骨架式膜结构

膜结构介绍 一种适合建筑的新材料的出现，必然引建筑结构的革命，如历史上的混凝土和钢材，70年代以来，以欧美为中心发展起来的新型织物膜材，也是如此，用这种优良的织物，辅以柔性或钢性支撑，可绷成一个曲率互反，有一定刚度和张力的结构体系。

这种全新的建筑结构形式，集建筑学、结构力学、材料学与精细化工、计算机技术等为一体，具有以下优秀的特点： 1、造型的艺术性。

它既能充分发挥建筑师的想象力，又能体现结构构件清晰受力之类。

2、良好的自洁性。

膜建筑中采用具有防护涂层的膜材，可使建筑具有良好的自洁效果，同时保证建筑的使用寿命。

3、施工的快捷性。

膜建筑工程中所有加工和制作均在工厂内完成，现场只进行半成品组装，因此施工简便快捷，施工周期短。

4、较好的经济性。

由于膜材具有一定的透光率，白天可减少照明强度和时间，因而比较节约能源，降低了长期使用费用，同时夜间彩灯透射形成的绚烂景观也能达到很好的广告宣传效益。

5、 结构自重轻，非常适合于建造大跨度空间结构。

膜结构的分类 膜结构按结构受力特性大致可分为充气式膜结构、张拉式膜结构（Tension/Suspension membrane structure）、骨架式膜结构（Frame membrane strcture，Cable dome membrane structure）、组合式膜结构（Compound membrane structure）等几大类。

充气式膜结构张拉式膜结构骨架式膜结构组合式膜结构膜 应 用 领 域：★ 体育设施： 体育场、健身中心、游泳馆、网球馆、篮球馆等。

★ 商业设施： 商场、购物中心、大型会展场所、餐厅、酒店（挑檐）等。

★ 文化设施： 展览中心、剧院、会议厅、博物馆、植物园、水族馆、音乐广场等。

★ 交通设施： 机场、火车站、公交车站、收费站、码头、加油站、天桥连廊等。

★ 工业设施： 工厂、仓库、科研中心、处理中心、温室、物流中心等。

★ 景观设施： 建筑入口、标志性建筑或景观性小品、广场休闲区、海滨娱乐休闲建筑、居住小区、游乐场、步行街、停车场、楼宇屋顶改造更新等。

膜结构的应用和施工本文简要介绍膜材料的主要类型、膜结构设计基本原理、膜结构的施工工艺，并探讨防火设施和膜结构配套使用之间的关系，以达到既能采用新颖建筑材料，又能满足防火工作要求，顺利通过消防验收的双赢目的。

1. 前言史前的人类用帐篷和伞来挡风遮雨，一般采用皮革或自然编织物制造，帐篷是人类历史上最早出现的膜结构建筑，帐篷和伞一样都反映着膜结构最原始的特点——即预加张力的薄层。

“膜”（Membrane）这个词最早源于拉丁文，其含义是“轻且有张力”。

20世纪50年代以来，随着高分子科学的发展，膜材的性能有很大的提高。

带高分子覆盖的织物与塑料在膜结构领域的应用已有30多年的历史。

美国拉文丁大学校园中心于1973年成为世界上首次使用PTFE膜材的膜结构工程。

如今，膜结构在国外早已得到广泛应用；在国内正在被人们逐步接受并用于体育场馆、会展场馆等建筑中。

2. 膜材料膜材的选用与膜在建筑结构中的安装的位置和所起作用有关。

现代膜结构使用的工程膜材主要有两种类型：一是以聚脂纤维织物结构为基材，五层复合聚氯乙烯树脂类材料制成的工程膜材（PVC）；二是以玻璃纤维为基材，面层复合四氟聚脂类材料而成的永久性建筑膜材（PTFE）。

2.1 几种常见的膜材。

(1) PVC复合材料织物这种膜可抵抗恶劣气候，并有紫外线隔离能力。

用这种膜材制成的膜结构容易安装，且表面光滑又容易清洁。

PVC类膜在防火类别是阻燃的，其透光率一般可达20%，平均使用寿命大约5--20年。

(2) PTFE覆层式玻璃纤维织物这种属于较高级的膜材，用于永久性的建筑结构中。

该膜材张力极高，可抵抗紫外线，防火类别为阻燃，光滑的表面有着较高的反射率和自洁率，由于受到膜材厚度的限制，其透光率一般在12%左右。

平均使用寿命大于30年。

(3) PVC类织物匀质的PVC类织物可用于半透明或透明的内结构。

该膜材有较强的散射能力，适用于背光的天花板以及投影屏幕，其透光率与PVC本身的性质有关：半透明的PVC，透光率为70%；透明的的PVC，透光率可达96%。

大跨空间结构—索膜结构详解索膜结构作为新的建筑形式于本世纪五十年代在国际上开始出现，至今已有六十多年的历史，特别是到了七十年代以后，膜结构的应用得到了迅速发展。

膜结构的出现为建筑师们提供了超出传统建筑模式以外的新选择。

膜结构一改传统建筑材料而使用膜材，其重量只是传统建筑的三十分之一。

而且膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度，无支撑，建筑上实现时所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡的可视空间。

索膜结构是目前发展很快的一种新型空间结构，是一种效率极高的张力集成体系，可以充分发挥钢索的强度与张拉整体结构的空间作用。

张拉膜结构是索膜结构中最常见的一种形式，是索膜建筑的代表和精华，它通过钢索与膜材共同受力形式稳定曲面来覆盖建筑空间，具有高度的形体可塑性和结构灵活性，即通过对膜材内部施加一定的预张力，使其具备了抵抗外荷载能力，从而充当结构材料的一种结构体系。

这种形式能够充分利用膜材的受力性能，形成轻巧、美观、具有现代感的空间大跨曲面结构，并且施工简单、快捷、成本低，在国内外已经被广泛应用于商业建筑、体育建筑、工业建筑、户外设施、文化娱乐建筑等各种领域。

一、索膜结构的组成及材料特性1. 索膜结构的组成一个完整的索膜结构一般由三部分组成1)形成曲面结构的张拉膜材；2)用于加强膜面的脊索和谷索,以及将膜内力传向支承结构的边索；3)求索膜体系的支架结构。

张拉膜材即作为结构材料,要能够抵抗一定的荷载而不致引起过大变形。

同时为完成作为覆盖材料所规定的建筑功能，例如美观、遮光、防火、耐久等等，还需满足各种性能要求。

所以，选用合适的膜材对于索膜结构的设计建造非常重要。

加强索除其对于膜面受力方面的加强作用外，更重要的是起到了改变建筑造型的作用。

尤其是谷索和脊索的灵活设置会给整个建筑带来奇妙的视觉效果。

支架结构最常采用的是钢结构，也可采用混凝土结构，甚至在某些情况下可以采用木结构或其他结构。

支架结构除满足将索膜体系的内力传递到基础这一结构要求以外，其形式可以采取变化多样的形式，以实现不同的建筑造型效果。

膜结构设计规范膜结构之类别膜结构之造型类别可分为以下四类：1．骨架式膜结构：此类膜结构是固定在精致钢材、空间桁架或其他坚固的构架上，称之为骨架式膜结构。

2．张力式膜结构：仅利用简单的支撑系统及膜素材自身的张力特性，构成此类膜结构。

3．气充式膜结构：充气在由膜结构所构成之封闭区间内，随着气压升高所产生之力量，可使膜结构支撑在所须之位置，并提供膜结构所须之张力及对抗载重和外力。

4．开启式膜结构：在张力式膜结构和气充式膜结构中，被允许局部或全部是可开启的，此类为可开启式膜结构。

材质1．膜素材材质可分为三大类：（1）类型A：此材质是指以玻璃纤维为其素材，而表面处理为PTFE，且其品质之要求如下：a．玻璃纤维之单位重量应大于150g/m2。

b．表面处理的材质单位重量应介于400g/ m2与1100 g/ m2之间。

c．膜素材之厚度应高于0.5mm。

（2）类型B：此材质是指以玻璃纤维为其素材，而表面处理为PVC，且其品质之要求如下：a．玻璃纤维之单位重量应大于150g/m2。

b．表面处理的材质单位重量应介于400g/ m2与1100 g/ m2之间。

c．膜素材之厚度应高于0.5mm。

d．膜素材应提供防火之处理。

（3）类型C：此材质是指以聚脂树脂、人造纤维…等或其他类似之材质为其素材，而表面处理为PVC或其他类似之原料，且其品质之要求如下：a．玻璃纤维单位重量应大于100g/m2。

b．表面处理的材质单位重量应介于400g/ m2与1100 g/ m2之间。

c．膜素材之厚度应高于0.5mm。

d．膜素材应通过JISA 1322之自然试验第二级。

2．膜素材之张力应满足下列六项条件：（1）其张力应大于20kg/cm，在经向（warp）和纬向（weft）的张力差应低于20％。

（2）张力强度之测试应遵照JISL1096的标准，且特别著重于长条测试，且膜测试之样本应超过5件，取其张力测试之平均值。

（3）在张力测试时，其伸长量（破坏实验）应低于35％。

从结构上分可分为：骨架式膜结构，张拉式膜结构，充气式膜结构3种形式
1、骨架式膜结构（Frame Supported Structure）
以钢构或是集成材构成的屋顶骨架，在其上方张拉膜材的构造形式，下部支撑结构安定性高，因屋顶造型比较单纯，开口部不易受限制，且经济效益高等特点，广泛适用于任何大，小规
模的空间。

2、张拉式膜结构（Tension Suspension Structure）
以膜材、钢索及支柱构成，利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安定的形式。

除了可实践
具创意，创新且美观的造型外，也是最能展现膜结构精神的构造形式。

大型跨距空间也多采
用以钢索与压缩材构成钢索网来支撑上部膜材的形式。

因施工精度要求]高，结构性能强，且
具丰富的表现力，所以造价略高于骨架式膜结构。

3、充气式膜结构（Pneumatic Structure）
充气式膜结构是将膜材固定于屋顶结构周边，利用送风系统让室内气压上升到一定压力后，
使屋顶内外产生压力差，以抵抗外力，因利用气压来支撑，及钢索作为辅助材，无需任何梁，柱支撑，可得更大的空间，施工快捷，经济效益高，但需维持进行24小时送风机运转，在持续运行及机器维护费用的成本上较高。

现今，城市中已越来越多地可以见到膜结构的身影。

膜结构已经被应用到各类建筑结构中，
在我们的城市中充当着不可或缺的角色。

建筑结构选型------课程报告一． 膜结构1. 结构形式：骨架支撑式膜结构 整体张拉式膜结构2. 调研实例：南京工业大学音乐台 体育场看台南京工业大学音乐台，主要的功能在于平时举办一些露天的聚会，平时主要作为一个景观节点。

所以选用了摸结构，使得在造型上可以轻盈多变。

体育场看台，主要给观看比赛的人一个休息的场所，需要有通透的视线，而膜结构刚好具有这一方面的有点。

3. 结构分析：膜结构一改传统建筑材料而使用膜材，其重量只是传统建筑的三十分之一。

而且膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度建筑上实现时所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡的可视空间。

膜结构分为四大类：空气支撑式膜结构，骨架支撑式膜结构 ，整体张拉式膜结构，索系支撑式膜结构。

这里主要选用的是骨架支撑式膜结构和整体张拉式膜结构。

膜结构的造型自由、轻巧、柔美，充满力量感，同时具有阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点，使得被广泛应用。

4. 主要应用范围：场馆看台及娱乐空间，标志性小品，建筑入口及膜建筑屋顶，停车场收费站等。

5. 调研照片二．平板网架结构1. 调研实例：南京工业大学体育馆南京工业大学体育馆，体型巨大，里面包含了篮球场，乒乓球室，排球场，游泳馆的多种功能，造型优美，平面布局灵活多变。

2. 结构分析：空间网架结构是由多根杆件根据建筑体型的要求，按照一定规律进行布置，通过节点连接起来的三维空间铰接杆系结构。

网架结构按外形分两种：平板网架和曲面网架网架结构按结构分三种：双层网架，三层网架，组合网架网架结构按跨度分三种：小跨度，中跨度，大跨度3. 平板网架结构的优点：整体刚度大、稳定性好，具有良好的抗震性能；无水平推力或拉力的空间结构，便于下部承重结构的布置；应用范围广泛，平面布置灵活制作安装容易实现工厂化、标准化，占用空间小，使用方便，经济合理；4. 主要应用范围：体育建筑，大型公共建筑，单层工业厂房，加油站，收费站等5. 调研照片三．框架结构1.调研实例：南京图书馆南京图书馆占地25200平方米，分为地下2层和地上9层，设计总高度41.1米。

张力结构的型式及发展徐宗美，张华，陈礼和南京河海大学土木工程学院 ( 210098)E-mail：xuzongmei_1999@摘 要：张力结构涉及诸如基础理论研究、应用技术、材料科学、建筑设计与施工等内容，它的分析、设计与施工反映了一个国家多种先进的科学技术水平。

由于张力结构充分发挥了材料强度，造型优美且具有很高的结构效率，在大跨度空间结构及中小跨度结构中得到了广泛应用。

随着张力结构的不断发展，目前出现了许多新型结构型式。

本文结合大量科技文献，对张力结构进行了分类并阐述了各型式的机理和特点，对其重点研究领域进行了描述，最后对张力结构的发展前景作了展望。

关键词：张力结构；悬索结构；张力集成体系；膜结构1概述张力结构从满足一定拓扑关系的几何构造和外形中，通过预应力过程获取刚度，从而使结构具有满足功能要求的建筑造型和承载能力。

因此张力结构的分析、设计与施工的过程紧紧围绕结构的拓扑、外形及刚度展开。

在当前的工程中，张力结构一般都不是一种简单的型式，而是多种型式的集成，因此各文献对其分类也不尽相同，本文取长补短，对张力结构作出如下分类：悬索结构，张力集成体系和膜结构。

2张力结构的分类2.1悬索结构悬索结构形式多样，布置灵活，自重轻，施工简单。

它以一系列受拉的索作为主要承重构件，这些索按一定规律组成各种不同形式的体系，并悬挂在相应的支承结构上。

悬索结构仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用，结构中不出现弯矩和剪力效应，可充分利用钢材的强度[1]。

悬索结构按受力特点，一般可分成单层悬索体系、双层悬索体系、索网结构、张弦梁、组合悬索结构及斜拉结构等类型。

2.1.1单层悬索体系单层悬索体系根据索的布置方式分为平行布置方式、辐射布置方式和网状布置方式。

平行布置方式即单向索系结构，它由许多平行单根拉索组成，拉索之间可以设置横向加劲构件，拉索两端悬挂在稳定的支承结构上，也可设置专门的锚索或端部的水平结构来承受悬索的拉力。

摘要膜结构系统是由膜、索、桅杆、梁柱、基础等组件组成的，可以创造出优美的曲面造型；可以覆盖大跨度空间，并且重量轻，具有优异的结构特性。

同时，膜结构在照明、声学、防火、保温、节能与自洁等方面也具有许多优点。

现代意义上的膜结构在国外经过30多年的发展已经趋于成熟。

自1997年上海八万人体育场建成以来，膜结构在我国内地已得到较多应用，被广泛应用于体育场、展览馆、加油站等建筑中。

膜结构的组件与传统结构中的构件截然不同，其连接方式与传统结构中构件连接方式差别也非常大。

膜结构施工与传统结构施工最大的不同在于膜结构的节点连接。

本讲义对膜结构的节点连接进行了比较系统的概括，主要体现在以下几方面：一、.综合阐述了膜结构中各类材料的性能及其特性；二、将膜结构中的各类节点进行了新的分类，使之条理更加清晰；三、分析了膜结构的节点受力特点，并提出膜结构中节点的设计原则和要求；四、对膜结构的节点按类别进行了系统的介绍；五、对典型节点进行了受力分析；本讲义的编写得到了土木工程学院领导的大力支持，在此表示感谢。

由于本人水平有限，加之时间仓促，讲义中谬误之处在所难免，望读者及时提出批评指正。

目录第一章绪论 (3)第二章膜结构体系及其组成材料 (10)2.1 膜结构体系 (10)2.2 膜结构组成材料 (17)第三章膜结构节点构造 (26)3.1膜结构节点分类、特性及其设计要求 (26)3.2 膜材连接节点 (30)3.3 索材连接节点 (53)3.4支承骨架连接节点 (59)第四章工程实例―徐州“月影风帆”膜结构改造设计 (65)第一章绪论人类的建筑活动从远古时期的帐篷到现代空间结构的膜结构，经历了漫长的发展历程。

认识膜结构的发展历程有助于我们认识建筑膜结构技术的演变规律，更好地进行建筑设计。

一、膜材的发展概况远古时期，人类最早的居所是帐篷。

它采用树皮、兽皮作帏幕，用石材、树干等作支承，以后逐渐发展为天然合成材料，如棉纱、毛纺、帆布等。

什么是膜结构建筑？一．定义1．膜结构——由膜材和其他构件组成的建筑物或构筑物。

2．基材——由玻璃纤维或聚酯纤维等织成的高强度织物。

3．涂层——涂敷在基材上，起保护基材作用的聚合物层。

4．面层——保护膜材免受紫外线侵蚀并使膜材具有自洁性的表面附加层。

5．膜材——由基材和聚合物涂层构成的涂层织物以及由高分子聚合物制成的薄膜。

6．拉索——具有一定预张力的受拉构件。

可为钢丝束、钢绞线、钢丝绳等钢索和非金属缆绳等。

7．膜片——对膜材进行裁剪后形成的单块膜。

二．类型1．根据建筑造型需要和支承条件可分为整体张拉式膜结构、骨架支承式膜结构、索系支承式膜结构与空气支承式膜结构，或由以上形式混合组成的结构。

（1）整体张拉式膜结构——由桅杆等构件提供支承点，并在周边设置锚固点，通过张拉而形成稳定的体系。

1-膜；2-边索；3-脊索；4-桅杆；5-锚固点；6-谷索；7-柱（2）骨架支承式膜结构——由钢构件或其他刚性结构作为承重骨架，在骨架上布置按设计要求张紧的膜材。

1-骨架；2-膜（3）索系支承式膜结构——由空间索系作为主要承重结构，在索系上布置按设计要求张紧的膜材。

1-索系；2-环梁；3-膜（4）空气支承式膜结构——具有密闭的充气空间，并应设置维持内压的充气装置，借助内压保持膜材张力并形成设计要求的曲面，可采用气承式、气肋式和气枕式。

1-加劲索；2-膜；3-气肋；4-气枕三．材料1．膜材应根据建筑功能、膜结构所处环境和使用年限、膜结构承受的荷载以及建筑物防火要求进行选用。

（1）G类，在玻璃纤维织物基材表面涂覆聚合物连续层的涂层织物；常用G类膜材等级（2）P类，在聚酯纤维织物基材表面涂覆聚合物连续层并附加面层的涂层织物；常用P类膜材等级（3）E类，由乙烯和四氟乙烯共聚物制成的ETFE薄膜。

E类膜材第一、第二屈服强度及极限抗拉强度标准值(N／mm2)E类膜材密度、弹性模量和泊松比2．拉索和锚具拉索可采用钢丝束、钢绞线或钢丝绳，也可以根据具体情况采用钢拉杆等。