张其林/ZHANG Qilin摘要：本文分析了膜结构中曲面单元的建筑几何特征，通过工程实例展示了膜结构体系的类型及其特点，介绍了在新型膜结构体系方面的若干研究成果，探讨了膜结构体系的应用和发展趋势。

Abstract: This article analyzes the architecturalcharacteristic of curved surface in membrane structure.By presenting several real projects, it introduces differenttypes of membrane system and their features, presentsrecent research on new membrane systems, and discussesthe trends of application and development of membranestructure systems.关键词：膜结构建筑，膜材料，膜结构体系Key words: Membrane architecture, Membrane materials,Membrane structure systems作者单位：同济大学土木工程学院收稿日期：2009-08-25一、 前言膜结构在国内的应用晚于世界近50年，但近10几年来，膜结构在国内的应用发展速度高于世界任何地区。

目前，膜结构已广泛应用于大型体育场馆、展览中心、航空和铁路交通、文化娱乐等公共建筑中，雕塑、小品等小型临时建筑也在公共绿地和公园中极为普遍。

膜结构之所以得到如此众多的建筑师的青睐和日益广泛的应用，根本原因在于膜材料的独特性。

区别于传统建筑材料钢、混凝土及玻璃的“刚性”本质，膜材料是一种完全“柔性”的材料，又是一种介乎不透明的钢或混凝土与全透明的玻璃之间的“半透光”的材料。

因这些特质，膜结构可以生成各类丰富多彩、复杂多变的空间光滑曲面，能够充分反映建筑师的独特个性，甚至能够生成令建筑师感到惊喜的出乎其意的建筑效果。

膜结构按所采用的材料，可划分为PVC材料膜结构、PTFE材料膜结构、ETFE材料膜结构；按其建筑几何元素，可划分为马鞍形膜结构、伞形膜结构、碗形膜结构；按其支承结构体系及支承方式，可划分为张拉膜结构、框架支承膜结构、气承式膜结构、气枕膜结构；按其使用功能和使用方式，还可划分为可移动、可展开、可开合膜结构等。

二、膜材料的类型和基本特点膜材料可分为两大类：基层涂层类和高分子复合类。

基层涂层类材料由双向纤维编织的基材和具有耐久和自洁功能的涂层组成[1]，见图1所示。

其中，基材有玻璃纤维基材和聚酯纤维基材两类，涂层有PVC和PTFE两类。

玻璃纤维基材一般覆盖PTFE涂层，而聚酯纤维基材一般覆盖PVC涂层。

所以，常将玻璃纤维类膜材称为PTFE材料，将聚酯纤维类膜材称为PVC膜材。

高分子复合类膜材是ETFE材料经特殊处理后制造的高强度薄膜材料，常称为ETFE膜材。

膜结构体系的应用和发展THE APPLICATION AND DEVELOPMENT OF MEMBRANE STRUCTURE SYSTEMS膜材料是一种完全柔性的面料，所以膜面受拉时张紧，拉力为零时松弛褶皱。

越是曲率半径小的膜面越能保证其保持较大水平的拉力，平面膜面极易发生应力松弛而导致褶皱，所以膜面必是曲面。

但膜材料成品是平的，当采用平的膜成品制成曲面膜面时，只能将成品平面裁剪成具有较窄宽度的裁剪片，各裁剪片拼接形成近似曲面，再经张拉才能形成光滑的膜面。

裁剪片之间拼接缝具有两层膜面厚度，与单层膜面透光率差异很大，所以拼接缝在膜面上是可见且极为明显的（图2）。

如果膜面上拼接缝杂乱无章，将大大影响其美观性，所以必须按一定规则设计一个美观的拼接缝图案。

PVC、PTFE和ETFE膜材料均具有一定的弹性变形能力。

其中PVC的变形能力最强，因而仅需较小的张力就可生成较光滑的曲面，但相对而言，PVC膜材的耐久性和自洁能力又较差，一般用于临时建筑和半永久性建筑中。

PTFE可用于永久性建筑中，但价格一般高于PVC材料。

相对于PVC和PTFE膜材，无基材的ETFE材料的应力蠕变现象明显且持续时间长[2]，所以宜用于制作充气单元，这样可以通过补充空气维持气压稳定以保持膜面具有足够的张力、不因蠕变而松弛。

因为没有基材，ETFE是一种近乎透明的材料，所以运用小尺度的充气ETFE膜单元还可以替代玻璃面板或配以灯光达到特殊的建筑效果。

PVC和PTFE为半透光的材料，所以在大面积覆盖的建筑屋面中运用PVC和PTFE在白天无需照明，将达到很好的节能效果。

PVC和PTFE的水密性和气密性不亚于ETFE，所以也可应用于各类充气单元和充气结构中。

三、膜结构表面的建筑几何元素任何复杂或大型的膜结构表面均是由许多相对独立的曲面单元组成的，曲面单元是指至少包含一个多边形封闭边界的面内受拉的膜面单元。

在一个多边形封闭边121 基层涂层类膜材2 膜面上的裁剪缝界内，完全“柔性”的膜面可以依靠其自身的面内张力维持形状（图3a），或内部支承于一个或多个支点（图3b），或与垂直于膜面的空气压力相互平衡而维持形状（图3c）。

从图3a和图3b中截取任意膜微元，可以发现膜微元任意两个正交方向的曲面曲率必是反向的，因为只有这样，两个方向的膜面张力才能互相平衡，膜面形状才能据此维持，这种具有正交反向曲率的曲面称为“负高斯曲面”，见图4a。

而从图3c中截取任意膜微元，可以发现，膜微元任意两个正交方向的曲面曲率必是同向的，因为柔性松弛的膜面在其法向空气压力作用下必然生成两个同向的膜面面内拉力，据此达成平衡并维持曲面形状，这种具有正交正向曲率的曲面称为“正高斯曲面”，见图4b。

图3a的曲面单元是典型的具有负高斯曲面性质的马鞍形曲面，图3b的曲面单元是具有负高斯曲面特性的带桅杆支撑的伞形曲面，图3c的曲面单元是典型的具有正高斯曲面性质的碗形曲面。

四、 膜结构的体系和类型膜曲面单元的边界通过点或线连接于膜结构支承体上。

膜结构支承体可以独立构成一个稳定的结构体系，膜曲面单元仅为围护体，这类膜结构称为框架支承式膜结构体系；膜结构支承体也可与膜曲面单元共同形成稳定的受力结构体系，膜曲面单元成为不可缺少的受力单元，这类膜结构称为张拉膜结构体系；碗形膜曲面单元可以由充斥于整个建筑体内的空气压力所支承，这类膜结构称为气承式膜结构体系；两个碗型膜曲面可成对封闭并由充斥其内的空气压力所支承，这类膜结构称为气枕结构体系。

1. 张拉膜结构体系张拉膜结构中，膜结构的曲面单元与其支承体共同构成了一个完整的结构受力体系。

张拉膜结构的支承体一般为脊、谷、边、斜拉索及撑杆或飞柱等集成体，并不能独自构成稳定的受力体系，膜曲面单元的破损或缺失将导致整个结构体系的溃塌。

图5给出了一个典型的张拉膜结构实例，在其中的伞形曲面单元中，一旦膜面缺失，飞柱及其下的由3根钢管和拉索组成的支承体将溃塌失效。

在实际工程中，一般通过设置主要支承体的稳定索和膜单元的脊索等，来确保整个膜结构体系的安全，亦可做到“膜损屋不倒”。

3a3b3c456 3 膜曲面单元3－a 依自身面内张力维持形状3－b 依内部支承点成形并维持形状3－c 空气支承维持形状4 负高斯曲面与正高斯曲面5 张拉膜结构（东京大学某结构实验室）6 2010上海世博轴屋面张拉膜结构体系在张拉结构中，膜面必须充分张紧才能承担其结构单元的功能。

因为充分张紧，膜面高度光滑和光洁、室内具有极佳的透光效果，这些形成了张拉膜结构体系重要的建筑魅力；因为膜面充当了结构受力单元，支承体并非完整的结构体系，所以支承体构件较少，结构体系极其简洁，这形成了张拉膜结构独特的结构魅力。

正因为兼具特别的建筑和结构魅力，张拉膜结构体系往往成为建筑师的首选，所以，它在膜结构建筑中应用最为广泛。

2010年上海世博会中轴屋面也采用了张拉膜结构体系（图6），这是目前世界上最大的张拉膜结构体系。

张拉膜结构体系如未经妥善设计，将导致结构体系的安全度不高，一旦膜面因强台风或其他原因破损，将导致整个结构体系的失效。

2. 框架支承式膜结构体系框架支承式膜结构体系中，膜面或膜单元曲面仅仅起围护作用，膜面的支承体系是独立且稳定的结构承重体系。

曲面单元可以是马鞍形或伞形的。

这类膜结构体系的最大优点在于结构体系的安全度极高，因为膜曲面单元的损坏或缺失不会影响整个结构体系的安全性。

但因为这类膜结构体系中支承体系构件较多，极大地影响了其室内建筑观感和透光性，无法充分体现膜结构轻盈飘逸的特点。

图7－9是国内建造的较有影响的框架支承式膜结构体系。

3. 气承式膜结构气承式膜结构中，建筑物的整个屋面形似一个倒扣的碗面，由充斥于建筑物内的空气压力支承。

由于膜材料极轻的自重，这类膜结构所需空气压力也极小，所以，气承式膜结构是一种极为轻型高效的结构体系。

但是，采用气承式膜结构体系的建筑物，必须设置鼓风装置，不间断地充气以补充气压，一旦断电后，整个屋面膜曲面将逐渐掉落。

建筑层高较低的气承式膜结构建筑内，必须充分考虑到这一情况，通过设置支架防止膜屋面掉落导致室内人员受困窒息的情况发生。

图10为采用气承式膜结构体系的东京穹顶。

4. 气枕式膜结构体系气枕式膜结构体系的膜单元类似充气枕头，依靠填充于封闭膜单元内的气压支承膜单元的曲面形状。

2008北京奥体国家游泳馆“水立方”的墙面上就填满了很多大小不一的ETFE 气枕膜单元，如图11所示。

气枕式膜结构一般采用ETFE 透明材料配以灯光可达成炫彩的建筑效果。

与气承式膜结构类似，气枕内的空气气压必须恒定以维持气枕形状。

所以，一般必须设置气枕气压的监控和自动充气装置。

ETFE 膜材具有较明显的蠕变特征，相比于气承式膜结构，自动充气对于ETFE 气枕膜结构体系更为重要。

7891013a13b11127 上海八万人体育场8 南宁国际会展中心9 上海新国际博览中心10 东京“巨蛋”体育场充气膜结构体系11 2008北京奥体国家游泳馆“水立方”气枕式膜结构体系12 1970年建于日本的充气膜结构13a、13b 昆明花博会舞台可移动膜结构除了类似枕头的气枕膜结构体系外，采用PVC或PTFE材料的管状充气结构也属于气枕式膜结构，这类结构更多地应用于临时广告架，极少应用于建筑结构中（图12）。

五、 多功能膜结构建筑公共建筑、体育场馆甚至建筑小品有时需要满足开启、展开、移动等特殊功能要求。

而膜材料的质量远远轻于其他传统建筑材料，这就使得在设计具备特殊功能要求的建筑物时，膜结构建筑往往成为首选甚至必选。

图13－17给出了我国和世界各地建造的多功能膜结构的一些工程实例。

在多功能膜结构设计中，最困难的首先是开合、展开或移动的机械传动和控制系统的设计，这是决定能否顺利实现膜结构各项特殊功能的关键。