摘要：膜结构是建筑结构中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。与传统的刚性结构有很大的不同，膜结构具有质轻、薄而柔软的特性，在建筑造型上能创造出新颖独特的形式。基于此，本文主要对膜结构建筑及其在现代体育场馆中的应用进行分析探讨。
关键词：膜结构建筑；现代体育场馆；应用
1、前言
随着社会的发展和进步，人们更加注重对美好生活的追求，索膜结构与当代新技术和新工艺相结合步入了历史的舞台，以其优越的实用性和美观性为越来越多的人所接受和喜爱，在现代体育建筑中得以广泛的应用和发展，为当代体育建筑注入了新的活力，它将是21世纪“绿色体育建筑体系”的宠儿，是现代体育建筑文化的又一次飞跃。
2、膜结构性能的先进性
过去人们习惯把膜结构视作帐篷，而帐篷只能算是一个临时性建筑，它不够牢固，不能防火，也不能保暖或隔热。如今对采用膜结构的帐篷却要刮目相看了，其中的关键是材料。膜结构是一种由高强薄膜材料及加强构件（钢结构或拉索）通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，可作为覆盖结构并能承受一定外荷载的空间结构形式。膜结构以良好的自洁性、隔热性以及高强耐久、造型新颖和自重轻等优点广泛应用于各类休闲小品、轻型大跨度无柱空间或轻型屋盖建筑结构。由于膜结构是一种张力结构，只有在一定的张力作用下，膜结构才有一定的形状和刚度，因而膜结构建筑体现了力的平衡美。采用轻质膜材，同时辅以柔性拉索、轻型钢桁架的结构形式，可以很好地达到大跨度、覆盖大空间的目的。其曲面可以随着建筑师的设计需要任意变化，结合整体环境，建筑出标志性的形象工程。
在阳光的照射下，由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光，无强反差的着光面与阴影的区分，室内的空间视觉环境开阔和谐。夜晚，建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空，建筑物的体形显现出梦幻般的效果。膜结构材料中PTFE膜材料应用较为广泛，PTFE膜材料的织物基材为玻璃纤维，纤维的直径范围应在3.30～4.05μm 范围内，重量应大于150g/m。
PTFE膜的特征：
（1）PTFE膜材的最大特点是强度高，中等强度的PTFE 膜厚度仅0.8mm，但它的拉伸强度已达到钢材的水平；而且弹性模量较低，有利于膜材形成复杂的曲面造型；
（2）使用温度范围广，能够在-70℃～230℃的温度范围内使用；
（3）具有独特的光学性能，白天入射光线成为自然温射光，防止眩目，无阴影，光线均匀分布；几乎没有紫外线透过，防止了内部装饰材料和设备的褪色；夜间高反射性能使得房间具有卓越的照明效果，减少电能消耗，而且可衬托出夜 空中建筑物的辉煌；
（4）自洁性好，雨水可冲刷掉表面的附着物；
（5）具有高透光率，透光率为13%，对热能反射率73%，热吸收量很少；
（6）使用寿命在25年以上。
综上所述，膜结构的突出特点之一就是它形状的多样性，曲面存在着无限的可能性。采用一般结构的建筑物，其形状往往是先由建筑师确定。膜结构则不同，首先它的变形比一般结构要大一些，其次它的形状是在施工过程中逐步形成的，有一个形状确定的问题，需要结构工程师的参与。对于气承式空气膜结构来说，充气之后的曲面主要是圆球面或圆柱面，可能没有太多的选择余地。而对于以索或骨架支承的膜结构，其曲面就可以随着建筑师的想象力而任意变化。也就是说，膜结构设计打破了传统的“先建筑、后结构”做法，要求建筑设计与结构设计紧密结合。要确定在初始荷载下结构的初始形状，即结构体系在膜自重（有时还有索）与预应力作用下的平衡位置。在初步设计阶段，先按建筑要求设定大致的几何外形，然后对膜面施加预应力使之承受张力，其形状也相应改变，经过不断调整预应力，最后就可得到理想的几何外形和应力分布形态。因此，在设计过程中，建筑师和结构工程师要一同确定建筑物的形状，并进行必要的计算分析。这时，所设计建筑物的平面形状、立面要求、支点设置、材料类型和预应力大小都将成为互相制约的因素，一个完美的设计也就是上述矛盾统一的结果。
3、膜结构在体育建筑中的应用
3.1充气式膜结构体育建筑
充气式膜结构是依靠膜曲面内外气压差来维持膜曲面的形状。这种索膜建筑历史较长，但因在使用功能上明显的局限性（如形象单一、空间要求气闭等），使其应用面较窄；但充气式索膜体系造价较低，施工速度快，在特定的条件下又有明显优势。
3.2骨架式膜结构体育建筑
骨架式索膜建筑常在某些特定的建筑中被采用，是由于其结构形式本身的局限性（骨架体系自平衡，膜体仅为辅助物，使膜体强度高的特点发挥不足等）；而骨架形式与张拉形式的结合运用，结构性能有一定的局限性，造价低于张拉式体系，例如：国家体育场。
国家体育场屋盖结构的平面投影为椭圆形，长轴333m，短轴290m，顶面为比较平坦的马鞍曲面。体育场屋面开口近似椭圆形，由两条椭圆线段和两条圆弧线段合成。体育场屋盖膜结构可分为屋面围护膜、声学吊顶膜。其中屋面围护膜结构采用单层ETFE膜材，由约1024个膜片单元组成，总面积约42000m2，布置在较平坦的屋面（屋面围护膜）及屋盖立面转角（屋面转角围护膜）的局部区域，最大膜片单元面积约250m2，最小膜片单元面积约5m2。声学吊顶由下部声学吊顶膜、看台声学吊顶膜、内环声学吊顶膜三部分组成，由约1044个膜片单元组成，总面积约53000m2，采用单层PTFE膜材，悬挂在主桁架下弦与屋面次结构之下（下部声学吊顶膜），并从上层看台的后部向下延伸（看台声学吊顶膜），屋盖开口的内环桁架立面采用能防水的PTFE膜（内环声学吊顶膜）。国家体育场跨度之大是其他结构形式无法达到的，并且结构内部没有一根立柱，看台是一个没有任何遮挡的碗状造型，使观众观看比赛无盲区。膜结构的应用，体育场内的光线不是直射进来的，而是通过漫反射，使光线更柔和，同时不出现阴影，既节能又环保。
3.3张拉式膜结构体育建筑
张拉式索膜建筑可谓索膜建筑的精华和代表。张拉索膜结构中膜曲面通过预应力维持自身形状，膜既是建筑物的围护体又作为结构来抵抗外部荷载效应。由于其建筑形象的可塑性和结构形式的高度灵活性和适应性，该结构形式的应用极其广泛。
浙江义乌体育会展中心体育场看台膜结构篷盖工程，位于浙江省义乌市体育会展中心内，膜覆盖面积约17000m2。义乌市体育场膜结构篷盖由两片沿主看台对称布置的梭状索膜结构体系组成，它们是由钢桁架（脊）、谷索、边索、上拉索及灯光塔架共同组成的空间张拉膜结构体系。每片膜篷盖由大小不等的13个
波浪式膜单元组成，形成自然曲面单元；钢桁架与谷索一端和看台钢筋混凝土框外环柱连接，另一端与主内边索相连，主内边索再由上拉索与两边的灯光塔架连接。浙江义乌体育会展中心体育场看台膜结构如图1所示。
图1
4、结语
体育建筑作为一个城市、一个地区乃至一个国家标志性建筑，除了要满足功能上的要求，还要具有独特的造型和风格。膜结构的造型优美、跨度大、节能环保等特点既满足了体育建筑功能上的要求，又能满足造型灵活、风格独特的审美要求，能充分体现建筑师的创意，这是其他结构形式所不能达到的。
参考文献：
[1]王树京.建筑技术概论.北京：中国建筑工业出版社，2008.
[2]张雪峰.膜结构投标报价系统[D].西安：西安建筑科技大学，2007：6.
论文作者:邱梦黎
论文发表刊物:《防护工程》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/30
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