结构工程师辅导：膜结构性能大有改进

　　膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式，它以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。自从1970年代以来，  膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中。膜结构已成为结构设计选型中的一个主要方案。成为化纤纺织品应用的一个重要领域。近年来在中国建筑结构中也有长足的进展。

　　大阪万国博览会中的美国馆采用了气承式空气  膜结构。这个拟椭圆形、轴线尺寸为 140m×83.5m的展览馆是世界上第一个大跨度的  膜结构，而且是首次采用了聚氯乙烯（PVC）涂层的玻璃纤维织物。作为一种真正的现代工程结构，大阪万国博览会的展览馆标志着  膜结构时代的开始。自此以后，膜结构在世界范围内得到了迅猛的发展。从跨度来说，美国庞提亚克的“银色穹顶”气承式空气  膜结构的平面有234.9m×183m，开始采用聚四氟乙烯（PTFE）涂层的玻璃纤维织物，类似的大型体育馆在北美就建了九座。从面积来说，沙特阿拉伯吉大机场候机大厅的悬挂膜结构占地42万m2.作为  膜结构一种新形式，索穹顶于1988年首先用在汉城奥运会的体操馆与击剑馆，其后又在一些体育建筑中得到推广。千年穹顶以其独特的  膜结构，显示了当今建筑技术与材料科学的发展水平。

　　发展中的中国膜结构

　　中国现代空间结构的发展受到了西方国家先进技术的影响。近几年来，在  膜结构应用上显示了活跃的趋势。虽然一开始工程规模不大，但已逐渐扩展到更大的面积和跨度。所采用的技术与材料在某种程度上还要依靠国外，但预计会有更多的工程依靠自己的力量来完成。

　　在过去十年中，中国的许多城市都在筹划建设新的体育设施。由于其重量很轻的优点，膜结构往往被采用。体育建筑可以说是  膜结构在中国应用的突破口。1997年之前，只建造了少量的小型与中型的  膜结构，同年在上海举行的第七届全国运动会，  膜结构被用在主体育场的看台挑篷，总面积达36100m2.这是中国第一次将膜材制成的屋顶用在大面积的永久性建筑上，具有深远的影响。当时涂PTFE的玻璃纤维膜材和工程安装还借助于国外的力量。在上海体育场成功的建成后，虽然它的价格仍高于传统的结构，又出现了一些膜结构屋顶的体育场。

　　颐中体育场座落在山东省的滨海城市青岛，这是中国第一个靠自己力量设计与施工的大型膜结构体育场，外包尺寸为266m×180m，可容纳6万观众。悬挑40m的屋盖是一个包括膜、索和钢支承结构的典型张拉体系，整个屋盖由70个锥形索膜单元组成，总面积为30000m2.

　　环顾整个中国大地，新的体育中心正在一个接一个的规划，  膜结构成为覆盖主体育场的优选，估计已有十多个体育场采用。在大城市中有上海（虹口区足球场）、武汉、郑州和广州，在中小城市有烟台、威海和芜湖。另一个适宜采用  膜结构的对象是室内体育馆，在中国还刚开始。在华北的秦皇岛体育馆是第一个采用双层膜的工程，其平面呈椭圆形，长短轴各为112m与98m.最近的一个实例是成都的水上乐园。这个有20000m2的大型建筑用来作为死海漂浮运动。一系列拱形钢桁架跨越115m，上覆以PVC聚酯织物。

　　膜结构曾被用于覆盖一些室内或室外的演出设施。大部分是由钢框架支承的张拉膜结构。建成的实例有：长沙世界之窗剧场（3500m2）、深圳欢乐谷中心表演场（5800m2）、广州海洋世界海豚馆（2840m2）和天津泰丰风雨剧场（1000m2）等。世界之窗剧场建成于1998年，是早期采用PVC覆面膜材的工程之一。

　　由于图内和国际上交流的扩展，需要许多新型的会议与展览建筑。1999年在深圳召开了中国高新技术成果交易会，有两个面积为2400m2的馆采用了膜屋盖，显示了其轻质与透光的突出优点。在海南省的小镇博鳌，由于有全世界重要人物参加的一系列高层会议在此举行而闻名。主会场即采用了膜结构，施工工期十分紧迫，4000m2的膜屋盖在40天内完工。在广西壮族自治区首府南宁建造了国际会议展览中心。一个以膜材覆盖的钢穹顶位于多功能大厅上空成为整个建筑物的焦点。钢结构内外两边采用双层的PTFE玻璃纤维织物覆盖。

　　膜结构还可用来覆盖各种不同的小型建筑，如加油站、收费站、服务中心、大门入口以及遮阳设施等。虽然每个工程的面积只有几百平方米，但工程的数量很多，把全国的工程加起来，膜的数量就很可观了。

　　中国膜材十年仍未突破

　　膜结构只有在材料问题得到解决之后才得以大量推广应用，因此关键问题是要提供满足功能要求、耐久性好与经济的膜材。用于膜结构有二种主要建筑织物，即涂敷聚四氟乙烯（PTFE）的玻璃纤维织物和涂敷聚乙烯（PVC）的聚酯织物。PTFE玻璃纤维织物具有强度高、半透明、耐火不燃以及自洁性好等优点。虽然材料的保证年限是25年，但按照实际使用的经验，其期望的使用寿命将会更长。玻璃纤维膜材的唯一缺点是价格较贵。PVC聚酯织物与玻璃纤维织物相比，其强度等性能稍差，使用年限也较短，但价格却很便宜，大约在1/5左右。加了改进其性能可在涂层外再加一层面层，聚偏氟乙烯（PVF）或聚偏二氟乙烯（PVDF）。这种面层能保护织物抵抗紫外线的侵蚀，并改进其自洁性。

　　目前国内有好多厂家都能生产有PVC涂层聚酯织物，但其性能尚未能完全达到建筑织物的要求，作为建筑用的永久性材料尚需进一步提高。据悉最近有些公司正在试制有PVDF面层的聚酯织物和PTFE玻璃纤维织物，外观与性能都大有改进。

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