膜结构在大跨度建筑上的运用

膜结构在大跨度建筑上的运用

姜松张浩浩黄文欣刘宇轩

青岛理工大学建筑与城乡规划学院山东青岛266033

摘要：膜结构技术是一项历史悠久的技术，将膜结构运用于大跨度建筑上有其独特的优势和好处，本文从膜结构的定义、使用材料、结构以及应用等方面，研究膜结构的特点，并结合国内外在大跨度建筑上运用膜结构的案例，进一步分析膜结构的实际运用情况，并提出笔者的观点和想法。

关键词：膜结构；大跨度建筑；运用

一、膜结构的概述

膜结构在最早期的时候，由一些专家学者所提出，而后被运用到各国的建筑结构中。膜结构是由张拉结构所衍生而成的一种形式，可以以用轻薄的薄膜或者质量良好的柔软织物作为材料，或者通过柔软的钢索以及刚性的支撑结构使得膜结构的表面绷紧，然后成为有刚度、足够运用在大跨度建筑上的结构。从二十世纪七十年代至今，膜结构开始被运用在国内外各种建筑，如商城、会展中心、体育场馆等等当中。

经过二十世纪九十年代的发展，膜结构成为了一项可以代表目前建筑先进技术和材料行业发展程度的结构体系。在原始人时期，原始人就开始使用动物毛皮做成帐篷，这就是最初的膜结构。上世纪开始，建筑师利用此方法原理，建造了宇宙飞船、雷达天线罩等，使一些科学发明能够运用膜结构。同时，一些临时建筑也运用了膜结构，如马戏棚、仓库、帐篷等等。但直到一九七零年，在日本举行的世博会中所使用的建筑运用的空气膜结构，代表着膜结构进入一个新的时代，至此之后全世界各个地区开始了对膜结构的研究以及运用。二十世纪七十年代，美国的几家公司联合设计研发了玻璃纤维和聚四氟乙烯为材料的新型膜结构材料，标志着膜结构可以被运用于永久建筑中。

二、膜结构的特点

随着世界科学技术的发展，建筑结构的形式也随之得到优化。膜结构也从之前的充气形式改善成张拉整体体系，它的内部由于预张力的作用，构成一种空间形状，这种空间结构可以经受不小的外负荷，使之能够运用在大跨度建筑上，并且通过其他刚性材料支撑，能够创造出许多各种优美的造型。

（一）膜结构能够完美地建筑风格所贴合

膜结构的材质自身的受弯刚度接近于零，但是如果使用各种不相同的支撑结构来承受膜结构表面的张力，就能形成具有一定刚度的表面。这也是膜结构能够与建筑风格和布局相适应的一个原因，完美体现力在膜结构状态之上，使得膜结构能够有机运用于大跨度建筑结构的设计当中。

（二）膜结构能很好地满足建筑功能的需求

因为膜结构使用的材质大多是半透明的，这些材质的透光率在通常情况下为百分之四到百分之十六，可以满足大跨度建筑在一般情况的采光要求，在白天可以做到不用人工照明，这样既大大降低了能源电力成本，而且给人以自然开阔的体现。此外，因为膜结构使用的材料一部分具有反射性，因此在热带地区，膜结构能够反射大量的太阳热能，降低温度。而在寒带，在大跨度建筑上可以使用双层的膜结构，并且向双层膜之中充入热空气，或填充性能优良的透光隔热材料，可以达到良好的保温和隔热的效果。综上所述，膜结构能够使得大跨度建筑物在透光的情况下，不受温度、天气的影响，加之膜结构使用的材质的不易燃性、抗水性能良好，大大增加了建筑物的防灾性能。

（三）膜结构具有良好的力学特性

现阶段，以织物与有机涂料相结合而制成的膜材料，具有高强质轻的特点，其张拉强度能够达到一千四百牛顿每厘米，因为膜结构的材质只能够承受沿着膜表面的张力，所以可以充分地发挥膜结构材料的特性。此外，因为膜结构使用材料的厚度薄，质量小，且一般情况下，其厚度在零点五毫米到零点八毫米之间，重量大约为零点五千克每平方米到二千克每平方米，只是传统大跨度建筑屋顶材料质量的十分之一到三十分之一，是一种性能优良的结构。

（四）膜结构制造成本低，施工方便

膜结构适用范围广，在许多建筑中可以发挥其功效，这就需要大量的膜结构材质投入生产。膜结构所用材料质量小且柔软，能够在工厂中进行剪裁与制造，能够被卷起来运送至共地，搬运比起传统材料来说容易许多。并且在现场的施工中也增加了便利，在铺设的过程中不需要脚手架，使得铺设膜结构的施工时间相较于建设传统建筑的屋顶大大缩短。此外，膜结构使用的材质也是围护材料，根据相关数据表明，大跨度建筑使用膜结构的工程造价只为传统建筑屋顶结构的二分之一左右。由于其质量小，相应的支撑结构建筑的成本也随之降低，使得工程建筑的总成本能够减少约百分之十五到百分之二十。

三、膜结构在大跨度建筑中的应用

（一）充气式膜结构

充气式膜结构即向膜结构构成的建筑内部充满空气，使膜结构能够长时间稳定在保持张力的状态之下，同时能够抵御外加张力和负载的伤害，使用这种结构必须保障膜结构所构成的建筑内的空气压力保持在大于室外空气压力的条件之下。当充气式膜结构运用于大跨度建筑中时，它主要作为外围护和屋顶。因为充气式膜结构所用的材料质量较小，因此在大跨度建筑中不仅能够实现大面积覆盖，而且在安装、运输的过程中也相当便捷。

（二）张拉式膜结构

张拉式膜结构是使用拉索把膜结构的材料张拉在建筑之上的结构，这种方法的使用使得膜结构的材料完全依靠外部施加的张力使其能够保持形状，膜结构的表面可以通过自身的曲率变化而保持力的平衡，具有很强的可创造性。由于其的施工简便，灵活性高，优良的稳定性，使得这种结构在大跨度建筑中起着至关重要的作用。

（三）骨架式膜结构

骨架式膜结构是采用刚才做成屋顶的骨架，在骨架的上方张拉膜材料的一种形式，能够使用在各种规模的建筑当中，但其造型较单一，需要靠外部施加的张力使其保持一定的形状，但是由于其成本较低，经济效益吸引广大建筑商，骨架式膜结构依然被广泛地使用。

四、结语

经过长年的开发和研究，膜结构已经得到进一步的发展，成为一种有活力的建筑结构，它的广泛应用体现了膜结构在大跨度建筑中的应用前景，国内外专家学者应该进一步发挥其优势，在更广泛的领域中加以运用。

参考文献：

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