【前言】新中国成立七十年来，我国的建设事业取得了辉煌成就。结构设计作为建筑业的有力保障之一，为建筑业的发展做出了巨大的贡献。为了更好地回顾和总结结构设计相关的工程技术、实践经验、科研成果和标准制定，在中华人民共和国成立70周年之际，《建筑结构》杂志社特邀邀请国内知名专家探讨建筑装配与空间结构。 、超高层建筑结构、膜结构、结构设计创新与实践、耗能减震技术等，进行回顾与展望，供读者欣赏。
回顾我国近20年来膜结构的发展历史，列举了膜结构在不同类型建筑中的工程应用，如商业及办公建筑、文化及展览建筑、机场及车站建筑、体育场馆、等，并对类似建筑中的各种典型膜结构工程实例进行了介绍和讲解，最后从膜材料、支撑结构系统、多功能膜结构、气承充气膜结构等领域以及研究、检测监测、膜的修复和更换从这个角度对我国膜结构的进一步发展前景进行了分析和展望。
你了解膜结构吗？
国外最早的膜结构构想和专利是1917年英国人威廉·兰彻斯特在野战医院使用的充气帐篷，但直到1946年美国人沃尔特·伯德才建造了第一个直径15m的充气圆顶。 1967年，德国人F.Otto设计的蒙特利尔博览会西德馆索膜支撑膜结构开启了现代膜结构技术的应用和发展。此后，膜结构开始在西方发达国家广泛应用。
我国膜结构的应用始于1996年左右，在此之前，只有极少数由熟练工人或裁缝采用织物材料制作安装的小型膜结构。 1996年，上海陆家嘴中央绿地公园修建了膜结构草图（图1，标题括号内为施工时间）。这张草图出现在许多宣传浦东开放的印刷品上。从此，膜结构采用特殊的织物材料的建筑类型，引起了公众和建筑结构专业人士的关注。
图1 上海陆家嘴中央绿地膜结构示意图（1996年）
从1996年开始，膜结构逐渐开始在我国大型体育场馆中使用。 1996年至1999年间建成的较有影响的大型膜结构建筑有上海八万座体育场（图2）、青岛一中体育场（图3）、杭州游泳池（图4）等。
图2 上海八万人体育场（1996年）
图3 青岛颐中体育场（1998年）
图4 杭州游泳池（1999年）
2000年以后，膜结构开始在我国各类体育、展览、文化等建筑中得到非常迅速的发展和应用，并且这种发展势头一直延续至今。目前，几乎所有的建筑师和工程师都对膜材料的类型、性能和特点有了深入的了解。二十年来，发展了数百家专业从事膜结构生产、安装的企业；近十年来管桁架钢结构吊顶构造，膜结构材料生产企业也涌现并迅速成长；地方、团体膜结构技术标准也相继颁布实施；国内自主开发的膜结构设计专业软件也日趋成熟并得到广泛应用。
我国膜结构建筑的工程应用
草图和功能膜结构
小型膜结构和功能性膜结构在全国几乎随处可见。街道或公园雕塑、避雨亭、露天车库棚、门廊、收费站、加油站等膜结构随处可见。图 5 显示了此类建筑物的一些图片。
图5 膜结构建筑示意图及功能
北京首都国际机场T3航站楼收费站膜结构建筑（图6）建于2007年至2008年，建筑面积3500平方米。它采用ETFE和PTFE膜材料交错排列，展开面积达3385m2。支撑结构体系类似悬索桥，两端有两根梭形桅杆作为桥塔，跨度为166m。前后各有侧箍。每个桅杆顶部交叉拉下七根吊索，与前后侧绳相连。膜屋顶中部设置谷绳。谷绳与侧箍通过连接缆连接。每根桅杆顶部有两个下拉式吊索。缆索连接到外部锚节点以保持平衡。
图6 北京首都机场T3航站楼收费亭膜结构
商业、办公用膜结构建筑
我国膜材料在商业和办公建筑中的应用始于1999年。表1列出了几种典型的扩展面积超过1000m2的商业和办公膜结构。
表1 部分典型商业、办公膜结构建筑
注：表中T为拉伸结构； F为刚性支撑结构； H是杂化结构。
图7为2012年建成的天津金地紫乐商业广场屋顶，膜结构支撑结构为单层网壳结构。格壳由工字钢纵、横向焊接而成。格壳平面为不规则多边形长方形，长方向约110m，短方向约60m。整个格子壳由5根金属丝组成。二、三层屋顶支撑Y型支撑钢柱，7根钢柱。网壳顶部短边焊接φ60钢管或12mm厚钢板，形成支撑膜或连接膜的二次钢结构。膜面直接覆盖在二级钢结构杆件上，采用网壳结构作为膜结构支撑系统。膜材通过次要钢结构与主体钢结构连接，是典型的网架骨架索膜结构体系。整个膜面有7个结构单元，每个单元独立受力，形成自己的系统。
图7 天津金地紫乐商业广场屋顶膜结构
文化展览膜结构建筑
文化展览建筑是膜结构的重要应用领域。表2列出了此类膜结构较大面积的应用实例。
表2 几种较大面积的文化展览膜结构建筑
图8为位于郑州市中心的郑州杂技厅，于2001年至2002年间竣工，是国内第一座膜结构建筑形式的杂技厅。主体建筑面积3525m2，膜投影面积3125m2，主钢量120t。平面近似圆形，半径为33m。膜顶90平方米范围内，形成五个突兀的山峰。膜结构全覆盖、全封闭，有组织排水和隐蔽排水结构。膜体支撑系统由全格构结构相贯线焊接柱、梁组成，共有11根柱、11根纵梁。 11根纵梁上部增设膜脊提升结构（膜体后期松弛时，可满足二次张拉要求），由2圈环梁、顶部平台、膜张紧系统。它还配备了相应的工作通道和悬挂系统。该项目采用PVC膜材，膜屋面扩建面积3660m2。全部在工厂加工成单个膜体，现场整体吊装。
图8 郑州杂技厅膜结构
图9为2001年至2003年建成的南宁国际会展中心，建筑面积11万平方米。膜结构支撑系统为钢结构穹顶，净高48m。上部外径约21m，内径约13m。下部外径约72m，内径约54m。采用PTFE膜材料，外膜膨胀面积约9650m2，内膜膨胀面积约3900m2。该项目是我国自行建设的第一个PTFE膜项目。
图9 南宁国际会展中心膜结构
机场、车站膜结构建筑
膜结构建筑在机场、车站也有一些应用。表3列出了大部分膜结构工程实例。
表3膜结构建筑在机场、车站的部分应用实例
注：A为充气结构。
图10为北京西二旗城市火车站膜结构工程。膜结构施工自2010年至2012年开始施工，建筑面积22000平方米，PTFE膜扩建面积15043平方米。膜结构主体部分南北长约120m，分为36个岭谷膜结构单元；东西向宽约54.5m。屋顶、东、西立面均采用钢索（脊索、谷索或外索）。电缆）和刚性部件（刺或下杆）形成一系列手风琴状的折叠，部分由双层膜制成。
图10 北京西二旗地铁站膜结构
体育场
国内膜结构应用最广泛的领域是体育场馆。中国建造的第一座体育场馆是1996年可容纳8万人的上海体育场（图2），由海外公司生产和安装。此后，膜结构在体育场馆建设中得到广泛应用。表4列出了中国大部分膜结构体育场馆项目。下面介绍一些不同时期建造的典型体育场膜结构。
膜结构体育场馆工程应用实例 表4
青岛颐中体育场
图11所示的青岛一中体育场[4]建于1998年至2000年，建筑面积62630平方米，PVC膜扩建面积42000平方米。结构支撑系统由中心环索和60个锥形膜体组成，形成脊谷张拉整体膜结构。平面呈椭圆形，长轴266m，短轴180m。钢结构外环顶部标高42.5m，内环拉索标高约36.5m，雨棚悬挑沿周边约40m。该项目是我国第一个自行设计建造的大型膜结构体育场。 2013年，整个体育场屋顶更换为PVC。
图11 青岛颐中体育场膜结构示意图
国家体育场鸟巢膜结构
国家体育场鸟巢膜结构工程[11-12]如图12所示，施工工期为2006年至2008年，建筑面积25.8万平方米。屋顶结构平面投影为椭圆形，长轴333m，短轴290m。体育场馆屋顶膜结构可分为屋顶围护膜和隔音顶膜。其中，屋顶围护膜结构采用单层ETFE膜材料，约4.2万平方米，吸音吊顶膜采用单层PTFE膜材料，约5.3万平方米。
(一) 全景图
(b)内饰
图12 国家体育局（鸟巢）膜结构屋面
盘锦体育场
盘锦体育场（图13）于2012年至2013年建成，建筑面积60570平方米，PTFE膜扩张面积26000平方米。体育场采用椭圆形马鞍面布局，由钢结构、膜边拉索和聚四氟乙烯膜材料组成整体张拉拉索膜结构屋面；雨棚 雨棚距东西看台最大距离为42m，距南北看台最大距离为30m。环绳呈斜马鞍形。
图13 盘锦体育中心体育场
体育场
表5列出了我国建设的几个膜结构体育场馆工程实例，并详细介绍了不同时期膜结构体育场馆工程的一些实例。
表5膜结构体育馆工程部分实例
上海闸北网球馆
上海闸北网球馆膜结构（图14）建于2002年至2003年，建筑面积2000平方米，PVC膜扩建面积2750平方米。闸北网球馆由网球场索膜结构和附属框架组成。网球场平面尺寸为38m×38m，附框长38m，宽7m（双层）。网球馆的支撑结构为空间钢管桁架、屋顶和侧墙部分。外壳材料采用膜，其余部分为金属壁。
图14 上海闸北网球馆膜结构
佛山世纪莲体育中心游泳池
佛山世纪莲体育中心游泳馆膜结构工程[13]（图15）自2005年至2006年开工至2006年，建筑面积31520m2，PVC膜扩建面积45000m2。泳池顶板投影面积约15000m2，类似圆柱壳，长210m，宽88.8m，钢拱高13.08m。钢拱交叉排列。根据建筑要求，钢拱外露，拱之间的空间用PVC膜片覆盖。膜面被谷索压紧，形成凹凸折板形状。由于佛山地处华南地区，夏季气温很高。为了减少能源消耗，使用了双层PVC薄膜。两层薄膜之间的气囊厚度为400~600mm。为了满足室内游泳比赛的声学效果，在双层PVC下面还安装了一层PTFE吸音膜，因此整个膜屋顶共有3层膜。
图15 佛山世纪莲体育中心游泳池
鄂尔多斯伊金霍洛旗体育中心体育馆（图13）
膜结构施工自2010年至2012年开始施工，建筑面积37000平方米，PTFE+PVC膜扩建面积8150平方米。屋面支撑结构体系为平面投影为圆形的索穹顶，直径为71.2m，采用盖革式索穹顶。外环为钢结构，外围为钢桁架，放射状脊从中心钢环拉至外围桁架的高点，将穹顶分为20个单元。每两根脊索之间设置一根谷索，靠近环梁处增设两根分叉索。膜单元由此分为两个区域：由脊索、谷索、分叉索和内环组成的梯形区域，采用PTFE外膜；外三角区由分叉索、后谷索、环梁组成，采用ETFE膜材料。
图16 鄂尔多斯伊金霍洛旗体育中心体育馆索穹顶膜结构
多功能膜结构建筑
南通体育场是国内第一座采用活动屋顶的多功能膜结构建筑。此后，多功能活动屋顶膜结构建筑逐渐得到广泛应用。表6列出了几座已建成的此类膜建筑，并详细介绍了两种典型的移动屋顶膜结构建筑。
表6 多功能移动屋面膜结构施工实例
上海旗忠森林体育城网球中心膜结构工程
上海旗忠森林体育城网球中心（简称旗忠网球中心，图17）膜结构于2005年建成，预计屋顶面积约16000平方米。网球场顶钢结构由两部分组成：下部为W型大直径钢管焊接而成的桁架结构形式的环梁。环梁一共有三根。每根环梁采用主管直径为φ914，重量约2000t；上部由8个花瓣形屋顶组成。每个屋顶均为网状网架结构，重约200t。 8个顶盖可通过驱动装置同时打开和关闭。打开一次大约需要7分钟。 30多岁。屋顶的外层是金属屋顶，内部覆盖有内膜。内、外膜材料均为PEFE材料。根据钢管划分的网状结构，内膜的每个花瓣被分成69片形状和面积不同的片子。整个屋顶共有552块膜。
图17 旗忠网球中心
绍兴县体育中心体育场活动膜结构屋面
绍兴县体育中心体育场膜结构工程（图18）于2011年至2013年开工、竣工，建筑面积77640平方米。体育场的活动屋顶由两个单元体块组成，开口面积达12350平方米，是国内最大的活动屋顶。钢结构主要包括固定屋盖、活动屋盖和膜结构钢架。体育场固定屋顶投影接近椭圆形，长轴方向长度267m，短轴方向长度206m，屋顶外缘为四心圆。活动屋盖采用平面桁架结构，沿跨方向共有14个主桁架。除固定顶和活动顶采用聚四氟乙烯膜外，围墙周围设置的外部装饰菱形框架也采用聚四氟乙烯膜包裹。 PTFE膜的展开面积达10万平方米。
图18 绍兴体育中心体育场活动膜结构屋面
充气和空气支撑膜结构
最早的充气膜结构于1985年在上海建成，1995年在北京建成了两座充气膜结构。但这些膜结构规模较小，使用的膜材料也不是耐久性好的现代涂层复合膜材料。和机械性能。因此，经过短期运行，屋顶膜材料已被拆除或更换为其他材料。表7列出了2007年至2013年中国早期建造的充气和空气支撑膜结构项目的一些例子。
表7 国内较早建造的充气式、气承式膜结构实例
北航充气气囊可移动测试支撑系统项目（简称北航实验室）就是具有代表性的气撑膜结构（图19）。该膜结构建于2010年，位于河北省秦皇岛市昌黎峪。该岛北邻著名旅游胜地“世界滑沙中心”。是专门为中国航空工业发展而建设的超大型飞行试验基地。建筑面积3300平方米，采用国产PVC膜材，膜展开面积（含气囊）28000平方米。结构体系由主测试球体和通道两部分组成。两者的结构体系是相同的。它们都是高压气囊和低压气撑组合式充气膜结构。高压气囊为弧形圆柱面，直径1.5~3m，内部压力达到10kPa，为整个膜面提供骨架支撑；低压充气充气膜是单层膜，内部压力仅为300Pa，形成并保持膜面形状。两者相互作用并承受外部载荷。
图19 北航充气袋可移动测试支撑系统工程
会展中心膜结构
在我国举办的各类国际展览中，不少建筑采用了膜结构（表8）。其中，2010年上海世博会的膜结构是难度最大、规模最大的膜结构工程。
会展中心膜结构工程实例表8
上海世博会世博轴膜结构的概念设计由德国SBA公司进行。膜结构的设计、检测和验收严格执行国家和地方膜结构标准。针对该项目，同济大学进行了包括结构体系、材料、节点、连接件等一系列理论和实验研究管桁架钢结构吊顶构造，确保了项目的顺利施工和安全运行。该项目的顺利竣工，标志着我国膜结构技术已达到国际先进水平。
在上海世博会上，日本馆（图20）无疑是最引人注目的膜结构建筑。它采用双层ETFE气枕，由轻钢框架支撑。高约24m，建筑面积约6000m²。全球首次将非晶太阳能电池集成到ETFE气枕中，发电能力达到20~30千瓦。 ETFE薄膜涂有TiO2光催化涂层并附着在柔性光伏太阳能薄膜上。
图20 上海世博会日本馆
我国膜结构的发展前景及趋势
膜材料领域
在1996年至2005年膜结构的早期应用中，PVC膜材料因其价格相对较低、安装方便而占据了绝对多数。唯一的例外是由外国公司 Birdair, Inc. 设计和建造的上海 8 万人项目体育场。然而，早期的PVC材料在自洁性能和耐用性方面并不令人满意。大多数PVC膜结构在使用10年左右后，表现出性能较差：膜面脏污、发黄、破损等。相比之下，上海八万人体育场的膜面给人的感觉是，随着时间的推移，膜面变得更加洁白、干净。其使用期限。因此，近十几年来，业主和建筑师越来越青睐PTFE膜材。
近年来，国内企业已成功开发生产PVC、PTFE膜材料。随着国产材料的应用，进口膜材料特别是PTFE膜材料的价格得到有效抑制。相信随着工程应用的增多和技术的积累和发展，我国国产膜材料的质量很快就会赶上发达国家的膜材料。
自2008年北京奥运会游泳馆“水立方”采用ETFT气枕以来，ETFT材料越来越引起建筑师的兴趣和关注。 ETFE材料虽然不是涂层织物材料，但其基本力学性能与涂层织物膜材料相似，其设计计算理论和方法与涂层织物膜结构相同。近十年来，ETFE气枕膜结构在我国得到了广泛的应用，甚至在环境温度为-30℃的我国北方也有应用实例。
上海世博会日本馆采用的概念性新型太阳能膜材料应该是未来膜材料的发展方向之一。
支撑结构系统
膜材料最重要的特点是重量轻，这决定了其最适合轻质支撑结构系统。但尽管如此，国内早期的许多大型膜结构建筑仍然采用重型钢结构桁架系统。随着膜结构的推广应用，客观上也促进了我国索张拉结构体系的研究、开发和应用。从表1中也可以清楚地看出这一点。
移动屋顶多功能膜结构
活动屋顶可以满足建筑物的多功能要求，可以根据需要将建筑物变成体育场、体育馆或展览馆。轻质覆盖材料对于移动屋顶建筑节能、提高行驶效率至关重要。因此，膜材料无疑是移动屋顶覆盖材料的首选。从这个角度来说，也可以认为正是因为膜材料的应用，推动了我国移动屋面建筑的应用和发展。显然，随着膜材料技术的进一步发展和推广，多功能活动屋顶建筑在我国仍有很大的发展和应用前景。
空气轴承和充气膜结构
膜材料的一个独特之处在于它们可以由空气支撑。近年来，集成充气和气压控制系统的充气充气膜结构在我国的应用和发展非常迅速。它们的建设和运行维护成本相对较低。我国每年建造十多座跨度或长度在200m左右的建筑物。充气膜结构的应用领域涵盖教育、体育、环保、发电（煤炭堆放）等多个领域，一些专业从事充气膜结构设计、生产、安装的企业也迅速崛起。可以预见，我国充气膜结构的发展仍有很大的空间和良好的前景。
膜结构的研究、测试和监测、修复和更换
我国膜结构的研究始于20世纪90年代末。近20年来，膜结构的研究从无到有。研究团队发展非常迅速。每年都会发表大量关于膜结构的论文。迄今为止，我国已颁布实施了一系列国家团体和地方膜结构标准。许多高等院校和研究单位开发了成套膜结构试验、检测和监测装置和设备。专业设计了两套我国广泛使用的膜结构。该软件分别由上海交通大学和同济大学开发和维护。总体而言，我国膜结构研究已赶上国际先进水平。近年来，有两个主要问题和热点需要在膜结构领域进行深入研究：机械性能和模型（强度，弹性模量，时间变化，老化等）（PVC，PVC，PVC） ，ETFE等）；膜结构风引起的振动机制和风负荷效应设计计算方法。前者主要依靠实验室模型研究，而后者主要依赖于对膜结构的现场监测。目前，中国许多大规模的膜结构项目已经安装了健康监测系统。
近年来，在早期使用PVC的大规模膜结构体育场在不同程度上遭受了局部损害，例如Qingdao Yizhong Stadium，Anhui Wuhu Stadium等。使用PTFE的上海世界博览会轴也已用于频繁更改和修改，并且膜表面也有更多的局部损害。还发生了事故，例如洪库足球场的当地大火，以及由于冰灾害而对上海80,000体育场的膜表面的部分损害。经过20多年的发展，膜结构的检测，修复和替代变得越来越重要，需要在膜结构领域的研究人员和从业人员的更多关注和关注。
结论和思想
在过去的二十年中，我国建筑膜结构的应用实现了爆炸性的增长，以及一个完整的工业连锁店，包括膜结构材料，设计，生产，安装，检查和监测等。目前，我国有数百家膜结构专业制造商，每年都建造大量的膜结构建筑物。膜结构的家用材料也从头开始出现。某些PVC和PTFE材料的技术水平接近外来材料。但是，在我国膜结构行业中，该领域仍然是一个相对缺点。伴随膜结构的发展是我国有线支持结构工程应用程序的快速发展。电缆圆顶，发出的电缆桁架和单层电缆网格结构已被广泛使用。多功能的可移动屋顶结构也已广泛用于膜结构的发展。
膜结构的损害通常在台风下发生。许多研究人员正在研究膜结构振动的研究，包括CFD数值模拟方法，风洞测试，现场监测等。该领域的研究还有很长的路要走。它仍然需要许多研究人员的努力来获得一种实用的设计方法，以确保台风下的膜结构的安全性。
这篇文章发表在2019年的第19期“建筑结构”中，标题为“我国家的膜结构应用的评论和未来开发”，作者：张Qilin，单位：汤吉大学土木工程学院。请检查一下！
关于作者
Zhang Qilin
汤吉大学教授
简单的
之间
Zhang Qilin是Tongji大学的教授兼博士主管，土木工程学院的空间结构研究办公室主任，也是杂志“建筑结构”的编辑委员会成员。他曾是德国的洪堡学者，曾在德国布劳恩施韦格技术大学（Braunschweig Technology）工作，英国剑桥大学的官方访问学者，荷兰代尔夫特技术大学的高级研究员，以及一位高级访问学者日本东京大学生产技术研究所。他目前是国际桥梁与结构协会（IBSE）的钢铁和木材结构工作委员会成员；国际壳和空间结构协会执行委员会成员（IAS）；中国土木工程学会的桥梁和结构分支的主任和空间结构委员会的成员；和中国钢结构协会的成员。空间结构分支主任，膜结构专业委员会成员；中国建筑工程标准化协会轻钢结构委员会成员兼副秘书长；上海土木工程学会执行董事和计算机应用委员会主席；上海窗帘墙协会等专家小组等。主要研究区域是钢结构和建筑电缆结构。膜结构；铝合金结构；玻璃窗帘壁系统；钢结构住宅系统；结构稳定性和非线性数值分析；和土木工程计算机模拟。他主持了钢结构CAD软件3D3S的开发；编辑了国家标准“铝合金结构设计代码”以及第一个电缆结构设计代码和中国的第一个膜结构设计代码。他在国内和外国期刊和学术会议上发表了100多篇学术论文，其中包括7篇SCI索引文章和37篇EI索引文章；他赢得了第二和第三省和部长级的科学和技术进步奖。
