膜结构是以某种形式的蒙皮和相应骨架及绳索构件, 与建筑物相结合或单独组成一个建筑物的构筑物。随着计算技术和材料科学的发展, 各种结构形式发展与应用的限制越来越少。

本文在探讨膜结构的发展概况及应用特点的基础上, 结合某体育场膜结构工程施工的实例, 就膜结构工程在施工中遇到的一些问题以及膜结构自身的不足提出了几点看法。

膜结构建筑的发展和纺织工业的发展是息息相关的。从国际上来看, 膜结构建筑群的出现大概是在20世纪60年代后期或70年代初期, 至今已经有30多年的历史了, 就使用情况看, 目前仍保持完好。这充分说明膜材的使用寿命已经超过了30年, 达到永久性建筑的要求。

相对来说, 我国的膜结构建筑发展较晚, 最早的小型和中型的膜结构建筑可以追溯到1997年前后。1997年上海举办第八届全运会的时候, 其主体育场的看台挑篷就是采用的膜结构, 面积为36 100 m2, 可容纳8万名观众。这也是我国第一次在大型体育场馆采用膜结构建筑的屋顶, 成为我国膜结构建筑的里程碑, 对我国膜结构建筑的发展产生了重大影响。

膜材厚度一般约为1 mm, 与压型钢板厚度相接近, 但其密度小。另支撑膜材的钢杆、钢架与钢索比相应的钢筋混凝土重量要小。

因为自重轻的特点, 膜结构能应用于大跨度、大面积的工程, 并能降低成本。另外, 膜结构建筑的造价仅为传统建筑造价的1/3～1/2。张拉结构部分的造价随跨度和设计方案的不同而有所不同, 但与传统的建筑方式相比较, 其经济效益仍是相当突出的。

膜结构建筑所用材料一般是在工厂里预制成卷材成品, 便于运输安装, 施工时也不需要搭设脚手架, 因此施工方便。另外膜结构材料可以很好地承受地震等破坏力;与常规的结构材料, 如:砖、瓦、水泥、钢材等比较起来, 膜材料建成的屋顶比较轻巧, 容易拆迁、移取, 也容易在破损时对其进行更新改造和修复。

膜材料作为一种织物材料, 其透光性很好, 透光率在15%左右, 可充分利用自然光, 对光的折射率在70%以上, 室内光线柔和, 给人以舒适感。因此可以利用膜材料的透明度在白天节约用电。

建筑是一种凝固的艺术, 它具有艺术和技术科学的双重性。膜结构建筑在结构组合形式上具有多样性, 其造型也十分丰富;膜材的颜色也可以任意选择, 因此便呈现出富于变换、新奇诱人的视觉效果。目前, 膜材料已经被广泛应用于体育场馆、展览建筑以及景观建筑等多个方面。

由于膜结构建筑的膜材料是在用纤维织成的基布上涂敷树脂或橡胶等而织成的, 具有相当的密实性, 而惰性材料涂层则充分保证了膜材料的自洁性, 即可利用雨水的自然冲刷进行建筑物的外观清洁。从而节约了成本, 降低了造价。

通常说来, 膜结构按照膜的工作原理可分为4类:充气膜结构、骨架支承膜结构、张拉膜结构以及索膜穹顶结构。其中张拉膜结构是最为常见的一种形式, 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, 是索膜建筑的代表和精华。美国丹佛国际机场的候机大楼就是这类结构的典型工程。

西南交通大学新校区主体育场膜结构即为骨架与张拉结合式索膜结构, 膜材料覆盖面积为8 250 m2, 共划分单元数15个, 每一单元的面积见表1所示, 膜结构全体布置见图1所示。整个体育场的长轴方向约227 m, 短轴方向约为148 m, 承重结构为钢筋混凝土结构, 顶部膜布棚盖组成, 顶部用钢索将一拱梁拉紧形成一标志性建筑, 棚盖由白色桁架拱梁绷白色膜织物而成。

结构的膜材料全部采用法国进口法拉利FE1202T2膜材料。其材料特性见表2。

该膜结构的施工流程为①脚手架施工;②网绳布置;③在网绳及桁架中展开膜材;④布置用于防风的反网绳;⑤将膜材四角临时固定并张拉到位;⑥固定两侧膜材;⑦固定钢索;⑧调整膜面;⑨清洁膜面。

尽管在前文中提到膜结构的多项优点, 但是在具体的工程施工中, 发现膜材料建筑仍存在一些不足之处。

从膜结构的发展情况来看, 我国的起步较晚, 因此, 产品在性能上仍逊色于国外产品。所以当前工程中所用的膜材料大多数为国外产品, 有时对材料的运输、保修等环节的正常进行就无法保证, 为工程施工增添了麻烦, 也提高了工程造价。

由于膜材料本身既没有抗压刚度也没有抗弯刚度, 抗剪强度也很差, 因此其刚度和稳定性就需要靠膜曲面的曲率变化和其中预张应力来提高。膜结构的荷载通常是风荷载和雪荷载, 荷载作用下膜材料的变形较大。施工中为使膜面减少褶皱, 且为了控制由风产生的膜面震动, 就要求在膜结构的施工中对膜面形成一定的张力。但目前尚未出现能准确测量膜材的仪器, 仅靠经验施工难免出现差错, 对施工效果也有一定的影响。

在膜结构的设计中, 不可忽视的一点就是膜结构的排水问题。因为膜面有一定的形状和造型, 难免会在膜材端部的拉结点与建筑物的接触处形成雨水的导水口, 大面积的雨水汇集从接触处向下流, 从而污染墙面, 影响美观。因此, 在设计中做好膜结构的排水问题至关重要。

膜材料是二维平面的, 而膜结构却是空间三维的。在膜结构的施工中, 对于多种多样的膜结构, 应根据具体的集合形状来确定与之相适应的裁剪式样。但是若将几何形状的单片膜材结合在一起的时候, 很容易出现多向薄膜拉力, 也就很容易就会出现褶皱。为避免这种情况的发生, 应制作尺寸精确的模型来估计薄膜拉力并确定裁剪方案。通常在考虑经济、受力及连接方式的情况下, 膜材两边最好重叠2～4 cm。

膜材料属于易损物品, 破损后难以恢复原样。但是, 施工中难免会对其造成损坏。因此, 施工过程中的施工组织设计的合理编制同安全管理一样重要。

膜材料是一种新型建筑材料, 现代感强, 外观造型丰富多变, 自重轻, 跨度大, 造价低, 可以最大限度发挥材料特性, 有利防震;适应建筑在空间上的多样性, 符合社会生活对大空间、大跨度建筑不断增长的要求。既可做永久性建筑, 也可移动搬迁, 有利于城建景观及房地产项目的开发。

随着社会经济的持续发展, 膜结构建筑必将得到更为广泛的应用。但膜结构也不是全能的, 除了要受到造价、气候、防火等条件的约束外, 在膜结构工程的设计和施工中, 仍存在许多问题要解决和研究, 而且目前我国仍缺少正式编制的膜结构技术文件。因此充分认识膜结构的特性与不足、选择好膜结构的适用性将会更加推进膜结构在我国的发展。