性：

1. 耐久性好，15年以上惡劣氣候下力學(xué)和光學(xué)性能不變；

2. 耐磨、耐高溫、耐腐蝕，絕緣性；

3. 密度小，抗拉強(qiáng)度高，破斷伸長(zhǎng)率達(dá)300%；

4. 表面光滑，極佳的自潔性能，污跡可隨雨水沖刷；

5. 阻燃材料，熔后收縮但無(wú)滴落物。 

ETFE膜材的厚度通常小于0.20mm，是一種透明膜材。ETFE是乙烯-四氟乙烯共聚物，既具有類似聚四氟乙烯的優(yōu)良性能，又具有類似聚乙烯的易加工性能，還有耐溶劑和耐輻照的性能。

 02. 高效的張拉結(jié)構(gòu)  

膜結(jié)構(gòu)是以高強(qiáng)度的柔性薄膜材料

經(jīng)張拉或充氣形成穩(wěn)定的曲面

承受外荷載的結(jié)構(gòu)形式

其造型自由、輕巧、柔美，充滿力量感

△結(jié)構(gòu)形式譜系簡(jiǎn)圖

在上面的結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)圖中

膜結(jié)構(gòu)屬于利用形抗的全軸力張拉結(jié)構(gòu)

其結(jié)構(gòu)效率是非常高的

利用膜材料的高抗拉強(qiáng)度

單獨(dú)考慮膜材的跨度與其厚度的比值

可以達(dá)到1/10000，是最極致的輕型結(jié)構(gòu)

△構(gòu)件尺寸與跨度的比值(估算)

 03. 結(jié)構(gòu)形式分類 

根據(jù)膜結(jié)構(gòu)的成形方式和受力特點(diǎn)

一般可以分為張拉膜、充氣膜和骨架膜三種

比較形象的比喻是

張拉膜像帳篷、充氣膜像熱氣球

骨架膜像蒙古包

△幾種張拉膜和充氣膜

 ① 張拉膜  

丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓是

為數(shù)不多的整體采用膜結(jié)構(gòu)的機(jī)場(chǎng)

76米x285米的大空間

沿長(zhǎng)邊方向劃分為17個(gè)單元

△丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓：鳥瞰

每個(gè)單元由間距45.8米的兩根支柱

撐起山峰形的脊索

柱間為起穩(wěn)定作用的谷索

以脊索和谷索為邊界結(jié)構(gòu)

其間的張拉膜材覆蓋建筑大空間

△丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓：室內(nèi)

2010年上海世博會(huì)主入口的世博軸

也采用了張拉索膜結(jié)構(gòu)

由德國(guó)SBA公司和華東建筑設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)

全長(zhǎng)1045米、寬約100米的世博軸

由6個(gè)喇叭形的陽(yáng)光谷、13根大型桅桿、

數(shù)十根斜拉索和巨大的膜結(jié)構(gòu)組成

△上海世博會(huì)世博軸，2010年

 ② 充氣膜  

利用氣壓使膜產(chǎn)生張力

以此來(lái)抵抗外力的結(jié)構(gòu)稱為充氣膜結(jié)構(gòu)

具體又分為氣承式和氣脹管式兩大類

是現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)擺脫馬戲團(tuán)帳篷形象的一次嘗試

簡(jiǎn)單地理解，氣承式是利用膜內(nèi)外氣壓差

使膜產(chǎn)生拉力來(lái)平衡外荷載

類似于熱氣球

△氣承式(熱氣球)  /  氣脹管式(充氣棒)

氣脹管式的原理是利用充氣

使得管(梁或拱)形成抗彎和軸向剛度

以承擔(dān)外荷載，類似于常見的充氣棒

氣脹管式充氣膜所需要的氣壓比氣承式的更大

結(jié)構(gòu)效率比氣承式低

 △氣承式和氣脹管式受力原理簡(jiǎn)圖

充氣膜結(jié)構(gòu)建造方便、快速

最初用于軍用設(shè)施

以1970年大阪世博會(huì)為展示契機(jī)

膜結(jié)構(gòu)因建造快速簡(jiǎn)便

被眾多國(guó)家場(chǎng)館所采用

其中最具代表性的美國(guó)館和富士館都是充氣膜

美國(guó)館的方案是由蓋格爾(D.Geiger)

提出的低拱度空氣膜結(jié)構(gòu)

屬于氣承式

在長(zhǎng)軸142米、短軸83.5米的橢圓形壓環(huán)內(nèi)側(cè)

用索張拉膜材(聚氯乙烯噴涂的玻璃纖維布)

△大阪世博會(huì)上的美國(guó)館,1970

美國(guó)館穹頂?shù)拇苟确浅５?僅1.6m)

垂度低的充氣穹頂

受到的風(fēng)荷載分布比較均勻(吸力)

這對(duì)保持膜結(jié)構(gòu)形態(tài)和承載力的穩(wěn)定非常有利

與美國(guó)館不同

富士館是一種拱形的充氣膜

只對(duì)拱形管充氣

建筑物內(nèi)部氣壓與室外氣壓相同

出入口不需要?dú)忾T鎖，完全自由

同時(shí)結(jié)合橫向索和纜風(fēng)索

形成整體穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)

△大阪世博會(huì)富士館,1970

充氣拱的管狀截面直徑約4m

膜材為噴涂有彈性橡膠的聚乙烯醇纖維布

充氣氣壓比室外大氣壓高800mm水柱

每個(gè)單元有16根拱，拱長(zhǎng)均為72m

但每根拱的拱高和拱腳跨度不同

最終呈現(xiàn)出獨(dú)特的形狀

富士館以前所未有的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和形態(tài)震驚了世界

PTFE這種不可燃、高耐久性膜材的出現(xiàn)

為充氣膜形式的永久建筑提供了技術(shù)上的可行性

 ③ 骨架膜  

骨架膜是以剛性構(gòu)件作為骨架

以膜材作為覆蓋材料

主要由剛性骨架承受外荷載

由于膜材的透光性和張力感

使得骨架膜結(jié)構(gòu)的大空間

更加明亮、開放、富有力度感

△蓬皮杜梅斯藝術(shù)中心, 2010 

蓬皮杜梅斯藝術(shù)中心

由坂茂建筑事務(wù)所（Shigeru Ban Architects）設(shè)計(jì)

以15m跨度為模數(shù)

3個(gè)縱深長(zhǎng)達(dá)90m的長(zhǎng)方體彼此垂直層疊

木結(jié)構(gòu)屋面表面覆蓋PTEE薄膜

呈現(xiàn)出極佳的效果

 04. 膜結(jié)構(gòu)工程的保養(yǎng)維護(hù) 

1、工程維護(hù)一般要求

膜結(jié)構(gòu)工程的保護(hù)和維護(hù)。膜材表面不應(yīng)與刀子、銳器接觸，以免劃破及磨傷膜材表面。一旦發(fā)現(xiàn)膜材被劃破、嚴(yán)重磨傷等現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取有效措施以免磨傷更加嚴(yán)重，同時(shí)通知廠商派人修復(fù)，鋼構(gòu)件表面不得遭受硬物打擊與劃傷，不得接觸各種酸性、堿性和有機(jī)溶劑。

2、膜材表面需清洗、打掃時(shí)：

（1）工人不應(yīng)穿硬底鞋直接接觸表面，防止沙土磨傷表面，嚴(yán)重磨刮膜表面。

（2）清洗膜表面時(shí)，應(yīng)用清水或中性清洗劑，不宜用如：汽油、酒精、氯水等酸性或堿性材料液劑清洗。

（3）膜表面不宜長(zhǎng)時(shí)間堆放異物如：鐵件、化學(xué)物品或其它帶顏色的材料等。

3、對(duì)結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)、鋼索、夾板及螺栓等部件在未經(jīng)廠商認(rèn)可的情況下不得任意調(diào)整、拆卸。

4、未經(jīng)許可不許在膜材上隨意牽拉、懸掛重物及物品。

5、用戶應(yīng)定期（半年至一年）對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行防銹及維護(hù)，確保結(jié)構(gòu)安全，防止銹水滴落膜材表面。

以膜構(gòu)成的空間有著無(wú)盡的可能和魅力

需綜合考慮功能與形態(tài)、

造型與力、材料、系統(tǒng)、

節(jié)點(diǎn)、織物裁剪、施工方法等

你會(huì)發(fā)現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

其實(shí)是一種妙趣橫生的探索過程

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