膜結構是張拉結構中最新發展起來的一種形式， 它以性能優良的柔軟織物為材料， 或是向膜內充氣， 由空氣壓力支撐膜面或是利用柔性鋼索或剛性支撐結構將膜面繃緊， 從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結構體系。自從本世紀七十年代以來， 膜結構在國外已逐漸應用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務設施等大跨度建筑中。

　　膜結構是一種古老的結構形式， 經過近年來的發展， 已成為一種能夠代表當今建筑技 術和材料科學發展水平的新型結構體系。早在遠古時代， 人們利用獸皮等建造的帳蓬便 是最原始的膜結構。進人二十世紀以來， 人們利用類似的原理， 制造了飛艇、雷達天線罩等， 使膜結構首先在其它一些科技領域中得到了應用。同時， 作為臨時性建筑， 如野營帳蓬、 馬戲團大棚、臨時性倉庫等， 膜結構也曾被采用。但是膜結構作為一種真正的現代工程結構， 當推1 9 7 0年在日本大阪萬國博覽會中所建造的一些空氣膜結構。它標志著膜結構時代的開始， 從此在世界范圍內開展了對膜結構的開發、研究和應用。七十年代初期， 以美國杜邦、 康寧公司為主的幾家公司和設計單位聯合開發研制了以玻璃纖維織物為基材， 以聚四氟乙烯 ( 特氟隆 ) 為涂料的新型膜材， 使膜結構從最初的臨時性建筑開始邁向永久建筑的行列。

　　根據國外的使用經驗， 膜結構具有如下特點和優越性：

　　一 ) 膜結構是建筑與結構完美結合的一種結構體系。膜材本身的受彎剛度幾乎為零， 但通過不同的支撐體系承受膜面張力， 而形成具有一定剛度的穩定曲面。這時， 膜結構的建筑造型是結合結構構造的布局而自然產生的， 力的平衡狀態直接被表現在結構的形狀上， 這就使膜結構成為一種建筑與結構自然有機結合的新型大跨度建筑。

　　( 二 ) 膜結構能較好地滿足建筑功能的要求。由于膜材是半透明的織物， 它的透光率 一般可達4 %一1 6%, 能夠滿足大跨度建筑在平時使用時的采光要求， 白天幾乎不需要人工 照明， 這不僅可以節約大量的能源費用， 而且給人一種開敞的感覺。同時， 由于膜材大多具有很強的反射性， 在熱帶地區，利用它可以反射掉大部分太陽熱能。在寒冷地區， 采用雙層膜結構， 向兩層膜間充入熱空氣或填充透光性好的隔熱材料， 使膜結構具有良好的保溫、隔熱性能。 因而，膜結構可以使建筑物做到敞而不礴，不受季節、氣候的不利影響。此外， 由于膜材大多為不燃或阻燃材料， 耐火性好， 增強了建筑物的防火災能力。

　　( 三 ) 膜結構具有優良的力學特性。 目前以織物與有機涂料復合而成的膜材其條張拉強度可達1 4 0 0 N /c m, 膜結構的受力為單純受拉， 膜材只承受沿膜面的張力， 因而充分 發揮了材料特性。同時，膜材厚度小， 重量輕， 一般厚度在 0.5 m m~o.8m m, 重量約為 o.5k g / ㎡ 一 2.o k g / ㎡， 僅為傳統 大跨度建筑屋蓋材料重 量的 1/10~1/3 0, 它是跨度重量比最大的一種結構。

　　( 四 ) 膜結構制作施工 方便， 造價比較經濟。膜結構的材料為輕質、柔軟織物， 一般可在工廠剪裁、 制作， 打成卷運往工地， 搬運容易， 而且現場施工非常方便， 幾乎不需要腳手架， 這將使屋蓋工程的工期大為縮短。同時， 由于膜材既是結構材料也是圍護材料， 根據國外經驗膜結構屋蓋的造價僅為傳統屋蓋結構的1/2左右。 屋頂部分重量輕， 相應下部結構建筑費用也減少， 工程總造價約減少1 5% ~ 2 0 %.

　　膜結構以其鮮明的特點， 目前已世界上許多國家的各類大跨度建筑中得到了應用。其中以北美國家發展最為迅速， 在1974年~1984年十年間就建造了9座總面積約2 5萬平方米的永久性大型膜結構體育建筑。近年來， 日本、南朝鮮等亞洲國家也相繼在大跨度建筑中應用 膜結構。1975年建成的美國密執安州龐蒂亞克城“ 銀色彎頂”空氣膜結構室內體育場， 平面尺寸為234.9m*180.0 m、高62.5m, 是目前世界上規模最大的空氣膜結構。沙特阿拉伯吉大機場候機大廳及蓋面積50萬平方米的懸掛膜結構， 日本東京后樂園跨度201m、高度56.19 m的空氣膜結構捧球場，南朝鮮漢城為1988年第24屆奧運會而建的直徑120m和90 m的鋼索彎頂膜結構體操館和擊劍館等都是很著名的大跨度膜結構。在我國，膜結構在大跨度建筑中的應用幾乎還是空白， 膜結構的研究、膜材的開發工作才剛剛起步。

　　膜結構的材料：膜結構只有在材料問題得到解決之后才得以大量應用， 因此推廣膜結構關鍵是要生產出實用而經濟的膜材。用于膜結構的膜材現多以高強的織物和涂層街成的復合材料為主。 用抗拉強度高的人造纖雄絲紡成線， 平織成織物， 形成高強的基材， 現多以聚醋織物、玻瑞纖維織物為主。在織物表面涂敷防護性能好的涂層， 使膜材具有良好的耐久、防滅、氣密等特性， 現多采用聚氯乙烯樹脂、聚四氛乙烯 (特氛隆) 和有機硅樹脂。 目前國際上通用的膜材主要有以下幾種：

　　1. 聚氮乙烯 ( P V C )+ 聚酣織物

　　2. 聚氯乙烯( P V C ) 十 玻瑞纖維織物

　　3. 聚四氟乙 烯 ( P T P E )+ 玻瑞纖維織物

　　4. 有機硅 ( S i l ie o n)+ 玻瑞纖維織物

　　以聚醋織物為基材， 以聚氯乙烯樹脂為涂層的膜材是膜結構發展早期應用較為廣泛的一種膜材。它的張拉強度較高， 張拉強度約為350 N /c m 左右， 但彈性模量較低， 材料尺寸穩定性略差， 它屬于阻燃材料， 用熱焊法拼接， 加工制造容易。該膜材價格便宜， 經濟性好，但由于耐久性較差， 使用壽命一般在5 ~ 10年， 多用于中小跨度的臨時或半臨時性建筑。為改善其耐久性， 可在該膜材表面再復合一層聚氟乙烯膜( Ted la rf i lm )， 但焊接強度略受影響。

　　以玻璃纖維織物為基材， 以聚氯乙烯樹脂為涂層的膜材利用了基材強度高 (一般條張拉強度約為1400N /cm )， 材料尺寸穩定性好的優點， 改善了膜材的力學性能， 并保持了價格便宜的特點， 使該膜材具有較強的實用性。1970年日本大阪萬國博覽會國館就是采用該膜材建造的。

　　玻璃纖維織物涂敷聚四氟乙烯 (特氟隆) 膜材， 既利用了織物的力學性好、不燃等特點，又利用了涂料的極好的化學穩定性和熱穩定性， 使該膜材不僅強度高， 材料尺寸穩定性好， 防火不燃，透光性好， 而且具有優良的耐久、自潔性， 使用壽命在25年以上， 適用于大跨度永久性膜結構建筑，是目前在國際上膜結構中應用最為廣泛的膜材。 但價格比較貴， 同時涂敷與拼接工藝較復雜， 需要特殊的備與技術。玻璃纖維織物涂敷有機硅樹脂膜材也具有良好的耐久性， 阻燃性好但不屬于不燃材料。它的柔軟性、透光性、撕裂強度等優于玻璃纖維織物涂敷特級隆膜材， 并且涂敷工藝簡單， 材料價格便宜， 也是目前應用于永久性大跨度膜結構的一種膜材。但該膜材抗污染能力較差， 拼接方法和強度受到一定限制。

　　在我國推廣應用膜結構， 首先遇到的關鍵問題同樣是材料問題。目前我國還沒有專門用于膜結構的膜材， 但是在分析了國外幾種膜材的組成和物理、力學性能的基礎上， 再對比我國的原材料以及用于其它用途膜材的性能和生產能力， 可以看到，在我國完全有可能生產膜結構用的膜材。 因此目前應著手組織研制生產中檔、 高檔專門用于膜結構的各類膜材。建議可以先試制比較便宜的 涂敷聚氯乙烯的聚醋織物， 在取得經驗后， 進一步試制涂敷聚四氟乙烯或有機硅 的玻璃纖維織物。只有立足于我國自行生產的材料， 才能大大推動我國膜結構的研究和應用工作。

　　膜結構的選型：膜結構按其支撐體系的不同， 一般可分為空氣膜結構， 懸掛膜結構， 骨架支撐膜結構， 復合膜結構等幾種結構形式。

　　空氣膜結構是膜結構中最初發展起來的結構形式之一。向由氣密性好的膜材授蓋的空間輸送空氣， 利用內外空氣壓力差， 使膜材處于張拉狀態，結構具有一定剛度以承受自重和外荷載。空氣膜結構可分為氣承式、氣脹式兩種類型。前者多應用于跨度較大的建筑， 結構平面多為矩形、圓形或橢圓形， 屋面拱度一般較低以減小風壓。沿對角線方向一般交叉布置鋼索， 以增加對膜面的加勁作用。根據氣候條件有時也可采用雙層膜。氣承式空氣膜結構 內外氣壓差一般在100Pa ~300Pa, 對人沒有任何不適 的感覺， 對室內環境也無影響。氣脹式空氣膜結構多用于跨度較小的建筑， 結構平面和建筑造形可變化多樣， 空間自由開放， 同時 由于空氣層的阻隔， 結構隔熱性好。氣脹式空氣膜結構內壓較高， 一般在5000 Pa ~ 30000Pa.

　　空氣膜結構應用于大跨度建筑中盡管有許多優點， 但同時也存在一些問題。 首先， 它需要長期不間斷的動力能源供應， 加壓送風也需要一整套的機械和控制系統，這使結構設計 復雜化， 也增加了造價。尤其在我國電力能源供應緊張的今天， 這一點更顯得突出。其次，氣承式空氣膜結構要求封閉的空間以維持氣壓差， 膜材與支承結構的連接要求嚴密， 并且要設置專門的進出口，以盡量減少空氣外泄。氣脹式空氣膜結構由于內壓較高， 要求采用強度高、氣密性好的膜材， 造價較高。再次， 空氣膜結構在局部荷載作用下， 易產生“袋狀效應”, 過去曾發生好幾起膜結構的破壞事故， 都是由于屋面雨或雪的積留， 使星面變形越來越大， 最終導致膜材撕裂。 鑒于空氣膜結構存在的問題， 結合我國的實際情況， 目前在我國還不宜采用這種結構形式。

　　懸掛膜緒構最初是人們從帳蓬結構得到啟示發展而來的。它采用桅桿或獨立拱等支撐結構將鋼索或膜張掛起來， 利用柔性索向膜面施加張力將膜繃緊， 形成穩定的結構，其造型新撅， 適合于中小跨度的建筑物， 它與懸索結構的力學分析方法有相通之處， 因此這種結構在我國推廣應用有一定基礎。加拿大卡爾加里林賽公園體育中心。這是一座雙曲拋物面索網式懸掛膜結構， 跨度約122 m 高 36.5m, 屋蓋部分由一個跨越體育場的格構式拱和兩片馬鞍形索網膜結構組成， 索懸掛在拱與水平的橢圓形環梁之間， 膜面由索網張緊。這座建筑以屋蓋密閉性優良而著稱。

　　骨架支撐膜結構利用拱、空間網格結構等鋼性骨架來支撐膜面。屋面自重可以大大減輕， 而且構造也比較簡單， 適合于各類大跨度建筑， 在我國也是一種很有推廣價值的膜結構形式。日本大阪國際展覽中心。它是由直徑42m,長72 m, 高31 m的半圓筒形鋼網殼作為支撐結構，屋面采用玻瑞纖維織物涂敷特氟隆膜材的骨 架支撐膜結構。 為了固定和張拉膜， 設置一組曲線檁條，將它們固定在網殼上弦的螺栓 球節點上。

　　復合膜結構一鋼索彎頂膜是近年來在膜結構領城發展起來的新型結構形式。該體系是 由連續的張拉鋼索和不連續的壓桿組成， 力從中心受拉環或受拉析架通過放射狀的徑向脊素、谷索、環向拉索、斜拉素傳向周邊的受壓環梁。 扇形膜面從中心環向外環方向展開， 由鋼索施加拉力并繃緊， 固定在壓桿與索接合處的節點上。 鋼索彎頂膜結構克服了空氣膜 構需要不斷充氣的缺點， 同時又保持了空氣膜結構低拱度造型和跨度大的優點， 適用于回形或橢圓形平面的大跨度建筑。南朝鮮奧運會體操館。這是一座直徑約1 20 m 回形平面的鋼索彎頂腆結構。

　　在國外膜結構已發展成為一種富有生命力的新型結構。 它的應用范圍不僅限于體育或展覽建筑， 而已向房屋建筑等各個方面擴展， 因而具有廣闊的發展前景。在我國， 膜結構的開發與研究還剛剛起步， 因此當務之急是學習并引進國外先進技術、開發生產我國自己的膜 材， 井且有重點地在工程中予以應用。 結合我國具體情況， 最能發揮膜結構優勢的應用領域有：

　　( 一 ) 需要自然采光的公共建筑， 如體育館、訓練房、游泳館等， 膜材的半透明性最能滿足這種要求。

　　( 二 ) 在交通不便以及缺少熟練技工的地區，膜結構具有便于運輸與安裝的優點， 最適于在偏僻地區以及緊急救災時采用。

　　( 三 ) 輕巧與美觀的膜結構對于敞開或半敞開的遮蔽屋蓋尤為適宜， 如體育場看臺或露天劇院舞臺等。