膜結構建築

索膜結構是用高強度柔性薄膜材料經受其它材料的拉壓作用而形成的穩定曲面，能承受一定外荷載的空間結構形式。其造型自由、輕巧、柔美，充滿力量感，阻燃、製作簡易、安裝快捷、節能、易於施工、使用安全等優點，因而使它在世界各地受到廣泛套用。

基本介紹

• 中文名：膜結構建築
• 採用：高強度柔性薄膜材料
• 優點：節能、易於施工、使用安全
• 重量：傳統建築的三十分之一

簡介

膜結構建築作為新的建築形式於本世紀五十年代在國際上開始出現，至今已有四十多年的歷史，特別是到了七十年代以後，膜結構的套用得到了迅速發展。膜結構的出現為建築師們提供了超出傳統建築模式以外的新選擇。

膜結構照片

膜結構一改傳統建築材料而使用膜材，其重量只是傳統建築的三十分之一。而且膜結構可以從根本上克服傳統結構在大跨度（無支撐）建築上實現時所遇到的困難，可創造巨大的無遮擋的可視空間。其造型自由輕巧、阻燃、製作簡易、安裝快捷、節能、易於施工、使用安全等優點，因而使它在世界各地受到廣泛套用。另外值得一提的是，在陽光的照射下，由膜覆蓋的建築物內部充滿自然漫射光，無強反差的著光面與陰影的區分，室內的空間視覺環境開闊和諧。夜晚，建築物內的燈光透過屋蓋的膜照亮夜空，建築物的體型顯現出夢幻般的效果。這種結構形式特別適用於大型體育場館、入口廊道、小品、公眾休閒娛樂廣場、展覽會場、購物中心等領域。

張拉膜結構(Tesioned Membrane Structure) ，是依靠膜自身的張拉應力與支撐桿和拉索共同構成機構體系。在陽光的照射下，由膜覆蓋的建築物內部充滿自然漫射光，無強反差的著光面與陰影的區分，室內的空間視覺環境開闊和諧。夜晚，建築物內的燈光透過屋蓋的膜照亮夜空，建築物的體型顯現出夢幻般的效果。張拉膜結構特別適合用來建造城市標誌性建築的屋頂，如體育與娛樂性場館，需有廣告效應的商場、餐廳等。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。

景觀膜結構建築

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 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

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。

場館看台及娛樂空間

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：大廳裝飾、天井、四季廳、動植物園、公園廣場、觀景台、舞台、體育場館、體育看台、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，使膜覆蓋空間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。

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。膜結構以其輕盈飄逸的造型、柔美並帶有力量的曲線和大跨度和大空間的鮮明個性和標識性，套用於城市小品設計中。

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或者走廊、亭台水榭、休憩遮陽傘等，不僅生動地美化了環境（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），而且增加了空間的參差感。

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，且表現形式多樣易於安裝移動，在商業街設計中得以廣泛套用。

建築入口及膜建築屋頂

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。由於膜結構自然的曲線美是其他結構類型無法比擬的，故成為近來建築入口及屋頂經常採用的形式。

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，並有較好的廣告標識效果，因此是步行街改造和新建的絕佳選擇。

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以其優美的造型和實在的功能擔當重要角色。

高速公路收費站

在城市的入口處，設計擁有自己城市鮮明特色和文化韻味的建築形式乃是每個城市發展的首選之作，而張拉膜以自己多變的特性，柔美的造型以及夜晚配合彩燈的照射所顯示出特有的柔和的氛圍更讓過往著記憶深刻，同時極具現代感張拉膜又展現了一個城市的發展理念和思路。

特性

膜結構建築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。

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。

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。

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。

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。

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。

夜晚的燈光使膜結構建築表現出強烈的雕塑感

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。

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。

功能

由於張拉膜結構的自身特性，其可以滿足從簡單遮陽結構到功能複雜的大型建築等許多不同的建築功能要求，並且對於有些功能要求只有它才是最為適合的。

極具表現力的建築形態

具有特定功能的建築都可通過立意得以表達，張拉膜結構的獨特外形體現了建築自身的自然美感。

這些建築形態本身和與其相協調的傳統建築一起構成了令人興致盎然的地面標誌性建築。優秀的膜結構設計是結構與外形的有機融合，使其顯得了類拔萃，同時與自然環境、歷史及現代的城市景觀有機結合。

輕型結構可以看成是大型的雕塑作品，可為其周邊空間增添活力，成為周圍環境的補充和焦點。

抵禦天氣的影響

膜屋面的一個重要作用就是抵禦各種天氣變化（如日曬、雨淋、風雪等）對其內部空間的影響，保持建築物內部的舒適性。選擇膜面的形態和材料時要考慮到所有可能的天氣狀況，並儘可能利用建築本身等被動方法來減少能量的消耗。

多孔膜材可用作遮蔽結構。它可以控制光的透射和反射，使室內擁有散射光，並且促進自然通風，使屋面溫度與周圍環境的溫度相同，並避免向下的熱輻射。

為了抵擋風雪，膜面的外形應使排水通暢使捷，避免在其上形成水兜或雪的堆積。在施加預應力前的安裝成形階段，張拉膜結構對這些荷載十分敏感。為了能將雨水排除，膜材和接縫須密封防水，膜邊緣也必須進行特殊的細部設計，以防止雨水進入室內。

可移動性和臨時性

與其它結構相比的另一個突出優勢是輕型結構對環境的影響具有可調和性。另外它還有兩個重要的特性，即可移動性和靈活性。

結構可以在不同的地點反覆拆建，這就是張拉膜結構的可移動。它將遊牧式與定居式的建築融為一體。膜材輕柔的特點使其方便運輸，且易於迅速搭建，而閒置時占用空間很小。這種特性使膜結構十分適於用作臨時性可移動建，特別是在發生突然災難或遇到緊急情況而需要在短時間內為大量人員提供庇護所的時候。

另一方面，可移動薄膜結構除具有與永久建築相媲美的舒適性外，它還引入了建築行業的一個新概念，即將房屋的所有權與土地的所有權相分離。建築不再是不可移動的，而是可移動的。這種可移動性和可重複使用的特點對加速現代城市的發展和建築功能在某些特殊領域中的轉變具有重要的意義。

可展性和自適應性

可展結構可以看作是一種人造的自適應體系，同許多自然有機體一樣，可根據需要改變自身的形式。它們的空間布置和對天氣變化的反應具有靈活性和自適應性。通過控制自然光和內部溫充可達到主動節能的目的。可展結構即可開敞也可閉合，它的靈活性使其可以改變空間的屬性。精心設計的可展屋蓋的優雅滑動體現了人與自然的和諧。它被稱作是一種創造，輕型與可展性的充分結合形成了“免施工房屋”的概念，這種結構任何需要的時間或地點均可實現。

膜結構建築類型

結構類

結構類膜結構的主要構成部件就是膜材料、鋼結構和鋼索，不同的膜材和鋼索，其性能及價格各不相同。結構類造型可分為以下二類：

1． 骨架式膜結構：此類膜結構是固定在精緻鋼材、空間桁架或其他堅固的構架上，稱之為骨架式膜結構。

2． 張力式膜結構：僅利用簡單的支撐系統及膜素材自身的張力特性，構成此類膜結構。與傳統結構不同，膜結構以柔性的薄膜和索為主要受力材料。要進行膜結構的工程設計，必須了解其材料。用於建築工程的薄膜材料可以分為織物類膜材和非織物類膜材兩大類。其中織物類膜材常用的有 PVDF 塗層覆蓋聚酯纖維織物（以下簡稱PVC 膜材）以及PTFE 塗層覆蓋玻璃纖維織物（以下簡稱PTFE膜材）；非織物類膜材則以ETFE 薄膜最具代表性和競爭性。膜材的選擇往往在很高程度上取決於建築物的功能、防火要求、設計壽命和投資額。

充氣類

充氣類膜結構建築學名為氣承式膜結構建築，它是用特殊的建築膜材（PVDF膜材）做建築外殼，配備一套智慧型化的機電設備在完全密閉的氣膜建築內部提供空氣壓力，使整體建築內部始終保持對外部環境的正壓，靠內外部壓力差把建築主體支撐起來的一種建築結構系統，套用於工業廠房、物流倉庫、體育娛樂和軍事設施等領域，具有超大空間、建築靈活性強、安裝周期短、建築成本及維護費用低、能耗低、環保、超強的耐用性和耐候性、自重輕等特點，使用年限能達到35年以上。

防火對策

存在的火災危險性

1.建築材料的耐火等級問題

用於膜結構中的高強度柔韌性薄膜稱為膜材，它是膜結構工程中最重要的組成部分，作用與鋼筋、混凝土、輕質板材上是等同的，在膜結構建築中既是起圍護作用的建築材料，又是張拉結構體系中的受力材料。《建築設計防火規範》及《高層民用建築防火設計規範》中對建築物各構件的燃燒性能和耐火極限都有明確的規定。目前膜結構建築中使用的膜材通常有兩類，一類是以玻璃纖維織物為基材，塗覆聚四氟乙烯（PTFE）等樹脂材料，燃燒性能可達到A 級；另一類是以尼龍織物為基材，塗覆PVC 及其他樹脂材料，燃燒等級可以達到B1 級。

2.建築空間跨度大，較難劃分防火分區，火災情況下易形成火災蔓延

膜結構大多用於體育館、劇院、展覽建築的觀眾廳、展覽廳，其面積、長度可以根據需要確定，但如果用於商業、學校、食堂、菜市場等建築，就要受規範的限制了，必須作防火分區，但這種建築大多高度及跨度都很大，劃分防火分區比較困難，因此，一旦發生火災，各種垂直通道起拔火桶作用。當煙氣到達膜面以下時，頂部氣流水平運動，致使火災橫向擴大，容易形成大面積的火災蔓延。

3.人員疏散困難

膜結構建築因空間巨大，人員在膜空間內到達室外出口的距離長，因此疏散時間就長。煙霧向上和向水平方向快速蔓延，擋住了疏散人員的視線，增大了疏散難度。另外，大空間內人員多，疏散時容易發生滯留。

4.火災探測不及時，普通自動滅火設施無法有效發揮作用，火災撲救困難

膜結構建築空間一般都比較高，跨度比較大，發生火災後煙氣蔓延時，探測器動作與在普通建築內動作相比會慢一些，且我們通常使用的自動噴水滅火系統在這種建築中布置比較困難，更不能有效發揮滅火作用。撲救膜建築這種大空間建築物火災往往會遇到很多的困難。例如：熱輻射強，煙霧濃，火勢蔓延速度快、途徑多。另外，面對新型的膜建築，我們缺乏撲救這類大空間建築物火災的實戰經驗，這給消防滅火的登高作業、內攻偵察、火場供水等都帶來不少困難。

防火對策

1.建築構件的耐火等級

膜結構建築的支撐一般為鋼結構，國內對於鋼結構的保護多採用塗防火塗料。國外類似建築大多是不塗防火塗料的。還有一種更為穩妥的辦法：就是在構造上作處理，使膜面緊貼在鋼索下面，火災中煙氣首先面對的是膜面，這樣鋼索下面又多了一個保護層，使鋼架不受任何高溫作用。

瑞典國家測試院曾對PTFE 和PVC 兩種膜材料進行同樣條件的燃燒試驗，對試驗過程的溫度、有毒氣體成分、膜材燒穿情況進行了測試分析，結果表明雖然PTFE 膜材的耐火極限和燃燒性能比PVC 膜材高，但是PVC 膜材受熱後很快形成開放洞口，有利於煙氣和熱量的排出，從而延緩鋼結構的坍塌，而PTFE 膜材受熱後只是接縫處裂開，最後沿接縫大塊脫落，熱量容易在頂部聚集，而且PTFE 膜材產生的CO2 和CO 至少是PVC 膜材的兩倍，因此對於膜結構特別是封閉式膜結構建築使用PVC 膜材好一些。

2.採取特殊的防火、防煙分隔措施

膜結構大多用於體育館、劇院、展覽建築的觀眾廳、展覽廳，其面積、長度可以根據需要確定，但如果用於商業、學校、食堂、菜市場等建築，就要受規範的限制了，膜結構建築相對於普通建築，在主體大空間內無構造柱與梁，是一個連續完整的空間。膜空間和與之相連的部分之間必須設定有效的防火分隔設施，防止火勢向膜空間以外的其它空間蔓延。用普通建築中的防火牆和防火捲簾劃分防火分區難以實現。我們可以採取一些特殊措施，例如可以採用“防火帶”的方法劃分防火分區，即在有可燃物品的建築物中劃分出一段區域，這個區域內的建築構件及裝修全部為非燃材料(且該區域內不存放可燃物)並採取有效的防煙措施，阻擋防火帶一側的煙火向另一側蔓延，從而在空間上形成一個無形的防火分隔區域。對於防煙分區的劃分，可以利用空間上方結構體系，掛上以耐火纖維為基材的輕質幕布，平時捲起，在火災報警後自動放下，懸停於一定高度進行防煙分區，劃分的面積在1000 平方米左右，代替了傳統的擋煙垂壁，效果明顯。

3.機械防排煙設施

對於封閉的膜結構建築物，設定機械防排煙設施是至關重要的，煙氣往往比火更可怕，在火災中，煙氣瀰漫，能見度被降低，延誤了疏散時間；大量高溫有毒氣體的存在，使人降低和逐漸喪失了逃生能力；高溫煙氣有著與火一樣的對建築結構破壞的作用。就膜建築來說，其防火分區面積和疏散距離都已超標，所以對這類建築的大空間進行有效的防排煙設計顯得由為重要。第一步是控煙，通過一定的正壓送風量將火災煙氣吹向一個固定的空間內，使煙氣不會無規則擴散；第二步是蓄煙，利用建築物自身的大空間條件設計“儲煙倉”將煙氣蓄積，形成距地面有一定高度的無煙層；第三是排煙。國外研究機構通過計算機模擬證明：如果一個煙控系統設計適當，可以防止煙在30～45min 內聚集在距地面3～4m處。這段時間對於人員疏散是極其寶貴的，同時也給滅火創造了有利條件。

4.運用新型的火災探測系統

通常建築中所廣泛使用的火災探測器大多數以煙氣濃度和溫度為信號進行探測的，且大多數為頂棚式安裝。普通建築的樓層高度多數在6m 以下，火災煙氣能很快到達頂棚，因此這類探測器是適用的。然而膜結構建築空間很高，煙氣在上升過程中不斷受到冷卻和稀釋，在到達頂棚時濃度和溫度都大大降低，不足以啟動火災探測器。另外，由於建築物內部熱風壓影響，大空間上部常常會形成一定厚度的熱空氣層，它足以阻止火災煙氣上升到大空間頂棚，從而影響火災探測器工作，所以普通型探測器是不適用於膜建築的。運用新型的火災報警技術如紅外光束感煙探測器、空氣採樣及線型差溫探測器運用於膜建築，解決了膜空間早期報警的難題。

5.採用有效的自動滅火裝置

設定空氣加壓移動式消防水炮。它可根據空氣加壓的大小確定射程，確保膜空間及其中部區域的安全。另外在大廳四壁適當位置上可考慮設定帶架水槍，以便當展廳上半部的橫幅、彩帶、氣球之類的可燃物著火後，可有效的組織撲救。