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2011年5月3日  1/69 哈理工 建筑工程学院 第5章 薄膜结构  5.1 5.1 膜结构概述 膜结构概述 膜结构也称为织物结构，它以性能优良的柔 软织物为材料，由膜内空气压力支承膜面，或利 用柔性钢索或刚性支承结构使膜面产生一定的预 张力，从而形成具有一定刚度，能够覆盖大空间 的结构体系。  5.1.1 5.1.1 膜结构的发展和应用情况 膜结构的发展和应用情况 u 膜结构的起源可追溯至远古时代人们利用兽皮等建造的 帐篷。 u  1917年，英国人兰彻斯特首先提出了利用空气压力差支 承帐篷结构的思想，并建议用于野战医院。 2011年5月3日  2/69 哈理工 建筑工程学院 u  1970年日本大阪世界博览会美国馆，首次采用聚氯乙烯 （PVC）涂层的玻璃纤维织物构成的空气支承膜结构， 通常被认为是第一个现代意义上的大跨度膜结构。同 时，川口卫设计的日本富士馆采用了气囊式拱构成。 u  1975年建成的美国密歇根州庞提亚克“银色穹顶”  u  20世纪70年代，美国开发了聚四氟乙烯（PTFE，商品名  Teflon—特氟隆）涂层的玻璃纤维织物。这种材料于  1973年首次应用于美国加州拉维恩学院的一个学生活动 中心屋顶。 u  1946年美国工程师伯德首次建成了一个直径15m的充气 膜穹顶，由尼龙纤维布制成，用于雷达防护罩。 u  1983年建成的加拿大温哥华BC Place体育场 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  3/69 哈理工 建筑工程学院  20世纪80年代后期，张拉式膜结构及由钢索、刚性构架 等为支承骨架的膜结构逐渐取代充气结构成为薄膜结构发展 的主流。 u  1985年1981年建成的位于沙特阿拉伯吉达的哈吉航空港 沙特阿拉伯利雅得体育场 u 韩国汉城世界杯主体育场 u  1988年日本的东京后乐园穹顶仍采用了充气膜结构。 u  1990年的秋田穹顶采用格构式钢拱架 u  1990年建成的美国圣地亚哥会议中心 u  1993年的美国丹佛国际机场候机大厅 u  1992年的日本出云穹顶采用木骨架 u  1994年的香港大球场采用钢拱和主体桁架 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  4/69 哈理工 建筑工程学院 u  1996年美国亚特兰大奥运会场馆著名的佐治亚穹顶改进 了索的布置方式。 u  1998年汉城奥运会的体操馆和击剑馆中首次采用一种薄 膜结构的新形式—索穹顶 开合结构是随着现代体育建筑使用功能要求的提高而发 展起来的一种新型结构形式，薄膜用于开合屋盖具有独特的 优势。早期的可开合屋盖主要利用屋面膜材的展开与折叠， 通过桅杆、钢索及简单的装置实现屋盖结构的开合。 u  1976年蒙特利尔奥运会兴建的奥林匹克体育场 u  1997年在日本建成的熊本公园穹顶采用了一种新的混合 充气膜结构形式。 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  5/69 哈理工 建筑工程学院 u  2002年为世界杯足球赛兴建的日本大分体育场，也称  “大眼”体育场 u  1989年加拿大多伦多建成的直径208m的天空穹顶 u  1997年上海8万人体育场 u  1999年英国伦敦的千年穹顶 u 迪拜的阿拉伯塔（海滨）酒店 u  1997年长沙世纪之窗五洲大剧院 u 杭州健身中心 u 建于2000年青岛颐中体育场 u 建于2001年威海市体育中心体育场 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  6/69 哈理工 建筑工程学院  5.1.2 5.1.2 膜结构的特点 膜结构的特点 n 自重轻、跨度大 n 建筑造型自由丰富 n 经济性 第5章 薄膜结构 n 安全性 n 透光性 n 自洁性 优点： n 施工方便 2011年5月3日  7/69 哈理工 建筑工程学院 n 耐久性差 n 单层膜结构保温效果差 n 单层膜结构的隔音效果差 n 膜结构抵抗局部荷载的能力较弱 n 环保问 缺点： 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  8/69 哈理工 建筑工程学院  5.2 5.2 膜结构的形式与分类 膜结构的形式与分类 根据支承方式的不同，通常将薄膜结构分 为空气支承膜结构（即充气膜结构）、张拉式 膜结构及骨架支承膜结构三大类。  1. 空气支承膜结构 空气支承膜结构是利用薄膜内外的空气差来 稳定膜面以承受外荷载的结构形式。 （1）气承式膜结构 （2）气囊式膜结构 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  9/69 哈理工 建筑工程学院 国家游泳馆 国家游泳馆—— ——“ “水立方 水立方” ” 2011年5月3日  10/69 哈理工 建筑工程学院 建筑特点： 建筑特点： 立面灵感来源于 立面灵感来源于Kelven Kelven 的 的  “ “泡沫 泡沫” ”理论，基本构成是无数 理论，基本构成是无数 14 14面体和 面体和12 12面体的空间单元。 面体的空间单元。 由充气膜组成的 由充气膜组成的“ “气枕 气枕” ”实现， 实现， 气枕直径 气枕直径9 9m m， ，高度内 高度内5 5个。 个。 2011年5月3日  11/69 哈理工 建筑工程学院 结构特点： 结构特点： 平面尺寸 平面尺寸 177 177m m´ ´177m 177m， ，采用空间钢框架结构（框 采用空间钢框架结构（框 架梁柱为空间桁架式）。初步设计框架柱高度 架梁柱为空间桁架式）。初步设计框架柱高度 3.472 3.472m m， ，框架梁截面高度 框架梁截面高度7.211 7.211m m。其 。其内部节点和空间 内部节点和空间 的腹杆单元均 的腹杆单元均 有重复性。 有重复性。 弦杆构件构 弦杆构件构 成 成“ “气枕 气枕” ”的 的 边线。 边线。 2011年5月3日  12/69 哈理工 建筑工程学院 焊 焊 接 接 空 空 心 心 球 球 节 节 点 点 焊接空心肋板节点 焊接空心肋板节点 2011年5月3日  13/69 哈理工 建筑工程学院  2. 张拉式膜结构 （1）悬挂式膜结构 （2）复合张拉膜结构 张拉式膜结构指依靠薄膜本身的预张力与拉 索、支柱共同作用构成结构体系。 2011年5月3日  14/69 哈理工 建筑工程学院 膜的找形及裁减、钢 索的布置等是张拉膜结构 设计的关键。 2011年5月3日  15/69 哈理工 建筑工程学院 上海八万人体育场 2011年5月3日  16/69 哈理工 建筑工程学院  3. 骨架支承膜结构 骨架支承膜结构是指以刚性结构（通常为钢 结构）为承重骨架、并在骨架上敷设张紧的膜材 的结构形式。 骨架式索膜建筑常在某些特定的条件下被采 用，但是由于其结构方式本身的局限性：骨架体 系自平衡，膜体仅为辅助物，膜体本身的强大结 构作用发挥不足等，有人将其称之为二次重复结 构。骨架方式与张拉方式的结合运用，常可取得 更富于变化的建筑效果。 2011年5月3日  17/69 哈理工 建筑工程学院 国家体育中心 国家体育中心—— ——“ “鸟巢 鸟巢” ”  能容纳 能容纳10 10万人（ 万人（2 2万临 万临 时），长轴 时），长轴340 340m m， ，短轴 短轴294 294m m。 。 建筑及结 建筑及结 构特点： 构特点： 围护结构 围护结构 为覆盖膜， 为覆盖膜， 钢承重骨架。 钢承重骨架。 2011年5月3日  18/69 哈理工 建筑工程学院 结构特点： 结构特点： 24 24根钢柱等距布置， 根钢柱等距布置， 主桁架高度 主桁架高度12.5 12.5m m， ，主要 主要 杆件截面为 杆件截面为1.2 1.2m m ´ ´1.2m 1.2m  的箱形断面 的箱形断面 主钢架平 主钢架平 面外的稳定 面外的稳定 由与其相交 由与其相交 的次结构保 的次结构保 证。 证。 2011年5月3日  19/69 哈理工 建筑工程学院  5.3 5.3 建筑膜材 建筑膜材 现代建筑膜材均为复合材料，一般由中间的 纤维纺织布基层和外涂的树脂涂层组成，称为涂 层织物。  1. 膜材涂层 目前已生产出多种树脂涂 层材料，如聚氯乙烯（PVC）、 聚四氟乙烯（PTFE）、硅酮、 聚氨酯等。前三种为建筑膜材 常用的树脂涂层材料。 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  20/69 哈理工 建筑工程学院  2. 膜材基层 根据建筑结构使用强度的一般要求，建筑膜材 的基层纤维一般选用玻璃纤维或聚酯纤维。 基材的不同织法对膜材的特性形成也有影响。 平织法 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  21/69 哈理工 建筑工程学院  3. 膜材产品 将各种纤维基层与树脂涂层相结合可得到多种建 筑膜材，常用的有三种。 （1）玻璃纤维结构 (Glass Fabric)＋聚四氟乙烯 (PTFE) 涂层 永久性膜材 疏交错织法 密交错织法 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  22/69 哈理工 建筑工程学院 （2）聚酯纤维结构 (Polyester Fabric) ＋聚氯乙烯 (PVC)涂层＋聚偏氟乙烯 (PVDF) 面层 半永久性膜材 （3）玻璃纤维结构 ＋硅酮涂层 膜材产品的抗紫外线能力、透光性、自洁性、保 温性和隔音性是选用时需考察的主要建筑物理指标。 （1）力学性能 （2）光学性能 （3）声学性能 （4）防火性能 （5）保温性能 （6）自洁性能 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  23/69 哈理工 建筑工程学院  5.4 5.4 膜结构的荷载、作用与一般设计原则 膜结构的荷载、作用与一般设计原则  5.4.1 5.4.1 荷载与作用的类型 荷载与作用的类型 膜结构中的钢结构部分的荷载及荷载效应组合应 按《建筑结构荷载》进行计算。 n 作用于膜结构的荷载应考虑永久荷载、活荷载、 风荷载、雪荷载及初始预张力等。 n 结构上的作用包括温度作用和地震作用。由于膜结 构自重轻，地震对结构的影响较小，因此可不考虑。 但对支承结构应根据相关规范进行抗震计算。 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  24/69 哈理工 建筑工程学院  5.4.2 5.4.2 荷载效应组合 荷载效应组合 膜结构的计算应考虑荷载的长期效应组合和短期 效应组合。下表中S表示荷载效应，其下标G、Q、S、 W分别表示永久荷载、活荷载、风荷载及雪荷载。Ti 表示初始预张力。Pi表示膜内压。 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  25/69 哈理工 建筑工程学院  5.4.3 5.4.3 一般设计计算原则 一般设计计算原则  1. 计算内容 膜结构的设计计算与传统结构有明显区别。膜结 构属于柔性张拉体系，必须通过施加初始预张力才能 获得结构刚度，不同的初始预张力分布将导致不同的 结构初始形状，通常意义上的结构受力分析正是基于 一定的初始形状进行的。另一方面，膜结构的表面形 状为空间曲面，且通常形状比较复杂，属不可展曲面， 因此存在将平面膜材通过裁剪构成空间曲面的问题。 膜结构的设计计算应包括初始形态分析、荷载效应 分析与裁剪分析三大部分。 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  26/69 哈理工 建筑工程学院  2. 计算方法 膜结构的初始形态分析、荷载效应分析在本质上 上是一致的，可以采用相同的分析方法。各国学者对 膜结构的分析计算提出了多种方法，经过不断完善和 发展，目前得到公认并广为应用的三大计算机分析方 法为：力密度法、动力松弛法和非线性有限元法。  3. 容许应力法和安全系数  4. 几何非线性与材料非线性  5. 边界条件  6. 膜材的松弛与褶皱 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  27/69 哈理工 建筑工程学院  5.5 5.5 膜结构施工实例 膜结构施工实例 位于英国泰晤士河边的千年穹顶是英国为了迎接 新千年的到来而设计建造的巨型穹顶。该穹顶直径320m 建筑面积8万平方米，屋面PTFE膜材施工的总面积达 18.8万平方米，其中144块膜材料覆盖在由2600道索组 成的索网上，索网由72道放射型的钢索组成。整个穹顶 由12根倾斜的钢结构柱吊挂，每根柱有6个吊点。具体 施工顺序如下： 1.先安装12根95m高的钢柱和索网，然后在穹顶中 心部位搭设支架台和工作平台，为后面的膜面安 装提供支承与工作面； 2011年5月3日  28/69 哈理工 建筑工程学院 2.两组施工人员配合进行穹顶上半部分膜面的安装； 3.PTFE膜材料展开并铺展在索网上，然后张拉到放射 型的连接器上； 4.膜面继续安装直至完成穹顶上半部分72块膜面； 5.穹顶下半部分的膜材料从包装中取出然后运送到安 装部位。这72块膜面的尺寸均为13m×75m； 6.张拉穹顶上半部分膜面； 2011年5月3日  29/69 哈理工 建筑工程学院 9.穹顶下半部分膜面与钢柱进行连接固定； 10.仅12周的时间，18.8万平方米的膜面铺装与地面施 工完成。 7.穹顶膜面安装工作向下延伸； 8.由于进度的需要，膜面安装工作在夜间依然进 行； 2011年5月3日  30/69 哈理工 建筑工程学院 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  31/69 哈理工 建筑工程学院 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  32/69 哈理工 建筑工程学院 1970大阪博览会富士集团展馆 2011年5月3日  33/69 哈理工 建筑工程学院 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  34/69 哈理工 建筑工程学院 2011年5月3日  35/69 哈理工 建筑工程学院 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  36/69 哈理工 建筑工程学院 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  37/69 哈理工 建筑工程学院 充 气 过 程 2011年5月3日  38/69 哈理工 建筑工程学院 2011年5月3日  39/69 哈理工 建筑工程学院 利雅特体育场 2011年5月3日  40/69 哈理工 建筑工程学院 丹佛国际机场 2011年5月3日  41/69 哈理工 建筑工程学院 丹佛国际机场（内景） 2011年5月3日  42/69 哈理工 建筑工程学院 丹佛国际机场（内景） 2011年5月3日  43/69 哈理工 建筑工程学院 膜结构细部及节点构造  Details of the  Membrane Structure 2011年5月3日  44/69 哈理工 建筑工程学院 日本秋田“天穹” “Sky Dome”, Akita Japan 2011年5月3日  45/69 哈理工 建筑工程学院 “天穹”之钢骨架 2011年5月3日  46/69 哈理工 建筑工程学院 圣彼特斯堡“雷声穹顶” 索穹顶  Cable Dome 2011年5月3日  47/69 哈理工 建筑工程学院 索穹顶结构示意图 2011年5月3日  48/69 哈理工 建筑工程学院 美国亚特兰大为1996年奥运会修建的“佐治亚穹顶 （GeogiaDome，1992年建成）采用新颖的整体张拉 式索一膜结构，其准椭圆形平面的轮廓尺寸达  192mX241m。 佐治亚穹顶 2011年5月3日  49/69 哈理工 建筑工程学院 亚特兰大体育馆(佐治亚穹顶)  Georgia Dome, Atlanta, Georgia 2011年5月3日  50/69 哈理工 建筑工程学院 亚特兰大体育馆(佐治亚穹顶)  Georgia Dome, Atlanta, Georgia 2011年5月3日  51/69 哈理工 建筑工程学院 索穹顶结构示意图 2011年5月3日  52/69 哈理工 建筑工程学院 熊本公园体育馆 2011年5月3日  53/69 哈理工 建筑工程学院 熊本公园体育馆 2011年5月3日  54/69 哈理工 建筑工程学院 蒙特利尔体育场  Montreal Olympic Stadium 2011年5月3日  55/69 哈理工 建筑工程学院 千 年 穹 顶  Millennium Dome 2011年5月3日  56/69 哈理工 建筑工程学院 结构示意图 2011年5月3日  57/69 哈理工 建筑工程学院 千年穹顶(在安装中) 2011年5月3日  58/69 哈理工 建筑工程学院 中央节点在安装中  The  Central Cable Truss  During Construction  桅杆 和索 网在 安装 中 2011年5月3日  59/69 哈理工 建筑工程学院 可开启式膜结构 海洋穹顶 2011年5月3日  60/69 哈理工 建筑工程学院 海洋穹顶  Ocean Dome, Japan 2011年5月3日  61/69 哈理工 建筑工程学院 海洋穹顶内景  Inner View of Ocean Dome 2011年5月3日  62/69 哈理工 建筑工程学院 大分穹顶  Oita Stadium (Big Eye), Japan 2011年5月3日  63/69 哈理工 建筑工程学院 2011年5月3日  64/69 哈理工 建筑工程学院 大分穹顶  Oita Stadium (Big Eye), Japan 2011年5月3日  65/69 哈理工 建筑工程学院 卢森堡网球场  Rothenbaum Tennis Stadium 2011年5月3日  66/69 哈理工 建筑工程学院 卢森堡网球场  Rothenbaum Tennis Stadium 2011年5月3日  67/69 哈理工 建筑工程学院 第5章 薄膜结构 2011年5月3日  68/69 哈理工 建筑工程学院 上海八万人体育场  The Shanghai Stadium 2011年5月3日  69/69 哈理工 建筑工程学院 上海八万人 体育场内景 2011年5月3日  70/69 哈理工 建筑工程学院 长沙世界之窗  A Theater in Changsha, China 2011年5月3日  71/69 哈理工 建筑工程学院 深圳欢乐谷  A Game Center in Shenzhen 2011年5月3日  72/69 哈理工 建筑工程学院 威海体育场  The Weihai Stadium, China