1、建筑结构选型2第九章 膜结构第一节 概述第二节 充气膜结构第三节 支承膜结构教学要求教学要求了解膜结构的受力特点及其型式，掌了解膜结构的受力特点及其型式，掌握膜结构选型与布置握膜结构选型与布置第四节 工程实例3 第九章 膜结构膜结构膜结构: : 房屋建筑中的膜结构雏形房屋建筑中的膜结构雏形4 第九章 膜结构膜结构膜结构: : 膜结构膜结构(Membrane)是张拉结构发展来的一是张拉结构发展来的一种建筑结构形式，由性能优良的柔软织物为材种建筑结构形式，由性能优良的柔软织物为材料，可以向膜内充气，由空气压力支撑膜面，料，可以向膜内充气，由空气压力支撑膜面，也可以利用柔性的拉索结构或刚性的支撑结构
2、也可以利用柔性的拉索结构或刚性的支撑结构将薄膜绷紧或撑起，形成具有一定刚度，能够将薄膜绷紧或撑起，形成具有一定刚度，能够覆盖大跨度空间的结构体系。覆盖大跨度空间的结构体系。 薄膜结构被称为及砖石结构、钢筋混凝土结薄膜结构被称为及砖石结构、钢筋混凝土结构、钢结构之后的第四代建筑结构形式。构、钢结构之后的第四代建筑结构形式。 5 第九章 膜结构充气膜结构充气膜结构: : 充气结构是向膜内充气，用空气压力支撑膜面，充气结构是向膜内充气，用空气压力支撑膜面，包括气压式，气承式，混合式，气枕式。（如图：包括气压式，气承式，混合式，气枕式。（如图：1970日本世博富士馆）日本世博富士馆） 6 第九章 膜结
3、构支承膜结构支承膜结构: : 用高强度柔性薄膜材料经受其它材料的拉压作用而用高强度柔性薄膜材料经受其它材料的拉压作用而形成的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形形成的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形式，有柔性支承膜，刚性支承膜。（如图：威海体式，有柔性支承膜，刚性支承膜。（如图：威海体育馆）育馆） 7 第九章 膜结构9.1 概述9.1.1膜结构的特点n 是建筑与结构完美结合的一种结构体系。膜材通过支承是建筑与结构完美结合的一种结构体系。膜材通过支承体系使膜承受张力，形成一定刚度的稳定曲面，力的平体系使膜承受张力，形成一定刚度的稳定曲面，力的平衡状态直接表现在结构的形状上。衡状态直接表现
4、在结构的形状上。n 膜材料具有良好的力学性能。膜材厚度小、一般厚度膜材料具有良好的力学性能。膜材厚度小、一般厚度0.50.8mm，重量轻、自重约为，重量轻、自重约为0.020.15kN/m，抗，抗拉强度高，可达拉强度高，可达1400N/m。n 膜结构制作方便、施工速度快、造价低廉。工厂制作、膜结构制作方便、施工速度快、造价低廉。工厂制作、工业化生产，工期可缩短工业化生产，工期可缩短1/21/4，造价可降，造价可降1520%。n 透光自洁、减少能耗、降低维修费用。透光率透光自洁、减少能耗、降低维修费用。透光率4%16%。采用高强薄膜材料、加强构件（钢架、柱或索），内部产采用高强薄膜材料、加强构件
5、（钢架、柱或索），内部产生一定的预应力，形成某种空间形状作为覆盖结构，并能生一定的预应力，形成某种空间形状作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的结构形式承受一定的外荷载作用的结构形式。8 第九章 膜结构9.1 概述9.1.1膜结构的特点n 使用范围广、可拆卸、易运输。适用于广阔的地域，拆使用范围广、可拆卸、易运输。适用于广阔的地域，拆卸安装时间短。卸安装时间短。总之：膜结构建筑外观飘逸，空间开阔灵秀、结构轻盈、总之：膜结构建筑外观飘逸，空间开阔灵秀、结构轻盈、透光阻燃、经久自洁、安装快捷、节能降耗、造价适中、透光阻燃、经久自洁、安装快捷、节能降耗、造价适中、维修简便。由于膜材造型运用很灵活，
6、尤其使大跨距的维修简便。由于膜材造型运用很灵活，尤其使大跨距的建筑，特别能突显设计者的创意及设计要求。在奥运会、建筑，特别能突显设计者的创意及设计要求。在奥运会、世博会等大型建设工程中，已经大显身手。世博会等大型建设工程中，已经大显身手。膜结构的主要缺点：膜结构的主要缺点：a)a) 耐久性较差。最近几年，由于高强、防火、透光、耐久性好、耐久性较差。最近几年，由于高强、防火、透光、耐久性好、 性能稳定的膜材的出现和应用，膜结构的设计寿命可达到性能稳定的膜材的出现和应用，膜结构的设计寿命可达到2020年以上。年以上。b)b) 膜结构张力具有连续性，局部破坏就会造成整个膜结构垮掉。膜结构张力具有连续
7、性，局部破坏就会造成整个膜结构垮掉。c)c) 膜材隔热、隔声效果差。膜材隔热、隔声效果差。9 第九章 膜结构9.2 概述9.1.2薄膜材料的组成和分类v 膜材为基层与涂层的复合材料膜材为基层与涂层的复合材料 基层为纤维编织物：受力结构基层为纤维编织物：受力结构 附着于基层上的涂层：密实、保护基层作用外，还有防火、附着于基层上的涂层：密实、保护基层作用外，还有防火、防潮、透光防潮、透光v 常用膜材类别：常用膜材类别： 第第1类，聚酯纤性织物加聚氯乙烯（类，聚酯纤性织物加聚氯乙烯（PVC）涂层）涂层 第第2类，无机材料织物加聚四氯乙烯（类，无机材料织物加聚四氯乙烯（PTFE）涂层）涂层 第第3类，
8、改进类，改进PVC膜材膜材 第第4类，类，ETFE膜材，号称软玻璃、塑料王膜材，号称软玻璃、塑料王10 第九章 膜结构9.1 概述9.1.2薄膜材料的组成和分类疏交错织法疏交错织法 附着性强、附着性强、 抗撕裂强度高抗撕裂强度高密交错织法密交错织法 高抗拉强度高抗拉强度 平织法平织法 薄，薄， 抗撕裂强度极高抗撕裂强度极高图图9-1-1 薄膜材料薄膜材料11 第九章 膜结构9.2 充气膜结构v充气膜对制作成一定形状的膜囊充气，施加张力，形成充气膜结构。v充气膜结构分类：气压式、气承式、混合式、气枕式12 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.1 气压式膜结构也称为气囊式或气胀式膜结构 结构受
9、力特点：结构受力特点： 型式分类：气肋式、气被式型式分类：气肋式、气被式保持气囊作用于高于大气压的气压，并使膜的每保持气囊作用于高于大气压的气压，并使膜的每处都承受一定张拉力。处都承受一定张拉力。气肋式：由一个个充气囊（充气肋式：由一个个充气囊（充气管）组成框架连成整体。气管）组成框架连成整体。气被式：由两层薄膜之间气被式：由两层薄膜之间充入空气，两层薄膜用线充入空气，两层薄膜用线或隔膜连接。或隔膜连接。是在若干充气肋或充气被的密闭是在若干充气肋或充气被的密闭空间内保持高于大气压的空气压空间内保持高于大气压的空气压力，以保证其支承能力的结构力，以保证其支承能力的结构13 第九章 膜结构9.2
10、充气膜结构9.2.1 气压式膜结构图图9-2 -1 气压式膜结构气压式膜结构图图9-2-2 气压式空气薄膜结构的型式气压式空气薄膜结构的型式 结构形式：结构形式： 结构构造：结构构造：气囊式膜结构落地落地搁置于墙上搁置于墙上14 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.1 气压式膜结构波士顿艺术中心剧场波士顿艺术中心剧场图图9-2-4 富士组展览馆外形富士组展览馆外形15 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.1 气压式膜结构图图9-2-5 富士组展览馆平面图富士组展览馆平面图图图9-2-6 富士组展览馆纵剖面图富士组展览馆纵剖面图16 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.1 气压式膜结
11、构 气压式膜结构的承载力依赖于气囊的构架型式、气压式膜结构的承载力依赖于气囊的构架型式、膜材特性及作用于气囊内的气压。膜材特性及作用于气囊内的气压。v优点：建筑使用空间自由开放、造型灵活多样、优点：建筑使用空间自由开放、造型灵活多样、隔热性好隔热性好v缺点：气囊内工作压力高，对材料强度、气密性缺点：气囊内工作压力高，对材料强度、气密性等质量要求高，造价高。等质量要求高，造价高。v气肋式适用于小跨度气肋式适用于小跨度v气被式的跨度要比气肋式大得多气被式的跨度要比气肋式大得多17 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.2 气承式膜结构 气承式膜结构是通过鼓风系统向建筑物内充气，气承式膜结构是通过
12、鼓风系统向建筑物内充气，使室内外保持一定的压力差，并产生一定的预张使室内外保持一定的压力差，并产生一定的预张应力，以保证体系的刚度，使覆盖膜撑起应力，以保证体系的刚度，使覆盖膜撑起 。 膜与地面采用沙包或锚固索固定。膜与地面采用沙包或锚固索固定。图图9-2-7气承式膜结构气承式膜结构18 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.2 气承式膜结构v 特点：建造速度快、结构简单、使用安全可靠、造价低、特点：建造速度快、结构简单、使用安全可靠、造价低、但建筑物入口需作一定处理（防止泄气过快），室内外压但建筑物入口需作一定处理（防止泄气过快），室内外压差对少部分敏感人有影响，跨度大时，要求膜强度高，易
13、差对少部分敏感人有影响，跨度大时，要求膜强度高，易垮塌。垮塌。图图9-2-8 拉索的布置拉索的布置 结构形式：拉索的布置结构形式：拉索的布置 单向平行、双向交叉单向平行、双向交叉承载力依赖于支承膜的承载力依赖于支承膜的气压、与地面锚固的手气压、与地面锚固的手段及进出建筑的方式。段及进出建筑的方式。需要长时间不间断的向需要长时间不间断的向室内送风。室内送风。19 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.2 气承式膜结构 日本第日本第1 1届世界园艺博览会兰花馆太阳馆（圆形建筑）届世界园艺博览会兰花馆太阳馆（圆形建筑）半径为半径为7575米，月亮馆（弧形建筑）最大跨度为米，月亮馆（弧形建筑）最大跨
14、度为4040米。米。20 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.2 气承式膜结构图图9-2-10 第一穹顶平面及立面图第一穹顶平面及立面图 图图9-2-11 第二穹顶平面图第二穹顶平面图21 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.2 气承式膜结构图图9-2-13 东京充气棒球馆剖面图东京充气棒球馆剖面图22 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.2 气承式膜结构图图9-2-12 东京充气棒球馆鸟瞰图东京充气棒球馆鸟瞰图23 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.2 气承式膜结构图图9-2-14 东京充气棒球馆看台剖面图东京充气棒球馆看台剖面图24 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2
15、.2 气承式膜结构图图9-2-15 气承式充气膜结构实例气承式充气膜结构实例25 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.2 气承式膜结构 气承式充气膜结构破坏实例气承式充气膜结构破坏实例26 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.2 气承式膜结构v美国明尼阿波利斯的美国明尼阿波利斯的“大城市穹顶大城市穹顶”在在1981年年11月月膜结构充气后的三周，因为一次暴风雪在屋面上形成膜结构充气后的三周，因为一次暴风雪在屋面上形成雪窝而下瘪，其后在雪窝而下瘪，其后在1982年与年与1983年又两次发生过年又两次发生过类似的事件，由此还引起了冗长的法律诉讼。类似的事件，由此还引起了冗长的法律诉讼。v这
16、些大大小小事故的产生，主要是由于空气膜所特有这些大大小小事故的产生，主要是由于空气膜所特有的的 袋状效应袋状效应，即膜表面上一旦积累了一些冰雪引，即膜表面上一旦积累了一些冰雪引起下凹起下凹,而下凹又招致了更多的冰雪，这样就造成恶性而下凹又招致了更多的冰雪，这样就造成恶性循环而导致膜材的破裂。在上述过程中，有时是由于循环而导致膜材的破裂。在上述过程中，有时是由于热空气融雪系统不足热空气融雪系统不足,有时是由于空气加压控制失灵，有时是由于空气加压控制失灵，甚至是管理人员操作上的失误，终于酿成事故。甚至是管理人员操作上的失误，终于酿成事故。 27 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.3 混合式充
17、气膜结构形式：形式：气压式与气承式混合，气压式与气承式混合，可克服气压式跨度小、可克服气压式跨度小、气承式易垮塌的缺点；气承式易垮塌的缺点；充气结构与其它传统充气结构与其它传统结构相结合，可变化结构相结合，可变化无穷。无穷。图图9-2-16 美国原子能美国原子能 委员会流动展览厅委员会流动展览厅例：结构长例：结构长90m，最宽处，最宽处38m，最高处最高处18m，由双层涂乙烯基的尼龙，由双层涂乙烯基的尼龙薄膜建成，层间由薄膜建成，层间由1.2m的空气层，分的空气层，分8个气仓。马鞍形混合充气结构。个气仓。马鞍形混合充气结构。28 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.3 混合式充气膜结构图图
18、9-2-17熊本县民综合熊本县民综合 公园室内运动广场公园室内运动广场29 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.3 混合式充气膜结构图图9-2-18 熊本县民综合公园室熊本县民综合公园室 内运动广场结构剖面图内运动广场结构剖面图30 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.3 混合式充气膜结构熊本县民综合公冈室内运动广场双层空气膜系统图熊本县民综合公冈室内运动广场双层空气膜系统图31 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.3 混合式充气膜结构32 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.4 气枕式充气膜结构v气枕膜结构由上下两膜片形成气囊，充气后形成气枕膜结构由上下两膜片形成气囊，充气后
19、形成一定形状的膜块状结构。一定形状的膜块状结构。 气枕膜一般尺寸较小，能形成密闭的、永久的气枕膜一般尺寸较小，能形成密闭的、永久的充气膜结构，一般与网架一起形成结构。充气膜结构，一般与网架一起形成结构。v充气提供气枕刚度承受外部荷载作用。充气提供气枕刚度承受外部荷载作用。图图9 -2-22气枕结构作为网架屋盖气枕结构作为网架屋盖33 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.4 气枕式充气膜结构图图9-2-20 矢跨比与主应力关系矢跨比与主应力关系 1）气枕结构的受力性能）气枕结构的受力性能 2）结构构造）结构构造主要荷载：风荷载、雪荷载、徐变主要荷载：风荷载、雪荷载、徐变内压变化：风、雪作用下
20、，气枕体内压变化：风、雪作用下，气枕体积减小、内压升高；温度变化，内积减小、内压升高；温度变化，内压亦变化；徐变使体积增大，内压压亦变化；徐变使体积增大，内压降低，影响结构承载力和刚度。降低，影响结构承载力和刚度。设计的核心问题：薄膜应力水平控设计的核心问题：薄膜应力水平控制、内压水平控制。制、内压水平控制。 与应力水平相关因素：膜材厚度、与应力水平相关因素：膜材厚度、矢跨比、内压，应力随矢跨比的增矢跨比、内压，应力随矢跨比的增大而减小。大而减小。设置内压监控系统、充放气系统设置内压监控系统、充放气系统34 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.4 气枕式充气膜结构 3）工程实例）工程实例中
21、国国家游泳中心：中国国家游泳中心：水立方，内表面覆水立方，内表面覆盖面积盖面积12万万m,采采用用ETFE膜材，寿膜材，寿命命30年。气枕内年。气枕内压设计值压设计值250MPa，屋面积雪时内压可屋面积雪时内压可达达500MPa,外凸矢外凸矢高为气枕内切圆直高为气枕内切圆直径的径的1215%。35 第九章 膜结构9.2 充气膜结构9.2.4 气枕式充气膜结构3）工程实例：水立方）工程实例：水立方36 第九章 膜结构9.3 支撑膜结构v支承体系对膜产生张力支承体系对膜产生张力支承膜结构支承膜结构v结构形式：结构形式： 柔性支承膜结构柔性支承膜结构 刚性支承膜结构刚性支承膜结构37 第九章 膜结构
22、9.3 支撑膜结构结构示意图 38 第九章 膜结构9.3 支撑膜结构结构示意图 39 第九章 膜结构9.3 支撑膜结构9.3.1 柔性支承膜结构图图9-3-1 悬挂膜结构示意图悬挂膜结构示意图 又称张拉式膜结构又称张拉式膜结构或悬挂式膜结构。或悬挂式膜结构。结构构造：结构构造： 采用桅杆、拱、拉采用桅杆、拱、拉索等支承构件将薄膜索等支承构件将薄膜张挂，利用柔性索向张挂，利用柔性索向膜施加张力将膜绷紧，膜施加张力将膜绷紧，形成稳定的薄膜屋盖。形成稳定的薄膜屋盖。造型新颖、适用于中造型新颖、适用于中小跨度建筑物。小跨度建筑物。一般采用负高斯曲率一般采用负高斯曲率的曲面，使两个方向的曲面，使两个方向
23、的曲率的薄膜纤维相的曲率的薄膜纤维相互约束，自相平衡。互约束，自相平衡。40 第九章 膜结构9.3 支撑膜结构9.3.1 柔性支承膜结构图图9-3-2 桅杆支承点处的节点构造桅杆支承点处的节点构造图图9-3-3 沙特阿拉伯法赫德国际体育场沙特阿拉伯法赫德国际体育场 支承方式：支承方式： 由索或拱索产生的由索或拱索产生的波状曲线支承；内部波状曲线支承；内部由莉桅杆或拉索所形由莉桅杆或拉索所形成的点支承。成的点支承。41 第九章 膜结构9.3 支撑膜结构9.3.1 柔性支承膜结构上海世博世博轴上海世博世博轴42 第九章 膜结构9.3 支撑膜结构9.3.1 柔性支承膜结构43 第九章 膜结构9.3
24、支撑膜结构9.3.1 柔性支承膜结构44 第九章 膜结构9.3 支撑膜结构9.3.1 柔性支承膜结构图图9-3-4 威海固铂成山体育馆威海固铂成山体育馆45 第九章 膜结构9.3 支撑膜结构9.3.2 刚性支承膜结构v刚性支承膜结构又称骨架支撑膜结构，结构组成：刚性支承膜结构又称骨架支撑膜结构，结构组成：利用拱、刚架、空间网格结构、张拉整体结构等利用拱、刚架、空间网格结构、张拉整体结构等刚性骨架支撑薄膜，实际是屋盖结构的覆盖层。刚性骨架支撑薄膜，实际是屋盖结构的覆盖层。v特点：大大减轻屋盖结构自重；特点：大大减轻屋盖结构自重； 构造简单、宜于维修保养；构造简单、宜于维修保养； 抗震性能好；抗震
25、性能好； 对膜材强度要求低。对膜材强度要求低。46 第九章 膜结构9.3 支撑膜结构9.3.2 刚性支承膜结构v结构构造结构构造图图9-3-5 骨架支撑膜结构骨架支撑膜结构47 第九章 膜结构9.3 支撑膜结构9.3.2 刚性支承膜结构图图9-3-6 上海八万人体育场上海八万人体育场48 第九章 膜结构9.3 支撑膜结构9.3.2 刚性支承膜结构图图9-3-6 上海八万人体育场上海八万人体育场49 第九章 膜结构9.3 支撑膜结构9.3.2 刚性支承膜结构图图9 -3 -7 上海八万人体育场屋盖结构和置示意图上海八万人体育场屋盖结构和置示意图上海八万人体育场：上海八万人体育场：盖结构采用大悬挑
26、钢管空间结构，由盖结构采用大悬挑钢管空间结构，由64榀悬挑主桁榀悬挑主桁架和架和24道环向次桁架组成一个马鞍形屋盖，以薄膜作为覆盖层。屋盖投道环向次桁架组成一个马鞍形屋盖，以薄膜作为覆盖层。屋盖投影面积长轴影面积长轴288.4短轴短轴274.4m，中间有敞开的椭圆形孔，中间有敞开的椭圆形孔215x150m。最大。最大悬挑长度为悬挑长度为73.5m，最短大悬挑长度为，最短大悬挑长度为21.6m。膜覆盖面积达。膜覆盖面积达3600m。50 第九章 膜结构9.3 支撑膜结构9.3.2 刚性支承膜结构利用交叉拉索和顶杆对薄膜施加预应力利用交叉拉索和顶杆对薄膜施加预应力交叉拉索顶杆51 第九章 膜结构9
27、.3 支撑膜结构9.3.2 刚性支承膜结构52 第九章 膜结构9.3 支撑膜结构9.3.2 刚性支承膜结构利用交叉拉索和顶杆对薄膜施加预应力利用交叉拉索和顶杆对薄膜施加预应力交叉拉索交叉拉索顶杆顶杆53 第九章 膜结构9.3 支撑膜结构9.3.2 刚性支承膜结构失效实例54 第九章 膜结构9.3 支撑膜结构岛颐中体育场岛颐中体育场 55 第九章 膜结构9.3 支撑膜结构大连五彩城风筝放飞场大连五彩城风筝放飞场56 第九章 膜结构9.3 支撑膜结构北京雕塑展览中心北京雕塑展览中心p 经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量p Study Constantly, And You Will Know Everything. The More You Know, The More Powerful You Will Be学习总结结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best, Failure Is Great, So DonT Give Up, Stick To The End演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
