胥传喜武岳
（RIGHT TECH(S) PTE LTD）（哈尔滨工业大学）
提要膜结构所用的材料和技术均不同于传统结构。膜结构的设计一般在方案阶段就有专业膜结构公司介入。本文就膜结构方案建议阶段的工作内容及相关知识如结构体系的确定、膜材料的选择、造价估算等展开论述和讨论。 关键词：膜结构结构体系膜材料工程设计造价估算
Structural System Determination and Cost Estimating for
Membrane Construction
Xu Chuanxi Wu Yue
（RIGHT TECH(S) PTE LTD）（Harbin Institute of Technology）
Abstract The material and the technology used for membrane structure are different from the traditional
structure. Usually, the specialized membrane structure company involves the construction in the design proposal stage. This lecture focuses on the knowledge of the conceptual proposal, including structure system determination, the fabric choice, the cost estimating and so on.
Key words membrane structure, structural system, fabric, engineering design, cost estimating
1.膜结构的基本形式与结构体系
膜结构是以厚度通常小于1 mm 的薄膜材料为主要受力构件的表面张力结构。根据施加张力的媒介不同，膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。
1.充气膜结构的基本形式
充气膜结构通过向膜内充气而使膜面形成张力、维持设计的形状并承受荷载。充气膜结构的基本形式有气承式、双层或多层气垫式、气肋式等。
充气膜结构在膜结构发展的早期曾得到很大发展，其典型工程有B.C. Place Stadium ( Canada, 232X190m, 1983, 气承式）、GALET EXPO 2002 (103m/80m/71m , 双层气垫式) 、Fuji Group Pavilion ( Expo’70，气肋式) 等，见图1。除了充空气外，日本的石井一夫教授还研究了300m X 150m 的充氦气悬浮膜结构屋顶方案[1]，而这一构想也被应用于在我国深圳龙岗商业中心（图2）的工程设
计中。尽管近年来膜结构的发展重点在张力膜结构上，以英国Eden Project为代表的、利用以透明ETFE膜材做成的双层或多层气垫为基本单元（图3）的结构也很引人注目。
图1 充气膜结构的基本形式 a. 气承式; b. 气垫式; c. 气肋式
图2 龙岗商业中心充氦气悬浮膜结构方案图3 ETFE气垫及其代表工程shenh
2.张拉膜结构的基本形式
张拉膜结构以钢索、钢结构构件等为边界，通过张拉边界或顶升飞柱等手段给膜面施加张力、维持设计的形状并承受荷载。
张拉膜结构的基本外形有马鞍形、圆锥形（伞形）、拱支承形、脊谷式等，见图4。应用于实际工程的张拉膜结构常常是这些基本外形的组合。
图4 张拉膜结构的基本形式 a. 马鞍形 b. 圆锥形（伞形） c. 拱支承形 d. 脊谷式
张拉膜结构设计的一大特点是需要进行形态分析，即通常所说的形。张拉膜结构的“自由造型”需要符合力学平衡。事实上，形的目的不仅仅是出一个满足平衡的形状，还包括对所出曲面的预
应力及刚度的分析，或者说是对曲面的病态判别及其修改。张拉膜结构的外形设计需要建筑师与专业膜结构技术人员共同完成。有关形方法及“形”与“力”的关系等，将在下一讲中专门论述。本专题讲座将主要就张拉膜结构展开。
3. 张拉膜结构的支承体系
张拉膜结构工程按支承结构及边界约束可分为三种类型，即柔性支承体系、刚性支承体系、混合支承体系（刚性支承、柔性边界），如图5所示。
图5 张拉膜结构的支承体系 a. 柔性支承体系b. 刚性支承体系 c. 混合支承体系
柔性边界膜结构和刚性支承、柔性边界膜结构，以柔性的钢索为边界，且连接膜节点板（Membrane Plate）与支承结构、已有建筑或锚固基础的连接段（Link）常做成长度可调节、在其他方向上可以转动，以较好地适应荷载作用下的变形及二次张拉。这种边界形式特别适用于采用PVC覆盖膜材的工程，对设计及制作、安装的精度要求也相对较低。国内目前的膜结构工程绝大多数都采用柔性边界。
雨棚信号灯刚性边界的膜结构，膜面的所有边界都为刚性构件。相对于柔性边界而言，刚性边界的膜结构造形更为简洁、受工程场地约束少，但其造形受边界的影响更为明显，且精度要求更高。
2.膜结构的材料及其选用
与传统结构不同，膜结构以柔性的薄膜和索为主要受力材料。要进行膜结构的工程设计，必须了解其材料；在方案建议阶段，也需要就可供选择的材料作出比较并给出建议。
用于建筑工程的薄膜材料可以分为织物类膜材和非织物类膜材两大类。其中织物类膜材常用的有PVC涂层覆盖聚酯纤维织物（以下简称PVC膜材）以及PTFE涂层覆盖玻璃纤维织物（以下简称PTFE 膜材）；非织物类膜材则以ETFE薄膜最具代表性和竞争性。
１．织物类膜材的构造
织物类膜材由织物基层加表面涂层复合而成，基层提供材料以强度等力学性能，涂层则提供防火、防老化等物理及化学性能。常用的基层材料有聚酯纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维等；常用的涂层材料则有聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯（PTFE, 俗称Teflon）、硅酮及聚酰胺等等。
图6 织物类膜材的构造
２．PVC涂层覆盖聚酯纤维膜材的性能
PVC膜材的主要性能指标如下：
a. 颜及透光性能：有多种颜可供选择，透光率在8%-16%之间；
b. 寿命及稳定性能：寿命为10-15年，PVC涂层受紫外线影响将逐步老化；
c. 防火性能：阻燃材料；
d. 自洁性能：自洁性能一般，随着PVC涂层的老化，表面会泛黄、积尘、起斑点甚至涂层脱落，
在强紫外线照射地区尤为明显；
e. 可加工性能：柔软、可折断，可加工性能好；可采用高频焊接融合。
常用PVC膜材的抗拉强度、撕裂强度等性能指标见表1。
表1 常用 PVC 膜材的性能指标
产品名称VALMEX FR700 VALMEX FR900 FERRARI 1002T FERRARI 702
材料聚脂纤维涂PVC 聚脂纤维涂PVC 聚脂纤维涂乙烯基聚脂纤维涂乙烯基重量（g/m2）800 900 1050 750 厚度 (mm) 0.60 0.8 0.8 0.6 经向3000 4200 4200 2800 条张拉强度pvc覆膜胶水
（N/5cm）纬向3000 4000 4000 2800 经向300 500 550 300 撕裂强度
（N）纬向300 450 500 280 粘结强度（N/5cm）100 125 120 100 透光率（%）15 13 15 11
３．PTFE涂层覆盖玻璃纤维膜材的性能
PTFE膜材的主要性能指标如下：
a. 颜及透光性能：只有白一种。PTFE膜材刚安装时略微呈黄，随着太阳光的照射，一般在
3-6个月变为纯白。透光率在10%-15%之间；
b. 寿命及稳定性能：寿命为25-30年，涂层受紫外线影响小，稳定性好；
c. 防火性能：不燃材料；
d. 自洁性能：自洁性能好，雨水即可冲刷表面积尘而保持清洁；
e. 可加工性能：可加工性能一般；可采用高温焊接。
常用PTFE的性能指标见表2。
表2 常用 PTFE 膜材的性能指标
产品名称CHEMFAB
SHEERFILLⅠ
CHEMFAB
中央排水系统SHEERFILLⅡ
SKYTOP FGT-800
VERSEIDAG
剥离力测试方法
B18089 GF
材料玻璃纤维涂PTFE 玻璃纤维涂PTFE 玻璃纤维涂PTFE 玻璃纤维涂PTFE
重量（g/m2）1650 1375 1300 1150 厚度 (mm) 0.96 0.8 0.8 0.7 经向7000 5500 7800 7000 条张拉强度
（N/5cm）纬向6100 4800 6500 6000 经向520 530 350 500 撕裂强度
（N）纬向700 530 400 500 粘结强度（N/5cm）130 90 80 透光率（%）12~16 12~16 12 12~14
４．网状膜材上述膜材可做成带不同大小和间距的孔洞的网状，既可以遮阳，又可以减少作用于膜面的风荷载。同时，由于膜材为网状，由此而围护的空间又可以说是开敞的，在一些地方可以不计入总建筑面积，省却大笔的发展税费，因而也深受发展商和建筑师的喜爱。
５．ETFE 膜材
ETFE是英文Ethylene Tetra Fluoro Ethylene的缩写，中文名称为乙烯-四氟乙烯共聚物。用于建筑工程上的ETFE膜材是由其生料加工而成的薄膜，非常坚固、耐用，并具有极高的透光性。
ETFE 膜材的性能的主要性能指标如下：
闪蒸器ａ．厚度：0.05mm - 0.25mm；
ｂ．密度：1.75g/cm3 左右，以0.20mm厚的ETFE膜材为例，其质量约350g/m2；
ｃ．颜：透明、白，可印制成各种颜的图案；
ｃ．透光率：单层透明膜材的透光率高达95%，白膜材为50~55%；
ｄ．防火性能： ETFE为阻燃材料；
ｅ．耐久性：使用年限达25年以上；
ｆ．抗拉强度：大于40Mpa；
ｇ．破断伸长率：达300%以上。
ETFE材料本身的抗拉强度并不低，但由于做成的膜材很薄，以单层张拉方式应用于膜结构时，结构的跨度要比应用织物类膜材的结构来得小。通常ETFE 膜材以多层气垫的形式（参见图3）出现于建筑物中。
6.TENARA 膜材
正如商标名Teflon已成为PTFE膜材的代名词一样，TENARA其实也是一种膜材的商标。所不同的是，在通常所说的PTFE膜材中PTFE只是涂层，其基层多为玻璃纤维织物；而TENARA 膜材则是连基层也为PTFE。与PTFE涂层膜材相比，TENARA 膜材更薄、更柔软，强度更高，透光率更是高达40%。
2.膜材料的选用
不同种类、不同品牌及同一品牌不同型号的膜材，其性能及价格各不相同。膜材的选择往往在很大程度上取决于建筑物的功能、防火要求、设计寿命和投资额。一般来说，选择膜材时主要考虑以下因素：
ａ．强度，包括抗拉强度与抗撕裂强度等，视膜面的工作应力来选择；
ｂ．耐久性，包括抗老化性能、徐变性能以及适应气候的能力；
ｃ．防火性能，即要求材料是阻燃的还是不可燃的，这又取决于建筑物的功能及当地对建筑材料防火性能要求的规定；
ｄ．价格，往往起控制作用；
ｅ．膜材的可加工性能、幅宽及拟建工程的膜面形状等。
PVC膜材的价格比较便宜，加工制作也比较方便。一般多用于对防火性能及耐久性能要求不是很高的建筑物或建筑小品等。PTFE膜材多用于防火要求高的永久性膜结构工程。网状膜材主要用于需要减少或遮挡阳光但又有类似于开敞空间空气环境的场所，如网球场等。图7所示的工程是用网状膜材建
造的竖向视线屏蔽结构，目的是减小作用于膜面的风压。采用银灰是为了增加屏蔽效果。ETFE材料由于其极好的透光性能和紫外线穿透能力，特别适合于建造需要人工模拟自然环境的建筑物，如人工生态园，以及运动场馆等等。TENARA 膜材因其高透光性、柔软、耐久性好，多用于可收缩的或高透光性的膜结构工程。图8是一个用TENARA膜材建造的高透光性结构。过于昂贵的价格使得TENARA 目前在膜结构工程中应用较少。
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