关于膜结构幕墙相关问题研究

张磊

摘要：玻璃幕墙是现代建筑中具有较好综合效果的一种外围护结构形式，在国内外均有广泛应用。但在玻璃幕墙的使用中逐渐发现其存在一些问题，给建筑使用者和周围环境带来一定的负面影响。而膜结构幕墙的应用则可以有效弥补传统玻璃幕墙设计中存在的不足，所以得到了广泛的关注。文章重点就膜结构幕墙相关问题进行研究分析，旨在为业内人士提供一些建议。

关键字：玻璃幕墙；膜结构；建筑幕墙；分析

引言

传统的建筑玻璃幕墙在实际的应用中存在光污染问题，大面积玻璃幕墙的使用形成大片的玻璃镜面，镜面反射光线给周围居民和环境带来了相当的影响。另外，玻璃还存在安全问题，在没有外部直接作用的情况下，玻璃会产生一定概率的自爆现象，同时玻璃与支撑结构间的胶结材料发生老化也会造成玻璃脱落。玻璃材料的透明度高、导热系数大，其热工性能劣于普通围护结构，同时玻璃幕墙材料的耐火性能不够理想，一旦建筑发生火灾，火势蔓延快。

1膜结构幕墙的发展

20世纪60年代随着现代柔性建筑材料的发展，建筑师们从帐篷这一最古老的简单建筑结构出发，创造了膜结构。20世纪70年代以后，高强、防水、透光且表面光洁、易清洗、抗老化的建筑膜材料PTFE（聚四氟乙烯）一出现，索膜建筑结构就开始大量用于滨海旅游、博览会、文艺、体育、人文景观等公共建筑上。由于索膜结构具有易建、易拆、易搬迁、易更新、充分利用阳光和空气以及与自然环境融合等特长，所以成为21世纪绿色建筑体系的宠儿。近年来，我国建筑市场对索膜建筑技术的需求有大幅度增长的趋势，国外各大著名索膜技术专业公司纷纷登陆我国，更刺激了我国索膜建筑事业的发展。随着现代建筑业的发展和建筑技术的不断进步，人们对建筑物的要求早已超越了简单的遮风避雨功能，在追求设计风格和建筑效果的同时，更多地强调建筑的功能、物理性能以及节能和环保，而公共类建筑对大跨度空间的需求也越来越高，人们在不断地探索适应这种需求的建筑技术和新型材料，ETFE气枕应运而生。ETFE气枕技术起源于20世纪80年代的欧洲，初期是用于温室、花园、植物园等临时性的具有较高保温和能充分利用太阳能和紫外线要求的建筑，但随着人们对这种新型材料和技术的理解和接受，这项技术也广泛地用到了办公、商业、体育、博览等建筑上，到了21世纪初期，随着ETFE气枕技术的不断发展和提高，使用ETFE气枕的建筑越来越多了。

2膜结构幕墙结构要点

2.1骨架式膜结构幕墙

骨架式膜结构是由钢或其他材料构成刚性骨架，骨架具有自然稳定性和完整性，膜张拉并置于骨架上构成骨架式膜结构，形态有平面形、单曲面形和以鞍形为代表的双曲线形。骨架式膜结构的显著特点在于膜不是维持结构体系存在的必要结构单元，但膜又不仅仅是单纯的屋面覆盖系统，而是充分发挥了采光建筑功能及高强度受力特性。虽然预张力对骨架式膜结构的形态的影响不及张拉膜，但也必须引入足够大的张力，保证结构受力特性，避免在风荷载作用下膜面发生较大震动，导致松弛膜面凹陷。骨架一般暴露于膜内侧，而且膜的透光性更加突显骨架的室内视觉效果，因此骨架的布置、形式、材料和节点等是设计考虑的重点，要力求简洁美观。

骨架式膜结构幕墙是采用单层膜结构，靠膜材经过张拉面产生的内部应力来抵御外部荷载，膜材可以是ETFE膜，也可是PVC或PTFE膜。ETFE张拉膜一般不采用在其周边设置钢索并通过钢索使膜张紧的形式，而是把单层ETFE膜切割制成所需的形状，并在其周边设置边绳，用专用的铝合金夹具夹持住，通过在周边的夹具上施加拉力，使膜材充分张紧，靠膜材内部的预应力来抵御外部荷载。由于ETFE抗拉强度较低，不能施加过大的预紧力，抵御外部荷载的能力也就较差，因而一般不采用过大规格的膜单元，特殊情况下必须采用较大的规格时，膜结构单元一般采取中部加强的方式，用钢梁或钢索将其分割成若干个较小的单元。在相同荷载条件下，不采用其它的加强措施，ETFE膜材利用充气形式可做成较大面积的气枕，有的甚至达上百平米，而采用张拉形式，由于膜材的抗拉强度比PTFE膜材要低，因而施加的预应力不能过大，承受外部荷载的能力有限，其单块面积也会受到一定的限制。在国外ETFE张拉膜的工程应用很多，但规模都不大，而在我国的应用就是国家体育场——鸟巢，当时有的膜单元面积达到一百余平米，而建筑师又不希望在主钢结构中间划分出若干个小格子，影响外视效果，因而需要对膜结构加强，经过研究和反复的试验，创造性的在膜背面加设了钢梁和钢索，并采用特殊的技术将不锈钢索与ETFE膜材复合在一起，共同承受外部正负方向的风荷载和雪荷载，不锈钢索固定在与其垂直交叉的钢梁上，钢梁和钢索都隐藏在膜的后面，外观不可见，实现了预期的外视效果。

2.2张拉式膜结构幕墙

建筑中使用的膜结构主要为张拉式索膜结构系统，张拉索膜结构是通过张拉使膜的内部产生一定的预应力，以抵御外界的风荷载和其它荷载，同时使膜变形成为所需要的形状。张拉膜是依靠膜材自身的张拉力和特殊的几何形状而构成的稳定的承力体系。膜只能承受拉力而不能受压和弯曲，其曲面稳定性是依靠相互反向的曲率来保障，因此需制作成凹凸的空间曲面，故习惯上又称空间膜结构。张拉膜结构通常是沿着膜的边缘布设钢索，在钢索上施加拉力，钢索带动膜张紧、成型，并产生足够的预应力，因而称其是张拉式索膜结构。如果膜的面积过大，膜自身无法承受预期的荷载，则可在膜的中间增设加强钢索，以提高其抗风载能力。张拉式索膜结构可以根据需要制成任意复杂曲面形状，体现自然流畅之美，并有多种颜色的膜材可选，以适应周边的环境，满足建筑效果要求，而且膜结构重量轻，一般不需要太庞大的支撑结构，这是其它建筑材料无法比拟的优势。张拉式索膜结构通常采用织物纤维膜材，20世纪80年代和90年代初期我国都采用的是PVC膜材，由于膜材的使用寿命短，抗老化性和自洁性能较差等缺陷，20世纪90年代逐步被PTFE膜材所代替。张拉式索膜结构一般用在开敞式的建筑上，如体育场、火车站等，主要起遮风挡雨挡阳光，不具有保温性能，一般不用于有保温要求的封闭式建筑。

2.3充气膜结构幕墙

充气膜结构是在ETFE膜材料技术基础上产生的，是将两层或多层膜通过热熔焊接复合到一起，形成封闭的袋子——气枕，其周边夹持在铝合金或其它材料制成的边框内，边框固定于建筑的主体结构上，在气枕内，通过预留的阀口，充入经过过滤及除湿处理的清洁干燥的空气，就制成充气式膜结构系统，这种充气形式应用于建筑的外围护结构较为普遍。ETFE充气膜结构是靠膜材自身的强度和气枕的内压来共同承担外部荷载的，虽然ETFE膜材的抗拉强度有限，但气枕的内压是可以根据需要适当调整和平衡的，同时靠内压的调整平衡解决了安装时温度高低引起的松弛问题，气枕具有较强的承载能力，并在保温、隔声、防火、自洁、光性能、绿色环保等方面都凸显优势，因而被大量的用于现代建筑上，尤其是作为大跨度空间建筑的围护结构。

结束语

综上所述，膜结构幕墙是随着现代科学技术发展起来的全新建筑技术表现形式，是材料科学、建筑学、结构力学以及现代环境学高速发展的综合产物，对于促进建筑工程行业的发展有着重要的作用和意义。

参考文献

[1]李海英.钢结构建筑围护结构的材料和构造技术研究[D].清华大学，2005.

[2]张皓.泰达市民文化广场斜坡幕墙支承体系及钢结构的设计与研究[D].清华大学，2004.