结构工程师:膜结构性能大有改进

膜结构是一种新发展起来的建筑结构形式。它以性能优良的织物为材料，或对膜充气，膜面由空气压支撑，或用柔性钢索或刚性支撑结构拉紧膜面，形成具有一定刚度、覆盖跨度大空的结构体系。自20世纪70年代以来，膜结构逐渐应用于体育建筑、商场、会展中心、交通服务设施等大跨度建筑中。膜结构已成为结构设计和选型的主要方案。它已成为化纤纺织品应用的一个重要领域。近年来，中国建筑结构有了很大的发展。大阪世博会美国馆采用了
空气支承空空气膜结构。该展厅为准椭圆形，轴线尺寸为140米×83.5米，是世界上第一个大跨度膜结构，也是首次使用涂有聚氯乙烯(PVC)的玻璃纤维织物。作为真正的现代工程结构，大阪世博会展馆标志着膜结构时代的开始。此后，膜结构在世界范围内迅速发展。跨度方面，美国庞蒂亚克的“银穹”气承空气膜结构平面为234.9m×183m，采用了玻璃纤维织物包覆聚四氟乙烯(PTFE)。北美已经建了9个类似的大型体育馆。就面积而言，沙特吉大港机场候机室的悬挂膜结构占地42万平方米。索穹顶作为一种新型的膜结构形式，于1988年首次应用于首尔奥运会的体育馆和击剑馆，随后在一些体育建筑中得到推广。千禧穹顶以其独特的膜结构，展现了当今建筑技术和材料科学的发展水平。
发展中的中国膜结构
现代中国空结构的发展受到了西方国家先进技术的影响。近年来，膜结构的应用呈现出活跃的趋势。虽然项目的规模起初很小，但已经逐渐扩大到更大的面积和跨度。在某种程度上，采用的技术和材料不得不依赖外国，但预计更多的项目将由我们自己完成。
在过去的十年里，中国许多城市都在计划建造新的体育设施。由于重量轻，膜结构常被采用。体育可以说是膜结构在中国应用的一个突破。1997年以前，只修建了少量中小型膜结构。同年在上海举办的第七届全运会，主体育场看台罩棚采用膜结构，总面积36100m2。这是我国首次将膜屋面应用于大型永久性建筑，影响深远。当时聚四氟乙烯覆膜玻璃纤维膜材料和工程安装也是依靠外力。上海体育场顺利建成后，虽然其价格仍高于传统结构，但一些膜屋盖体育场已经出现。
钟毅体育馆位于山东省的海滨城市青岛。它是中国第一个由我们自己的力量设计和建造的大型膜结构体育场。其外包规模为266m×180m，可容纳6万名观众。悬臂40m的屋顶是典型的张力系统，包括膜、索和钢支撑结构。整个屋顶由70个锥形索膜结构单元组成，总面积30000m2。★结构工程师
放眼全中国，新的体育中心正在陆续规划中。膜结构已成为覆盖主体育场的首选，估计已有十余座体育场采用。大城市有上海(虹口足球场)、武汉、郑州、广州，中小城市有烟台、威海、芜湖。膜结构的另一个合适对象是室内体育馆，国内刚刚起步。华北地区秦皇岛体育馆是第一个双层膜结构的工程。其平面呈椭圆形，长轴和短轴分别为112米和98米。最新的例子是成都水上乐园。这座20000平方米的大型建筑被用作死海的漂浮运动。一系列拱形钢桁架跨度115米，覆盖着聚氯乙烯聚酯织物。
膜结构已被用于覆盖一些室内或室外演出设施。大部分是钢框架支撑的张拉膜结构。例子有:长沙世界之窗剧场(3500㎡)、深圳欢乐谷中心演艺厅(5800㎡)、广州海洋世界海豚馆(2840㎡)、天津泰丰风暴剧场(1000㎡)。世界之窗剧院建于1998年，是早期使用PVC覆膜的项目之一。
由于国内和国际交流的扩大，需要许多新的会议和展览建筑。1999年，中国国际高新技术成果交易会在深圳举行，两个面积达2400m2的展馆采用了薄膜屋面，显示了其轻质、透光的突出优势。博鳌，海南省的一个小镇，因一系列由来自世界各地的重要人物参加的高层会议而闻名。即主会场采用膜结构，因此工期非常紧迫，4000m2膜屋盖将在40天内完成。广西壮族自治区首府南宁建成了一个国际会议展览中心。一个覆盖着膜材料的钢穹顶坐落在多功能厅空上，成为整个建筑的焦点。钢结构的内侧和外侧覆盖有双层PTFE玻璃纤维织物。
膜结构还可以用于覆盖各种小型建筑，如加油站、收费站、服务中心、大门入口、遮阳设施等。虽然每个项目的面积只有几百平米，但是项目很多。如果把全国的项目加起来，膜的数量会很可观。
中国的膜材料十年没有突破
膜结构只有解决了材料问题才能广泛应用，所以关键问题是提供满足功能要求、耐久性好、经济的膜材料。膜结构的建筑面料主要有两种，分别是涂有聚四氟乙烯(PTFE)的玻璃纤维面料和涂有聚乙烯(PVC)的聚酯面料。聚四氟乙烯玻璃纤维织物具有强度高、半透明、防火、不燃、自洁性好等优点。虽然材料的保证寿命是25年，但根据实践经验，其预期使用寿命会更长。玻璃纤维膜材料的缺点是价格昂贵。PVC面料与玻璃纤维面料相比，强度等性能稍差，使用寿命更短，但价格非常便宜，约为1/5。为了改善其性能，可以在涂层中添加一层聚偏二氟乙烯(PVF)或聚偏二氟乙烯(PVDF)。这种表层可以保护织物免受紫外线的侵害，提高织物的自洁性。
目前国内很多厂家都能生产出带有PVC涂层的涤纶织物，但其性能还没有完全满足建筑用织物的要求，作为建筑用永久性材料还需要进一步提高。最近一些公司正在尝试生产带有PVDF表层的聚酯织物和PTFE玻璃纤维织物，其外观和性能都有了很大的提高。