張拉膜結構

張拉膜結構是指通過拉索將膜材料張拉於結構上而形成的，張拉膜結構也可稱為張拉式索膜結構，是由穩定的空間雙曲張拉膜面、支承桅桿體系、支承索和邊緣索等構成的結構體系。張拉膜結構由於具有形象的可塑性和結構方式的高度靈活性、適應性，所以此種方式的套用極其廣泛。張拉膜結構又可分為索網式、脊索式等。張拉膜結構體系富於表現力、結構性能強，但造價稍高，施工要求也高。

基本介紹

• 中文名：張拉膜結構
• 外文名：Tensegrity
• 類別：結構
• 受力：張拉應力

基本介紹

張拉膜結構是建築結構中最新發展起來的一種形式，自從1970年代以來， 膜結構在國外已逐漸套用於體育建築、商場、展覽中心、交通服務設施等大跨度建築中。

基本概念

城市的交通樞紐是城市命脈的關鍵性建築，使用功能要求建築物各組成單元的標誌明確。因而近來年，這類建築越來越多採用膜結構。建築膜材料的使用壽命為25年以上。在使用期間，在雪或風荷載作用下均能保持材料的力學形態穩定不變。建成於1973年的美國加州La Verne大學的學生活動中心是已有23年歷史的張拉膜結構建築．跟蹤測試與材料的載入與加速氣候變化的試驗，證明它的膜材料的力學性能與化學穩定性指標下降了20%至30%，但仍可正常使用。膜的表層光滑，具有彈性，大氣中的灰塵、化學物質的微粒極難附著與滲透，經雨水的沖刷建築膜可恢復其原有的清潔面層與透光性。

張拉膜結構

張拉整體結構（Tensegrity）是由一組連續的拉桿和連續的或不連續的壓桿組合而成的自應力、自支撐的網狀桿繫結構，其中「不連續的壓桿」的含義是壓桿的端部互不接觸，即一個節點上只連線一個壓桿。 Tensegrity是美國建築師 R.B.Fuller首先提出的一種結構思想，他認為宇宙的運行就是按照張拉整體的原理進行的，即萬有引力是一個平衡的張力網，各個星球是這個網中的一個個獨立的孤立點。這種結構體系中的索網就相當於宇宙中的萬有引力，獨立的受壓桿件相當於宇宙中的星球。

概念設計

簡述

只有正確表達結構邏輯的建築才有強大的說服力與表現力”這句話揭示了張拉膜結構的精髓。對於張拉膜結構，任何附加的支撐和修飾都是多餘的，其結構本身就是造型；換句話說，不符合結構的造型是不可能的，因為那樣的薄膜不是飄動的就是缺乏穩定性的。張拉膜結構的美就在於其“力”與“形”的完美結合。 張拉膜結構的基本組成單元通常有：膜材、索與支承結構（桅桿、拱或其他剛性構件）。

膜材一種新興的建築材料，已被公認為是繼磚、石、混凝土、鋼和木材之後的“第六種建築材料”。膜材本身受壓不大，抗彎也不是很好，所以要使膜結構正常工作就必須引入適當的預張力。此外，要保證膜結構正常工作的另一個重要條件就是要形成互反曲面。傳統結構為了減小結構的變形就必須增加結構的抗力；而膜結構是通過改變形狀來分散荷載，從而獲得最小內力增長的。當膜結構在平衡位置附近出現變形時，可產生兩種回復力：一個是由幾何變形引起的；另一個是由材料應變引起的。通常幾何剛度要比彈性剛度大得多，所以要使每一個膜片具有良好的剛度，就應儘量形成負高斯曲面，即沿對角方向分別形成“高點”和“低點”。“高點”通常是由桅桿來提供的，也許是由於這個原因，有些文獻上也把張拉膜結構叫做懸掛膜結構（suspension membrane）。 索作為膜材的彈性邊界，將膜材劃分為一系列膜片，從而減小了膜材的自由支承長度，使薄膜表面更易形成較大的曲率。有文獻指出，膜材的自由支承長度不宜超過15米，且單片膜的覆蓋面積不宜大於500平米。此外，索的另一個重要作用就是對桅桿等支承結構提供附加支撐，從而保證不會因膜材的破損而造成支承結構的倒塌。

膜結構設計

一、膜結構採用以機率理論為基礎的極限狀態設計方法，用分項係數的設計表達式進行計算。
二、膜結構應根據建築物的性質和等級、使用年限、使用功能、結構跨度、防火要求、地區自然條件及膜材的耐用年限等要求進行膜材選用。
三、膜結構的設計應根據荷載、支承條件、製作加工、施工工況及其它特殊條件進行。
四、膜結構的設計內容包括形狀設計、荷載分析、裁剪設計、配件設計、支承結構設計。
五、對膜結構的形狀設計、荷載分析、裁剪設計，應在考慮施工過程的基礎上進行一體化的設計。
六、膜材只能承受拉力，不能承受壓力和彎矩。
七、膜面的最大主應力應小於膜材的強度設計值，在荷載長期作用下，最小主應力應大於等於維持其初始平衡形狀的應力值。
八、膜結構一體化設計時，應考慮膜材的鬆弛、徐變、老化。
九、膜結構設計時，應考慮使用階段膜材替換對整體結構的影響。
十、膜結構設計應考慮膜材破壞時，支承結構仍應保持自身的強度、剛度及穩定性。

膜材分類

膜材分類

目前建築膜材廣泛認可的標準是日本JISA-93所規定的A、B、C三類，是根據其防火性能的優劣來劃分的。

A類

A類最好，以玻璃纖維織物為基材塗PTFE而成；

B類

B類次之，以玻璃纖維織物為基材塗PVC而成；

C類

C類是三類中最次的，以聚酯（滌綸）織物為基材塗PVC而成。按塗層材料分，有聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯

（PU）、橡膠等。

PTFE建築膜材

PTFE膜材是在超細玻璃纖維織物上塗以聚四氟乙烯樹脂而成的材料。這種膜材有較好的焊接性能，有優良的抗紫外線、抗老化性能和阻燃性能。另外，其防污自潔性是所有建築膜材中最好的，但柔韌性差，施工較困難，成本也十分驚人。一些公司共同開發永久性膜材。其加工方法是把玻纖織物多次快速放入特氟隆熔體中，使織物兩面皆有均勻的特氟隆，使永久性的PTFE膜正式誕生。此後永久性膜結構正式在美國風行，許多學者對膜結構進行了深入的研究。20年後跟蹤檢測結果表明，這種膜材的力學性能與化學穩定性指標只下降了20%~30%，顏色也幾乎沒變，膜的表層光滑，具有彈性，大氣中的灰塵、化學物質微粒極難附著與滲透，經雨水沖刷建築膜可恢復其原有的清潔面層與透光性，這足以顯示出PTFE膜材的強大生命力和廣闊的市場前景。 目前國外對這種膜材的開發和套用比較成熟，生產廠家也很多。

玻纖PVC建築膜材

這種膜材開發和套用得比較早，通常規定PVC塗層在玻璃纖維織物經緯線交點上的厚度不能少於0.2mm，一般塗層不會太厚，達到使用要求即可。為提高PVC本身耐老化性能，塗層時常常加入一些光、熱穩定劑，淺色透明產品宜加一定量的紫外吸收劑，深色產品常加炭黑做穩定劑。另外對PVC的表面處理還有很多方法，可在PVC上層壓一層極薄的金屬薄膜或噴射鋁霧，用雲母或石英來防止表面發粘和沾污。

玻纖有機矽樹脂建築膜材

有機矽樹脂具有優異的耐高低溫、拒水、抗氧化等特點，該膜材具有高的抗拉強度和彈性模量，另外還具有良好的透光性。Vestar膜材就採用這種樹脂對玻璃纖維布塗覆而製成的，目前這種膜材套用的不多，生產廠家也較少。

張拉膜

玻纖合成橡膠建築膜材

合成橡膠（如丁腈橡膠，氯丁橡膠）韌性好，對陽光、臭氧、熱老化穩定，具有突出的耐磨損性、耐化學性和阻燃性，可達到半透明狀態，但由於容易發黃，故一般用於深色塗層。膨化PTFE建築膜材。由膨化PTFE纖維織成的基布兩面貼上氟樹脂薄膜即得膨化PTFE建築膜材。由於它的造價太高，一般的建築考慮到成本和性能兩方面，很少選用這種膜材，目前國外的生產廠家也不多。

ETFE建築膜材

由ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）生料直接製成。ETFE不僅具有優良的抗衝擊性能、電性能、熱穩定性和耐化學腐蝕性，而且機械強度高，加工性能好。近年來，ETFE膜材的套用在很多方面可以取代其他產品而表現出強大的優勢和市場前景。這種膜材透光性特別好，號稱“軟玻璃”，質量輕，只有同等大小玻璃的1%；韌性好、抗拉強度高、不易被撕裂，延展性大於400%；耐候性和耐化學腐蝕性強，熔融溫度高達200℃；可有效的利用自然光，節約能源；良好的聲學性能。自清潔功能使表面不易沾污，且雨水沖刷即可帶走沾污的少量污物，清潔周期大約為5年。另外，ETFE膜可在現成預製成薄膜氣泡，方便施工和維修。ETFE也有不足，如外界環境容易損壞材料而造成漏氣，維護費用高等，但是隨著大型體育館、遊客場所、候機大廳等的建設，ETFE更突顯自己的優勢。目前生產這種膜材的公司很少，只有少數幾家公司可以提供ETFE膜材，這種膜材的研發和套用在國外已開發國家也不過十幾年的歷史。

包括內容

1，初始態分析：確保生成形狀穩定、應力分布均勻的三維平衡曲面，並能夠抵抗各種可能的荷載工況；這是一個反覆修正的過程。

2，荷載態分析：張拉膜結構自身重量很輕，僅為鋼結構的1/5，混凝土結構的1/40；因此膜結構對地震力有良好的適應性，而對風的作用較為敏感。此外還要考慮雪荷載和活荷載的作用。由於目前觀測資料尚少，故對膜結構的設計通常採用安全係數法。

張拉膜

3，主要結構構件尺寸的確定，及對支承結構的有限元分析。當支承結構的設計方法與膜結構不同時，應注意不同設計方法間的係數轉換。

4，連線設計：包括螺栓、焊縫和次要構件尺寸。

5，剪裁設計：這一過程應具備必要的試驗數據，包括所選用膜材的楊氏模量和剪裁補償值（應通過雙軸拉伸試驗確定）。

膜結構在方案階段需要考慮的問題有：

1，預張力的大小及張拉方式；

2，根據控制荷載來確定膜片的大小和索的布置方式；

3，考慮膜面及其固定件的形狀以避免積水（雪）；

4，關鍵節點的設計，以避免應力集中；

5，考慮膜材的運輸和吊裝；

6，耐久性與防火考慮。

在膜結構設計階段所要考慮的要點有：

1，保證膜面有足夠的曲率，以獲得較大的剛度和美學效果；

2，細化支承結構，以充分表達透明的空間和輕巧的形狀；

3，簡化膜與支承結構間的連線節點，降低現場施工量。

膜結構研究的主要問題有：

1，找形（Form-finding）或更進一步叫“形態理論”；

2，考慮膜材鬆弛和各向異性下的結構回響；

3，結構在風荷載作用下的動力穩定性；

4，裁剪最佳化；

5，膜與索及支承結構間的相互作用。

發展方向

膜結構是建築結構中最新發展起來的一種形式，它以性能優良的織物為材料，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1970年代以來， 膜結構在國外已逐漸套用於體育建築、商場、展覽中心、交通服務設施等大跨度建築中。 膜結構已成為結構設計選型中的一個主要方案。成為化纖紡織品套用的一個重要領域。近年來在中國建築 結構中也有長足的進展。 大阪萬國博覽會中的美國館採用了氣承式空氣 膜結構。這個擬橢圓形、軸線尺寸為 140m×83.5m的展覽館是世界上第一個大跨度的 膜結構，而且是首次採用了聚氯乙烯(PVC)塗層的玻璃纖維織物。作為一種真正的現代工程結構，大阪萬國博覽會的展覽館標誌著 膜結構時代的開始。自此以後， 膜結構在世界範圍內得到了迅猛的發展。從跨度來說,美國的"銀色穹頂"氣承式空氣 膜結構的平面有234.9m×183m，開始採用聚四氟乙烯(PTFE)塗層的玻璃纖維織物，類似的大型體育館在北美就建了九座。從面積來說,沙烏地阿拉伯吉大機場候機大廳的懸掛膜結構占地42萬m2。作為 膜結構一種新形式，索穹頂於1988年首先用在漢城奧運會的體操館與擊劍館，其後又在一些體育建築中得到推廣。千年穹頂以其獨特的 膜結構，顯示了當今建築技術與材料科學的發展水平。

張拉膜

目前國內有好多廠家都能生產有PVC塗層聚酯織物，但其性能尚未能完全達到建築織物的要求，作為建築用的永久性材料尚需進一步提高。據悉最近有些公司正在試製有PVDF面層的聚酯織物和PTFE玻璃纖維織物，外觀與性能都大有改進。

近一段時間來，國外媒體表現出了對中國建築設計前所未有的關注。2005年12月23日的美國《商業周刊》評選出了中國十大新建築奇蹟，包括北京奧體主會場、國家游泳中心、北京首都國際機場、上海世界金融中心、國家大劇院、中央電視台、上海崇明東灘生態城、當代MOMA、長城腳下的公社、東海大橋(上海)。其中地處北京的建築就有七家之多。“中國正逐步成為當今最具有創意性建築和工程設計的舞台。”中國建築事業的發展,正在為今日最頂尖建築及工藝技術創造一個舞台。報導首先分析了中國新建築崛起的經濟原因和外部環境。文章說，當全球矚目北京2008年奧運會時，不單是世界上最快以及最具實力的運動員們正在為爭取最高榮譽而加緊努力,，新一代的創新建築也正在北京的土地上拔地而起。由於蒸蒸日上的經濟的強大支持，世界上最大的航空港、有節能環保的建築及世界上最高的室外觀光台等將很快一一落戶中國。文章列舉評選結果說，2008年以前完工的國家游泳中心(水立方)、國家體育場(鳥巢)、國家大劇院等中國公眾十分熟悉的知名場館更理所當然地進入了“十大”之列。

從對它們的評價與介紹中可以看到評選者對追求環保、自然的推崇。比如被稱為“水立方”的國家游泳中心，是節能環保型的建築。游泳池內的水將由太陽能加熱，泳池的雙重過濾裝置可實現水的再利用，就連多餘的雨水也將被收集和儲存在地下的水池中。複雜的工程系統和彎曲的鋼結構使得外部結構像一個泡沫，這種獨特的結構設計使得“水立方”幾乎經得起任何地震的襲擊。文章介紹“鳥巢”時寫道，為讓北京奧運會主會場這個有著91000個座位的、可能是至今最大的環保型體育場獲得自然通風，建築師從自然中獲得了靈感，獨創了一個未完全密封，但同樣能為觀眾和運動員遮風擋雨的外殼。體育場的外觀猶如一個由枝條編織而成的鳥巢；而其內部，從休息室到飯店，每一個分開的空間都是一個獨立的單元，從而使自然空氣的流通成為可能。文章指出，作為全國最具流行色彩的城市，北京吸引了很多知名建築大師成就事業。入選的北京“長城腳下的公社”，是由12名亞洲傑出建築師設計建造的當代建築藝術作品。北京“當代MOMA”的設計表明了環保創新技術在住宅中套用和它所代表的建築發展新趨勢，堪稱大型可持續發展住宅建築的典範。它採用世界上最大的地源熱泵系統，將用來幫助這個由第20層的咖啡館、乾洗店等系列服務設施連線起來的8幢建築組成的小區，採用最為節能的方式保持恆濕恆溫，這是這座建築的一大亮點。住宅單元還有一大亮點，就是可再利用廢水，將廚房和洗臉盆的廢水過濾，衛生間循環利用。

張拉膜

（一）、前言

為了迎接新世紀的來臨，人們試圖採用各種方式表示慶賀，建造一座建築物不但以其形體引人注目，而且將作為標誌性建築而長久地存在。在全世界眾多的紀念性建築中，英國所建造的千年穹頂（Millennium Dome）尤為突出。當2000年子夜的鐘聲敲響時,在倫敦泰晤士河畔五彩繽紛焰火的照耀下，千年穹頂以它銀白色的圓頂迎接新的千禧年。這座直徑 320m、以 12根高山100m的桅桿所支承的圓球形屋頂採用了張力膜結構。正是這座穹頂集中體現了20世紀建築技術的精華，用它來迎接新世紀，的確是再恰當不過了。

雖然人們喜歡從最廣泛的意義出發，把鐵木構架和帆布建成的大棚,甚至以枝條和獸皮搭成的帳篷都納入膜結構的範圍,但從嚴格的結構受力的定義來說,膜結構始於1970年日本大阪博覽會上一座氣承式膜結構的美國館。當初這不過是臨時性的展覽建築，但30年來膜結構卻經歷了巨大的變化。

從膜結構的跨度來看，近似橢圓形的美國館，兩個方向的跨度針別為 140m和 83.5m。以後東京後樂園的氣承式膜結構，最大跨度達201m。而美國亞特蘭大的喬治亞穹頂，以橢圓形的屋頂覆蓋了 240mxl92m的索膜結構。從當前的技術和材料條件看，完全有可能用膜結構來修建 1000m的大跨度建築。從所覆蓋的面積來看，1981年沙烏地阿拉伯吉大機場候機大廳的傘形懸掛膜結構的占地42萬m2，已令人嘆為觀止。而如今在沙烏地阿拉伯的米拿，為了庇護來往的朝聖者，正在分三期建設與吉大機場類似的膜結構，總面積在100萬m2以上，堪稱 帳篷之城。

膜結構作為一種現代化的工程結構，顯示了當今建築技術與科學的發展水平，也具有巨大的發展潛力，在新的世紀中，膜結構必將在建築結構中占有重要的地位。

（二）、不定的形狀與形狀的確定

膜結構的突出特點之一就是它形狀的多樣性，曲面存在著無限的可能性。對於氣承式空氣膜結構來說，充氣之後的曲面主要是圓球面或圓柱面，可能沒有太多的選擇餘地。而對於以索或骨架支承的膜結構，其曲面就可以隨著建築師的想像力而任意變化。

膜結構形狀的千變萬化突出地表現在歷年各國舉行的博覽會上。在這些博覽會上，大大小小的展覽館，無不以新穎奇特的造型來吸引觀眾，而膜結構就能用來達到這樣的目的。例如1985年在日本茨城縣舉行的國際科學技術博覽會，入口就是以五顏六色的膜材構成的拱形大門。在眾多的展覽館中膜結構尤為奪目，像火鳥館以鋼樑與索組成的骨架支承扁平的凹凸屋面。美國館以高聳的桅桿懸掛銀白色的屋面。電力館以中央塔架懸吊25個尖頂帳篷，夜晚通過燈光的反射宛如燃燒的火焰。其他象在候車亭、電話亭、走廊、廁所上也都出現了用膜材構成形式各異的建築小品，蔚為大觀。

就形狀而言，對建築師說來是至關重要的。採用一般結構的建築物，其形狀往往是先由建築師確定。膜結構則不同，首先它的變形比一般結構要大一些，其次它的形狀是在施工過程中逐步形成的，有一個形狀確定的問題，需要結構工程師的參與。要確定在初始荷載下結構的初始形狀，即結構體系在膜自重（有時還有索）與預應力作用下的平衡位置。在初步設計階段，先按建築要求設定大致的幾何外形，然後對膜面施加預應力使之承受張力，其形狀也相應改變，經過不斷調整預應力，最後就可得到理想的幾何外形和應力分布狀態。

懸索結構中的索網與膜結構一樣也有形狀確定問題，像1968年蒙特婁博覽會的德國館和1972年慕尼黑奧運會主體育場都有特殊的形狀需要確定，當時只有藉助於縮尺模型來解決。早期的膜結構也往往採用這個方法，材料從最簡單的肥皂膜，一直到織物或鋼絲。由於在小比例模型上測量的誤差尚不足以保證曲面幾何形的正確性，故對足尺的建築外形只能起參考作用。但這還不失為一種有效的手段，能為設計者提供一個直觀的形象。隨著計算機技術的不斷進步，膜結構的形狀就更多地依靠計算機來確定。在膜結構設計理論中還出現了專門的研究課題--找形（formfinding）。為了尋求合理的幾何外形，這個過程通過計算機的幾次疊代，就可確定膜結構的初始形狀。

膜結構設計打破了傳統的先建築、後結構做法，要求建築設計與結構設計緊密結合。在設計過程中，建築師和結構工程師要坐在一起確定建築物的形狀，並進行必要的計算分析。這時，所設計建築物的平面形狀、立面要求、支點設定、材料類型和預應力大小都將成為互相制約的因素，一個完美的設計也就是上述矛盾統一的結果。

（三）、從帳篷到永久性建築

過去人們習慣地把膜結構看作是個帳篷，而帳篷只能算是一個臨時性建築--不夠牢固、不能防火、又不能保暖或隔熱。如今對採用膜結構的帳篷卻要刮目相看了，其中的關鍵問題就是材料。

當初大阪博覽會上的美國館，由於是臨時性的展覽建築，採用的膜材是塗覆聚氯乙烯（PVC）的玻璃纖維織物，算不上先進，但在強度上也經受了兩次速度高達每小時140km以上颱風的考驗。通過這個工程使設計者認識到，需要一種強度更高、耐久性更好、不燃、透光和能自潔的建築織物，70年代美國製造商開發的玻璃纖維織物即滿足了如上的要求。主要的改進是塗覆的面層採用了聚四氟乙烯（PTFE,商品名Teflon一特氟隆）。這種材料於1973年首次套用於美國加利福尼亞拉維思學院一個學生活動中心的屋頂上。經過20多年的考驗,材料還保持著70-80%的強度，仍然透光並且沒有褪色，拉維恩學院膜結構的使用經驗表明，塗覆PTEE面層的玻璃纖維織物，不但有足夠的強度承受張力，在使用功能上也具有很好的耐久性，從樂觀的估計來說,這種材料的使用年限將遠不止當初所估計的25年。

與此同時，一種價格比較低、塗覆PVC的聚酯織物在性能上也有很大的改進。製造商在原來的塗層外面再加一面層，比較成熟的有聚氟乙烯（PVF，商品名Tediar）和聚偏氟乙烯（PVDF），這種面層不但能保護織物抵抗紫外線,而且大大地改進了自潔性，這樣就把聚酯織物的使用年限提高到15年；得以在永久性建築中使用。

1975年在美國密執安州龐提亞克興建了平面尺寸243.9X183m的銀色穹頂，這是第一次將氣承式膜結構套用於永久性的大型體育館。其後在北美地區，類似的膜結構就建了9座，其中象美國的明尼阿波利斯和加拿大的溫哥華均位於北方地區。雖然象這樣的充氣結構也發生過幾次不愉快的坍塌事故，但是膜結構終於登堂入室，進入永久性建築的行列。日本在徘徊了10多年之後，也在1988年修建東京後樂園棒球場時採用了氣承式膜結構。

早期修建的膜結構大多是開敞式或位於氣候溫和的地區，還沒有充份發揮膜材的圍護能力，那么在寒冷和多雪地區，將是對膜結構作為永久性建築的真正考驗。1983年在加拿大加爾格里建成的林賽公園體育中心就是一個例證。在這座橢圓形的建築中，游泳館和田徑館各占一半，以一根橫跨122m的格構式鋼拱將兩者分開。在鋼拱與周邊圈樑之間的鋼索網支承著折線形的膜材屋面，採用塗覆PTEE的玻璃纖維織物，索網下設有纖維棉的保暖層，屋頂不但能防寒，還能透過4%的光線，這就足以在白天不用人工採光。此外在保暖層下面還有一層很薄的蒸氣絕緣層，能起吸音作用。

位於號稱日本雪國的秋田縣，最深積雪可達150cm。1990年建造了天空穹頂體育館，其外形從球體截取，長邊為130m、短邊為100m。這座體育館的設計構思來源於當地著名的雪窯洞，但置身其中又有在戶外的感覺。屋蓋承重是正交的格構式空間拱系，沿長方向採用空腹拱並設有鋼索，沿短方向採用鋼管拱。長向鋼索被用來對膜面施加張力，同時與骨架在屋面形成V形槽溝，以便於雪滑落。緊貼屋面的鋼管拱被用作輸送暖風的通道，既起到融雪的作用，也解決了膜面的結露問題。膜材為單層玻璃纖維織物，透光率可達10%，在場中仰望屋頂，給人以通透明亮的感覺。在寒冷地區建造大跨度膜結構，秋田天空穹頂是一個成功的範例。

（四）、膜的交承--空氣、索或骨架

膜材屋面以什麼支承，始終是膜結構設計中有待於探索的問題。也許當初是從氣球或橡皮艇受到的啟發，人們考慮以空氣為支承，就是向氣密性好的膜材所覆蓋的空間注入空氣，利用內外空氣的壓力差使膜材受拉，結構就具有一定的剛度來承重。早在第二次世界大戰後期，美國就曾用氣承式膜結構建造了一些小直徑的雷達罩棚用於軍事目的，而大阪博覽會的美國館則是大跨度氣承式膜結構的里程碑。在大阪博覽會上還出現了一種氣脹式膜結構，即將膜材本身做成一個封閉體，注入空氣的壓力要比氣承式大得多。象富士館就是以輪胎狀的半圓形筒體組成50m直徑的圓頂，在節日廣場大跨度網架上，鋪設的屋面板是上下兩層，其為聚酯膜材，10.8m見方的充氣板。

氣承式膜結構用作大跨度體育館屋頂，建成之後由於在惡劣天氣時維護不當，曾出現過好幾次事故，輕者屋面下癟，重者膜材被撕裂，砸壞了下面的設施。這些事故雖然只造成一些財產的損失，並沒有人員傷亡，但在公共建築中屋面出問題，還是引起了公眾的關注，甚至對氣承式膜結構是否安全也產生了疑問。

1986年以後，在美國建造的大型體育館就沒有採用過空氣膜結構，對於有些已建成的體育館，其膜材將達到保證的使用年限，需改建時也不再考慮採用氣承式膜結構。不過由於其造價低廉、安裝方便，中小跨度的健身房、網球館、倉庫等，氣承式膜結構還是受到歡迎。

對膜結構能否用在永久性建築上一向比較慎重的日本，卻在東京後樂園採用了氣承式膜結構。它在構造上與以前在美國建造的空氣膜結構沒有什麼差別，其主要特點是在屋頂上採用了先進的自動控制系統，同時屋面膜材為雙層，其間有循環的熱空氣，以融化雪。這個號稱為機械、電子與土建相結合的智慧型建築，確保了膜結構的安全與體育館的正常運行。然而，曾幾何時，昂貴的運轉與維持費用又使後樂園背上了沉重的經濟包袱。近年來日本大量建造穹頂，而沒有繼續採用氣承式膜結構。1997年日本熊本公園體育場主屋蓋採用了加勁索的雙層氣脹式膜結構，使空氣再一次作為膜的支承。熊本穹頂融合了車輪型雙層圓形懸索和氣脹式膜結構的特點，成為一種新型的雜交結構。直徑107m的圓形屋頂宛如一朵浮雲覆蓋著體育館，雙層膜之間的充氣量遠小於要對整個室內空間充氣的氣承式膜結構。一旦漏氣，屋蓋還可由鋼索支承，不至於塌落。

美國工程師蓋格（D.Geiger）是氣承式膜結構的先驅者，他設計了大阪博覽會的美國館，其後又將改進的玻璃纖維膜材用於銀色穹頂。由於氣承式膜結構出現過的多次事故，使他察覺到空氣支承的潛在缺陷，轉而尋求其他的支承方式。在此之前，美國的發明家和工程師富勒（B.Fuller）提出了張拉整體（Tensegrity）的概念,即以連續的受拉鋼索為主，以不連續的壓桿為輔，組成一種結構體系，然而他的概念始終沒有在工程中實現。蓋格創造性地把這個概念運用到以索、膜與壓桿組成的索穹頂（cable dome）設計上，荷載從中心受拉環通過一系列輻射狀脊索,受拉環索與斜拉索傳到周圍的受壓圈樑上。索穹頂首先用在1986年韓國漢城奧運會的體操館與擊劍館上，其直徑分別為120m與93m。其後又得到了不斷的發展，跨度最大的是美國佛羅里達州的太陽海岸穹頂，直徑達210m。此外，美國李維（M.levy）也繼承了張拉整體的構想，並採用了富勒的三角形格線，設計了雙曲拋物面的張拉整體穹頂，其代表作就是1996年在美國亞特蘭大舉行的奧運會主館--喬治亞穹頂，這個240mX192m的橢圓形索膜結構成為世界上最大的室內體育館。主要依靠索來支承膜的索穹頂是膜結構體系的一大進展。

膜材也完全可以支承在平面或空間結構上，如拱、網殼等，其材料可選用鋼、木或鋁合金。象日本秋田天空穹頂採用了鋼結構的空間拱系，而位於同一地區的大館穹頂，178mX157m卵形平面上以雙向膠合木拱支承著雙層膜面。膜結構還可以採用桅桿作為支承，賦予建築立面以新的變化,第一個採用塗覆PTFE玻璃纖維織物的拉維思學生活動中心屋頂由4個圓錐形的帳篷組成，每一個圓錐體有一傾斜15度的桅桿，支承膜材的鋼索就由桅桿頂部輻射狀地伸向周圍的圈樑。英國千年穹頂的12根桅桿穿出了屋面，膜面支承在72根輻射狀的鋼索上，這些鋼索則通過斜拉吊索與系索由桅桿所支撐，吊索與系索對桅桿起穩定作用。在這些建築中，傳統的承重結構與先進的膜面形成了完美的結合。

從多年來國內外的實踐經驗來看，由於新材料、新形式的不斷出現，膜結構具有強大的生命力，必將是21世紀建築結構發展的主流。它的套用範圍不僅限於體育或展覽建築，已向房屋建築的各個方面擴展，因而具有廣闊的發展前景。在中國，膜結構的開發與研究還剛剛起步，因此當務之急是學習並引進國外先進技術，開發生產我國自己的膜材，解決設計中存在的問題。膜結構在中國也將會得到越來越多的套用。

五、膜結構領域

文化設施——展覽中心、劇場、會議廳、博物館、植物園、水族館等

體育設施——體育場、體育館、健身中心、游泳館、網球館、籃球館等

商業設施——商場、購物中心、酒店、餐廳、商店門頭（挑檐）、商業街等

交通設施——機場、火車站、公車站、收費站、碼頭、加油站、天橋連廊等

工業設施——工廠、倉庫、科研中心、處理中心、溫室、物流中心等

景觀設施——建築入口、標誌性小品、步行街、停車場等

索膜結構起源於遠古時代人類居住的帳篷。20世紀70年代以後，高強、防水、透光且表面光潔、易清洗、抗老化的建築膜材料的出現，加之當代電子、機械和化工技術的飛速發展，索膜建築結構已大量用於濱海旅遊、博覽會、文藝、體育等大空間的公共建築上。英國泰晤士河畔的千年穹頂是膜結構體系的標誌性建築，為世界矚目。索膜結構具有易建、易拆、易搬遷、易更新、充分利用陽光和空氣以及與自然環境融合等特長，它是21世紀綠色建築體系的寵兒。目前，在全球範圍內索膜結構無論在工程界還是在科研領域均處於熱潮中。近年來，我國建築市場對索膜建築技術的需求明顯有大幅度增長的趨勢，國外公司紛紛登入我國，刺激了我國索膜建築事業的發展。隨著現代科技的進一步發展，使人類面臨著保護自然環境的使命。因此，天然材料和傳統的古老建築材料必將被輕而薄且保溫隔熱性能良好的高強輕質材料所取代。索膜建築技術在這項變革中將扮演重要角色，其在建築領域內更廣泛的套用是可以預見的，可謂前程似錦。

環境、氛圍、文化、建築形式的和諧統一，是世界範圍內建築師、規劃師追求的最高目標。人類進入21世紀如何理解、構思、創造和建設我們的生活空間？是當今建築界面臨的重要課題。正如世界建築大師會北京憲章指出，廣義建築學.....從理念上和理論基礎上把建築學、地景學、城市規劃的要點整合為一。這是廣義建築學對當代建築師，規劃師提出的新要求建築環境設計不僅為人類們提供了廣泛的活動空間，同時創造了氣象萬千的自然與人文景觀，久居樊籬下，復得返自然。陽光、空氣、綠草、水溪，人造景觀把人們帶入五彩繽紛，千姿百態的世界。以人為本、天人合一已是現代建築環境學遵循的宗旨，是現代化城市建設必須遵守的原則。

建築環境與可持續發展具有鮮明的時代特徵。現代化的城市是景觀環境的依託，而環境的主體和服務目標則是現代人。建築環境作為一種重要的社會文化，是人類的理想與意志的外在體現，也是時代特徵和地域文化的有機結契約時，建築環境也與社會生產力的發展以及當代科學技術水平密切相關。

膜結構是隨著現代科學技術發展起來的全新建築技術表現形式，是材料科學、建築學、結構力學以及現代環境學高速發展的綜合產物。

20世紀60年代隨著現代柔性建築材料的發展，建築師們從帳篷著一最古老的簡單建築結構出發，構造出了魔幻般的形式--膜結構。它可以構成單曲面，多曲面等不同建築結構形式，滿足了建築師們對建築與美學高度統一的要求。

柔性材料具有透光和防紫外線功能，在一些室外建築和環境小品中得到廣泛的套用。正是由於這一特徵，夜間的燈光設計使膜結構具有鮮明的環境標誌特徵。優美造型的膜材，不鏽鋼配件和緊固件加上設計輕巧合理，表面處理嚴格的鋼結構支撐，塑造出形式美觀，設計合理的膜結構，在當今世界範圍內的建築環境設計中占有舉足輕重的地位。

1.娛樂空間

近年來，隨著建築空間觀念的日益深化以及科學手段的不斷提高，回歸自然、沐浴自然之溫馨已是現代建築環境學發展的主流。室內外的視線越來越模糊，出現了許多亦內亦外、相互滲透的不定空間，如：天井、四季廳、動植物園、體育、文化娛樂場所等。由於膜材的光透性，白天陽光可以透過膜材形成慢射光，使室內達到和室外幾乎一樣的自然效果，因此膜結構能創造出與自然環境相媲美的空間形式。

2.標誌性小品

一個城市的中心區反映一個城市的地理風貌和民族風情，同時，也是一個城市文化發展程度的標誌。而景觀設計要求其具有廣泛的可讀性、雅俗共賞，既有超凡脫俗的藝術價值，又能使大眾喜聞樂見與大眾息息相通。膜結構以其鮮明的個性和標識性，套用於城市小品設計中。

3.綠色漫步道

近年來，在人口密集的大城市，在居住區周邊配置綠色空間並有人行步道。居民可以在不受車輛的影響下，在居住區附近的街心地帶輕鬆愉快地散步、休憩，而感到十分愜意。在綠色空間中構造一座膜小品，即生動的美化了環境——如同廣闊綠洲中的點點白帆，又有很強的功能性——人們可以在行走之暇小憩一會兒。

4.商業街

商業街在城市中占有相當大的比重。商業街的建築與環境是城市文明的視窗，代表著物質文明和精神文明的水平，同時，也是景觀環境的重要組成部分。膜結構輕巧別致極具現代化風格，且易於安裝移動，在商業街設計中得以廣泛套用。

5.建築入口

建築入口使城市公共空間與建築空間相鄰的界面，成為城市空間的組成部分。它是人們視覺最先接觸的部分，因此，除了功能以外，還應有很強的標識性，並能體現建築的個性，是建築環境和城市景觀的重要組成部分。由於膜結構獨特的造型是其他結構類型無法比擬的，故成為近來建築入口經常採用的形式。

6.步行街

利用膜結構輕巧，別致的造型建造各種半封閉，全封閉的不行空間，使其形成全天候的 建築空間，提供防風雨，防日曬等人工環境，並有較好的標識招攬效果，因此是步行街改造和新建的絕佳選擇。

7.停車場

隨著都市現代化步伐的加快,汽車成為任何一個都市不可缺少的交通工具。我國由於汽車工業高速發展，城市的汽車擁有量成倍上升，但城市建設規劃沒能儘快適應這一發展的要求，常常是車無停放之地。所以在建設群規劃時就應充分考慮停車場的問題，把停車場的建設和規劃當成現代城市建設規劃的重要組成部分，變得越來越重要。同樣，膜結構在停車場建設中也擔當重要角色。

生活在現代都市的人們已經從過去以謀生為目的的社會行為走上了以樂生為目的的新台階，在精神上追求健康向上，愉快和富有人性的文化環境。現代建築環境是現代城市，現代文化與社會，現代人的生活和觀念的綜合表象。在展現人的個性化，自娛性和多元性環境空間方面，膜結構以其獨具魅力的建築形式，必將會在環境建設中得到越來越廣泛的套用。

結構形式

膜結構體系

膜結構體系由膜面、邊索和脊索、谷索、支承結構、錨固系統，以及各部分之間的連線節點等組成，示意圖見下圖：

膜結構體系構成

按支承分類

膜結構按支承條件分類為：柔性支承結構體系、剛性支承結構體系、混合支承結構體系，結構示意圖見下圖：

膜結構按支承條件分類

按結構分類

膜結構建築按結構分類為：

從結構上分可分為：骨架式膜結構，張拉式膜結構，充氣式膜結構3種形式

膜結構建築形式的分類

1.骨架式膜結構（Frame Supported Structure）

以鋼構或是集成材構成的屋頂骨架，在其上方張拉膜材的構造形式,下部支撐結構安定性高，因屋頂造型比較單純,開口部不易受限制，且經濟效益高等特點，廣泛適用於任何大,小規模的空間。

2.張拉式膜結構（Tension Suspension Structure）

以膜材、鋼索及支柱構成，利用鋼索與支柱在膜材中導入張力以達安 定的形式。除了可實踐具創意，創新且美觀的造型外,也是最能展現膜結 構精神的構造形式. 近年來，大型跨距空間也多採用以鋼索與壓縮材構成鋼索網來支撐上部膜材的形式。因施工精度要求高，結構性能強，且具豐富的表現力，所以造價略高於骨架式膜結構。

3.充氣式膜結構（Pneumatic Structure）

充氣式膜結構是將膜材固定於屋頂結構周邊，利用送風系統讓室內氣壓上升到一定壓力後，使屋頂內外產生壓力差，以抵抗外力，因利用氣壓來支撐，及鋼索作為輔助材,無需任何梁,柱支撐，可得更大的空間，施工快捷，經濟效益高，但需維持進行24小時送風機運轉，在持續運行及機器維護費用的成本上較高。

現今，城市中已越來越多地可以見到膜結構的身影。膜結構已經被套用到各類建築結構中，在我們的城市中充當著不可或缺的角色：

特性

張拉膜結構作為一種建築體系所具有的特性主要取決於其獨特的形態及膜材本身的性能。恰由於此，用膜結構可以創造出傳統建築體系無法實現的設計方案。

1、 輕質：張力結構自重小的原因在於它依靠預應力形態而非材料來保持結構的穩定性。從而使其自重比傳統建築結構的小得多，但卻具有良好的穩定性。建築師可以利用其輕質大跨的特點設計和組織結構細部構件，將其輕盈和穩定的結構特性有機地統一起來。

2、 透光性：透光性是現代膜結構最被廣泛認可的特性之一。膜材的透光性可以為建築提供所需的照度，這對於建築節能十分重要。對於一些要求光照多且亮度高的商業建築等尤為重要。通過自然採光與人工採光的綜合利用，膜材透光性可為建築設計提供更大的美學創作空間。夜晚，透光性將膜結構變成了光的雕塑。

膜材透光性是由它的基層纖維、塗層及其顏色所決定的。標準膜材的光譜透射比在10%~20%之間，有的膜材的光譜透射比可以達到40%，而有的膜材則是不透光的。膜材的透光性及對光色的選擇可以通過塗層的顏色或是面層顏色來調節。

通過膜材和透光保溫材料的適當組合，可以使含保溫層的多層膜具有透光性。即使光譜透射只有幾個百分點，膜屋面對於人眼來說依然是發亮和透光的，具有輕型屋面的觀感。

3、柔性：張拉膜結構不是剛性的，其在風荷載或雪荷載的作用下會產生變形。膜結構通過變形來適應外荷載，在此過程中荷載作用方向上的膜面曲率半徑會減小，直至能更有效抵抗該荷載。

張拉結構的靈活性使其可以產生很大的位移而不發生永久性變形。膜材的彈性性能和預應力水平決定了膜結構的變形和反應。適應自然的柔性特點可以激發人們的建築設計靈感。

張拉膜

不同的膜材的柔性程式也不相同，有的膜材柔韌性極佳，不會因摺疊而產生脆裂或是破損，這樣的材料是有效實現可移動、可展開結構的基礎和前提。

4、 雕塑感：張拉膜結構的獨特曲面外形使其具有強烈的雕塑感。膜面通過張力達到自平衡。負高斯膜面高低起伏具有的平衡感使體型較大的結構看上去像擺脫了重力的束縛般輕盈地飄浮於天地之間。無論室內還是室外這種雕塑般的質感都令人激動。

張拉膜結構可使建築師設計出各種張力自平衡、複雜且生動的空間形式。在一天內隨著光線的變化，雕塑般的膜結構通過光與影而呈現出不同的形態。日出和日落時，低入射角度的光線將突現屋頂的曲率和浮雕效果，太陽位於遠地點時，膜結構的流線型邊界在地面上投入彎彎曲曲的影子。利用膜材的透光性和反射性，經過設計的人工燈光也可使膜結構成為光的雕塑。

5、 安全性：按照現有的各國規範和指南設計的的輕型張拉膜結構具有足夠的安全性。輕型結構在地震等水平荷載作用下能保持很好的穩定性。

由於輕型結構自重較輕，即使發生意外坍塌，其危險性也較傳統建築結構小。膜結構發生撕裂時，若結構布置能保證桅桿、梁等剛性支承構件不發生坍塌，其危險性會更小。

膜結構的柔性使其在任一荷載作用下均以最有利的形態承載。當然，結構的布置和形狀要根據荷載情況來進行設計和調整。設計要確何膜面與其輔助結構協調工作，以避免力在膜面或輔助結構上集中而達結構破壞的臨界值。