膜结构又叫张拉膜结构 (Tensional Membrane Structure) , 是21世纪最具代表性与充满前途的建筑形式。使建筑不再是直线块体的堆砌, 而是以优美的曲线造型取而代之, 给建筑设计师提供了更大的想象空间和创造空间。膜结构建筑呈现明亮、简约、轻快、柔美的感觉, 并能带给人一定的视觉冲击力, 同时体现了建筑物力与美、刚与柔的完美结合, 给人一种新鲜新奇的感受。

膜结构是一种高强度柔性薄膜材料与钢结构支撑相结合的结构体系, 其整体结构可以承受一定外部荷载。这种结构形式特别适用于大型的大跨度体育中心、展览会场、大型Shopping Mall、造型小品、入口廊道等大跨度建筑中, 以及进出港大门、高速公路口等交通服务设施中。膜结构建筑的造型自由、重量轻巧, 具有阻燃、生产制作简单、安装快速、节能、安全等优点, 因此被广泛应用在世界各地。

自上世纪70年代以来我国大陆地区, 一些高等学府、设计单位、科研机构开始进行膜结构的研究。一些关键的技术也获得了一定的进展, 为我国的膜结构的发展应用建立了一定的基础。现在这种建筑形式越来越多的运用到港口建筑中, 使传统单调的工业型建筑注入了一丝活力, 给人以耳目一新的感觉。

聚偏二氟乙烯 (Poly vinylidene Fluoride) 的简称为PVDF。在PVC膜表面处理后再增加PVDF (聚偏二氟乙烯) 或PVF (聚偏氟乙烯) 树脂涂层, 使其具有更好的自主清洁性能和抗老化耐久性能, 材料构成为:高强聚酯织物布基+PVC涂层+PVDF或PVF面层。这种类材料具有很好的物理和化学性能, 如高强度、阻燃性、自清洁性能、耐久性及耐腐蚀性等。0.6~1.2 mm为一般常用的膜材料的厚度, 其可见光的透光率在6%~12%之间, 耐火等级一般为B1级, 使用年限在15年以上。

聚四氟乙烯 (Polytetrafluoroethylene) 的简称为PTFE。在大自然中, 聚四氟乙烯树脂本身已经具有很好的化学稳定性, 在高强超细玻璃纤维布基上涂上该种涂层。该类材料具有高强、自洁、耐久、耐火、耐腐蚀等优异的物理和化学性能。厚度仅0.8 mm的中等强度的PTFE膜材, 其拉伸强度就已达到了钢材的水平。其具有独特的光学性能, 可见光的透光率在10%~20%之间, 对热能反射率73%, 热吸收量很少, 夜间高反射性能使房间具有优良的照明效果, 减少能耗, 并可在夜空中渲染出建筑物的璀璨效果。白天入射光线为自然温射光, 无阴影, 防止耀眼, 光线均匀分布;几乎没有紫外线, 防止了内部材料和设备的褪色。耐火等级可达到A1级标准, 使用年限在30年以上。

由此可见, PVDF类和PTFE类膜材料作为用于在恶劣的环境条件下的“建筑材料”, 如沿海港口和其他具有常年湿润及腐蚀性环境的区域, 均具有良好的物理特性和化学稳定性。由于树脂材料及表面涂层材料的不同, PTFE膜材料性能更好于PVDF类材料, 但同比造价高于PVDF类材料。

膜结构按结构可分为:充气式膜结构、张拉式膜结构、支撑式 (骨架式) 膜结构3种形式。

其中支撑式 (骨架式) 膜结构应用最为广泛。骨架式膜结构是将膜体元件覆盖或悬挂在稳定的骨架上, 然后通过设定的预应力装置施在膜体元件上, 从而形成具有一定刚度的膜结构。此结构形式与传统钢结构的相比较的优势在于其膜体元件可以使骨架外露, 避免其结构受到室内腐蚀性气体的浸蚀, 减少主体钢架结构的维护费用, 增加了使用年限。

膜材料本身具有较大的抗拉强度, 针对大跨度 (84 m以下) 、大开间柱距 (24 m以下) , 因此, 骨架式膜结构建筑的支撑骨架另一优势就是, 其平面布局可以根据工艺的使用需求灵活布置, 进而减少了结构用钢量, 同时缩短了钢结构加工周期, 加快施工周期, 取得比传统钢结构建构筑物更大的经济效益。

膜材料本身已经具有良好的气密性和水密性, 进而通过特殊的链接方式, 使得膜结构建筑可用于对水密或气密具有较高要求的特殊环境, 如图1、图2所示。

另外, 膜结构建筑使用的膜材料还具有很好的耐久性和自洁性, 比常规彩钢屋面具有较好的经济效益。通常膜材料在使用过程中不需要任何维护, PVDF类膜材和PTFE类膜材的使用年限均可达到15年以上, 后者甚至能达到30年。现阶段该产品在港口建筑中也有着广泛应用, 如:大型仓库、堤头灯、进出港大门等。

烟台港拟建大跨度化肥库 (390.0 m×84.0 m) 若采用传统彩钢板屋面形式, 彩钢板屋脊处坡度较缓面板固定铆钉较多, 施工时很难保证每个铆钉都不漏水, 在使用中屋面漏水现象严重且很难解决。随着时间的推移铆钉孔处也很容易发生锈蚀。在长期的使用过程中接连部位的铆钉也有会出现一些松动现象。综上所述多种原因使库内的堆存货物很容易发生变质, 会造成巨大的经济损失。如图所示采用的骨架式膜结构形式的新建化肥库, 则可避免以上遇到的各种问题, 同时也解决了化肥释放的腐蚀性气体对彩钢板侵蚀的影响。

拟建化肥库390.0 m×84.0 m, 库内最小净空16.0 m, 如图3所示。膜骨架管桁架间距24 m。钢结构支撑的基础点位及组合管桁架为常规结构的一半, 土建费用也相应减少至少20%。同时体现了港口建筑所具有的功能性、技术性和艺术性的综合特征。

随着大港港区 (南港工业区港区) 防波堤及口门的不断完善, 为保障来往船舶通航安全, 展示南港工业区港口形象, 在口门处适当位置设置堤头灯。位于大港港区最东端, 分别布设于防波堤南北两侧堤头处。堤头灯基础为高桩墩台式结构, 基础平台为圆形, 直径12 m。基础承台顶面高程10 m, 灯身高25 m (灯高距基础平台) , 顶部设置灯笼高程为35 m, 灯光焦面高约31 m。南堤灯桩灯质采用等明暗红4 s, 北堤灯桩灯质采用等明暗绿4 s。为满足使用功能要求及考虑海上施工的困难, 该项采用骨架式膜结构堤头灯灯身, 膜本身具有一定的透光率, 白天无需采光;夜间照明以内膜反射光源光线的方式来实现, 无眩光增强堤头灯在夜间使用功能。

在灯桩顶部处设有观光平台, 直径为4.2 m, 可供旅游、参观功能, 筒体底层设有设备间及镀锌钢螺旋楼梯一部, 分为3段, 每段6 m。可直通顶部观光平台, 筒体外饰面采用1.2~2.2 m宽 (由上之下逐渐加宽) 红 (绿) 、白相间环保节能材料四氟乙烯膜 (ETFE) 制成的气枕, 观光平台采用亚光厚壁不锈钢栏杆, 基础平台四周均设有花岗岩材质的栏杆, 见图4、图5。

上部结构的混凝土强度等级采用C40。钢筋混凝土桩身须在基础墩台施工结束后进行施工, 因基础平台面积较小, 缺少施工作业面, 施工难度较大。由于采用骨架式膜结构桩身, 结构主体拟采用分段预制, 每6 m一段现场拼装。缩短了海上施工作业时间和工作难度。该项目已于2015年4月通过竣工验收交付使用, 且得到了使用单位的好评。

目前膜结构在我国港口建筑中尚处于小范围的使用阶段, 但随着经济的发展, 新工艺、新材料、新设备的出现, 人们越来越强调愉快、富有人性的生活及生产环境, 有“软雕塑”之称的膜结构建筑, 在蓝天、白云、碧草、水光的映衬下, 那极富艺术表现力的空间曲线, 以及那活泼、自由、洒脱的造型特点, 既能极大地激发建筑师们的设计灵感, 又能使传统单调呆板的港口工业型建筑注入了一丝活力, 更能充分展现各个地区港口的个性化和多元化特点。膜结构建筑具有很强大的生命力, 自重轻、跨度大、造价低, 可以最大限度发挥材料特性, 其工程的规模可大可小, 寿命可长可短, 色彩可素可花, 在建筑业的百花园中, 已占有一席之地, 可以预期, 这朵崭新的建筑之花必将在港口工程中盛开、怒放。