对膜结构这一新型建筑结构，分析其性能特点、历史沿革，探讨膜结构技术在我国建筑业的应用成果，就目前膜结构工程的问题提出解决方案，旨在挖掘膜结构的潜力，提高建筑设计水平。

国家体育场“鸟巢”和国家游泳中心“水立方”，作为膜结构建筑的经典之作，如同站在炫目舞台上的明星，惊艳动人，光芒四射，让大家对这种新型建筑叹为观止。2010年上海世博会集中，膜结构建筑也继2008年北京奥运会之后再次得到完美体现。

膜结构(Membrane)是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式，集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学、计算机技术等为一体，具有很高技术含量：有多种高强薄膜材料(PVC或Teflon)及加强构件（钢架、钢柱或钢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，作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。

膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。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，建造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，建筑物体形显现出梦幻般的效果。

膜结构所用膜材料由基布和涂层两部分组成，基布主要采用聚酯纤维和玻璃纤维材料；涂层材料主要为聚氯乙烯和聚四氟乙烯。

 

膜结构前进的脚步从未停息

膜结构建筑，从帐篷到永久性建筑——过去人们习惯地把膜结构看作是个帐篷，而帐篷只能算是一个临时性建筑——不够牢固、不能防火、又不能保暖或隔热。膜结构最早是19世纪40年代被美国军方用作了雷达罩，被大规模应用于建筑物上是在1970年日本大阪市世博会上。

大阪市世博会上，日本富士馆和美国馆采用了膜结构，它们是世界上最早的大型膜结构建筑。富士馆和美国馆都使用了充气膜结构，树脂玻璃纤维鼓胀起来后靠悬索稳定，富士馆“吹起”了16个拱门，美国馆则吹起了长142米、宽83米的椭圆形大屋顶。大阪世博会后，人们意识到膜结构是一种全新的建筑结构形式，这种日渐深刻的认识，使得膜结构得到了迅速的发展。

1975年在美国密执安州庞提亚克兴建了平面尺寸243.9×183米的银色穹顶，这是第一次将气承式膜结构应用于永久的大型体育馆。其后在北美地区，类似的膜结构就建了9座，其中像美国的明尼阿波利斯和加拿大的温哥华均位于北方地区。虽然像这样的膜充气结构也发生过几次不愉快的坍塌事故，但是膜结构终于登堂入室，进入永久性建筑的行列。日本在徘徊了10多年之后，也在1988年修建东京后乐园棒球场时采用了气承式膜结构。

在日后的发展过程中，膜结构表现出了不少特有的优势，如阻燃性能好、外形新颖美观、自重轻、跨度大、工期短。目前常用的膜材料都具良好的阻燃性能或不燃性；膜材色彩丰富，支撑结构和柔性膜材可以使建筑特别适合地震多发地区，也使得膜结构建筑可以实现大跨度覆盖空间；膜结构工程所有的加工和制作都可以按照设计在工厂内完成，在现场只是进行安装作业，施工周期短。膜结构优良的特性，使得它具有广泛的使用范围。

当然，膜结构也有其劣势，如耐久性差、御风性差、环保性差等问题。目前，一般膜材使用年限15-25年之间；膜结构受风的影响比较大，风对膜结构的作用一直是科研与工程技术人员的一个课题；环保问题也是膜材料必须面对的一个问题。

建筑膜材的发展，推动了膜结构的进步——膜结构材料长期以来一直被称为“涂层织物”，这是因为先期用于膜结构的主流材料都是在纤维织物上面添加图层而成。业内一般按照织物基材和涂层来划分膜结构材料，常见的有：PVC膜材、聚偏二氟乙烯(PVDF)膜材和PTFE膜材。PVC膜材，基材为聚酯纤维，涂层为 PVC。这种膜材的优点是色彩丰富，价格适中；缺点是强度不高，耐久性差，质量保质期一般在5-8年。PVDF膜材，基材为聚酯纤维，涂层为PVC，然后 再加PVDF涂层处理。它的使用年限提高至10-12年；性能优于纯PVC膜材，价格也略高于纯PVC膜材。

PTFE膜材是在超细玻璃纤维织物上涂以聚四氟乙烯树脂而成的材料。这种膜材有较好的焊接性能，有优良的抗紫外线、抗老化性能和阻燃性能。另外，其防污自洁性是所有建筑膜材中最好的，但柔韧性差，施工较困难，由于品质卓越，所以价格也较高。在盖格公司领导下，多家公司共同开发永久性膜材，使永久性的PTFE膜正式诞生。这种膜材的力学性能与化学稳定性指标只下降了20%~30%，颜色也几乎没变，膜的表层光滑，具有弹性，大气中的灰尘、化学物质微粒极难附着与渗透，经雨水冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层与透光性，这足以显示出 PTFE膜材的强大生命力和广阔的市场前景。与传统膜结构材料不同的ETFE膜材在20世纪90年代左右面世，它在膜结构中的应用，颠覆了建筑膜材“涂层 织物”的传统定义，拓宽了建筑膜材的范围。ETFE膜材是采用挤出流延方法加工成膜，采用这种挤出流延法制作的薄膜厚度、均匀性、表面平滑性都好于挤出吹塑薄膜。这种直接成型的ETFE膜材，透光性、阻燃性、自洁性、着色性都很好，使用寿命在10-12年左右，而且材质柔软，非常适合用于充气膜。2008年ETFE膜材应用于北京奥运会水立方外墙后，引起了人们的极大关注。

建筑膜材的创新与发展，推动了膜结构体系的发展；而膜结构的发展，同时也促进了新型膜材的研究与应用。可见，膜材发展和膜结构发展，是相辅相成、相互依存和促进的。

 

我国膜结构的现状

起步虽晚，成就卓越——我国的膜结构建筑起步较晚。1997年上海第八届全运会的主体育场——上海八万人体育场，采用了PTFE膜结构来完成看台罩棚。这个可同时容纳8万名观众的大型体育场馆，是我国第一次大面积地将膜结构使用在永久性建筑上。造价不菲的上海八万人体育场，建立了我国使用膜结构的信心，加深了我国对这一新型建筑形式的认知度和接受度，对我国膜结构建筑具有里程碑式的意义。自此以后，PTFE膜材在我国不少地方陆续开始应用，如青岛颐中体育场、义乌体育场、烟台市体育中心体育场、芜湖市体育场、威海市体育中心体育场、嘉峪关市体育场等膜结构工程，有些工程已经成为当地具有特色的标志建筑。ETFE膜材在我国的应用相对滞后很多，2008年奥运会的“水立方”建成。这是ETFE膜材在我国首次得到大面积应用。膜结构的应用逐渐呈现出了活跃态势。

在上海八万人体育场的标杆作用带动下，我国一些起步于20世纪90年代初的膜结构企业逐步发展起来。总体而言，我国膜结构企业在技术方面的追赶速度较快，其设计、施工技术水平已经比较成熟。但是，我国膜结构材料企业还处于起步阶段，而且也没能迅速跟进，目前国内膜材的水平仍然较低。目前，我国膜材的生产企业，在引进生产技术与生产设备，从国外进口生产基材所用的原丝、外层涂料的情况下，开始生产PVC、PTFE等膜材。但是，国产膜材的性能还不完善，而且占据的市场份额也很小，可以说国内膜结构建筑所用膜材基本上还依赖于进口。ETFE膜材现在只有德国、美国、日本等目的少数几个公司可生产，它在我国尚处于实验室阶段，只有北京市塑料研究所等少数研究单位进行过初步的薄膜试制。

家珍无数，各领风骚——国家游泳中心即“水立方”是北京奥运会标志性建筑之，也是北京市政府指定的唯一由港澳台侨胞捐资建设的奥运场馆。“水立方”是世界上最大的膜结构工程，其外墙和层面围护结构采用新型钢膜结构体系。该钢模结构体系由一系列类似于细胞、水晶体的钢网架单元和世界上最为先进的环保节能ETFE充气薄膜共同组成。它总共由3000多个气枕组成，气枕大小不一，形状各异，覆盖面积达到10万平方米。蓝色的表面出乎意料地柔软但又很充实。这种材料的寿命超过20年，目前世界上只有三家企业能够完成这种膜结构。考虑到场馆的节能标准，膜结构具有较强的隔热功能。

广州新火车站是广州市最大的交通枢纽，它也成为—个新地标式建筑群体。针对该项目的重要性，作为外围护工程的屋面，膜结构工程的选材显得尤为重要。为了使屋面膜结构的选材具有优越的功能性、施工便利性和结构先进性，屋面采用ETFE膜材，其透光率为所有膜材中最好的。根据位置和表面印刷的情况，ETFE膜的透光率可达95%。该材料不阻挡紫外线的透射，以保证建筑内部天然光。通过表面印刷，该材料的半透明度可进一步降低到50%，根据几何条件及膜的层数，其K值可高达2.0W/(m.K)，耗能指数以一个三层印刷的膜为例可达到0.77，气枕式充气结构能起到很好的隔热、保温、环保和降低耗能的功能。

世博轴顶棚采用的索膜结构，是到目前为止世界上最大的索膜结构。膜材为PTFE，具有不燃性、防紫外线、抗风化、高自洁性和高反射性等特点，使用寿命在20年以上，膜材达到使用时间后更换也很方便。世博会日本馆外墙的超轻膜结构采用了首次面世的“发电膜”技术，这两张ETFE薄膜构成枕气枕结构里嵌入了非晶体太阳能电池，从而使外墙能够自主产生能源。世界气象组织所建的世界气象馆外观采用亮白色膜结构，膜布上均匀布满喷雾点。外层膜结构和雾状喷泉设计可以起到降温、节能、环保的作用。中国航空馆，通过在空间不规则的网壳上覆盖聚氯乙烯(PVC)膜材来实现。完成于1998年5月14日的天津保税区区标膜结构工程，是中国膜结构业界的里程碑，它标志着中国膜结构划时代的开始。此外，还有大连五彩城风筝放飞场、北京雕塑展览中心、长沙世界之窗剧场、成都死海漂浮中心水上乐园等，它们如一颗颗明珠展示在中国膜结构建筑之林。

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