我国内地膜结构的工程应用与发展前景
严 慧 夏 循
浙江大学 空间结构研究中心
摘要: 本文重点介绍了国内近年建成的一些具有代表性的膜结构工程实例.展现了自1997年通过引进国外技
术建
成上海八万人体育场膜结构挑蓬以来,国内膜结构发展的良好态势及其广阔的应用前景.
文中分析了国内膜结构应用与发展的有利条件,制约因素及所面临的机遇与挑战.并针对当前膜材供应与设计
软件现状,提出必须采取有效措施加大对新型膜材,先进计算软件,结构体系创新等的研究开发力度;尽快出台
《膜
结构技术规程》及相关技术标准;健全膜结构行业组织.加强对膜结构设计技术交流,培训,重视设备更新,加快
工艺改革,以期适应膜结构进一步发展的需要,推动膜结构的健康发展.
关键字:膜结构 ,计算技术,结构体系
The application and the development of membrane structures in china
Yan Hui Xia Xun
(spatial structure research center zhejiang university 310027)
Abstract: This article introduces some typical projects of membrane structures, which are constructed in
recent years. It
shows the rapid development and the broad utility of membrane structures in china since the building up of
Shanghai Eighty
Thousands People’ Stadium.
This article outlines the advantages, the limitations, the opportunities and the challenges that we have to
confront in the
development of membrane structures in china; proposes that much more research should be done in the
fields of developing
new membrane materials, designing advanced calculating software, creating new structure systems. it also
suggests that we
should issue the technical regulations for membrane structure industry and perfect the organism in this
field.
Key words: membrane structure calculating method structure system
1. 我国内地膜结构工程应用的新进展
随着世界工业的发展与计算技术的进步,膜结构也从临时建筑迈入性建筑行列,并成为当
代充满活力的一种新型大跨空间结构体系.在许多国家举办奥运会,世博会的场馆建设中,膜结构
以其绚丽的色彩和丰富的造型赢得了人们关注,认同.我国内地自上世纪70年代以来,一些科研,
设计单位与高等学校便开始对膜结构进行研究.一些关键设计技术如膜结构的找形分析,荷载分析,
裁剪分析等的研究也获得了一定进展,为我国膜结构的开发,应用建立了一定的技术储备.1995年
建成的北京房山游泳馆(跨度33m, 1100m2)与鞍山农委游泳馆(跨度30m,1000m2)是我国次
正式应用于工程的空气支承膜结构,标志着我国内地开始启动了膜结构的工程建设.自1997年通过
引进国外膜结构技术建成上海八万人体育场看台挑棚后,经过广大工程技术人员的努力,相继建成
了青岛颐中体育场挑棚膜结构,杭州游泳馆,网球馆双层膜结构等二百余项膜结构工程,年增长率
达20%[1].随着膜结构应用的日趋广泛,专业膜结构企业及相关配套产品的厂商也大量涌现,目前
实力强劲的日本太阳工业集团和德国的Skyspan公司等已加入到我国内地膜结构市场,台商膜结构
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企业也相当活跃,这些对于促进我国内地膜结构的发展都起到了积极作用.
在已建的众多膜结构工程中以半敞开的体育场看台挑棚较多,许多不同造型的膜结构已成为当
地具有特色的标志工程.其中规模较大的有上海八万人体育场,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,嘉峪关市体育场等的看台挑蓬膜结
构.表1列出了这些大型体育场挑蓬的外观,结构模型及其几何特点.
表1 大型体育场看台挑棚膜结构工程
在这些体育场看台挑棚膜结构工程中,根据各自造型特点分别选用了在悬挑钢桁架的基础上加
平面尺寸(m):288.4×274.4;覆盖面积(m2):2.89万;
膜材:PTFE;用钢量(kg/m2):3000t(总重);建成时
间:1997年.
1上海八万人体育馆 结构特点:由57个伞状膜结构单元覆盖在沿径向,环向
布置的立体桁架上,径向桁架悬挑72.5m.
平面尺寸(m):86+(2×90×180);覆盖面积(m2):3.0
万;膜材:法拉利1302T;用钢量(kg/m2):90;建成时
间:2000.8.
2青岛体育市场中颐 [2]
结构特点:60个立柱支承的60个膜单元分布在内环索
与外环钢桁架间,由柱径向向内悬挑37m,向外悬挑7m.
覆盖面积(m2):1.61万;膜材:法拉利1302T;
用钢量(kg/m2):62;建成时间:2001.10. 3,体
3义乌市体育场
结构特点:挑蓬呈梭形树叶状,两端设60m的钢桅杆,
顶端设3根锚索.中间10个脊谷索式膜单元支承于11
榀悬挑桁架,两端为三棱锥形膜单元,桁架悬挑
49m.
平面尺寸(m):236×205椭圆形;覆盖面积(m2):1.53
万;膜材:PVDF;用钢量(kg/m2):22;建成时间:2001.12.
4威海体育场中心
结构特点:由34个连成一体,形状渐变的单桅杆伞形膜
单元组成.每一单元则由单桅杆谷索,脊索,翼索,边
索及张力膜组成,膜单元悬挑长度17~30m.
平面尺寸(m):254×225;覆盖面积(m2):2.07万;
膜材:米乐FR-1000;用钢量(kg/m2):38;建成时间:
2000.12.
5芜湖市体育场
结构特点:在由46个V形支架支撑的二个柱面网壳下
吊40个大小不等的锥体膜单元.内环索呈空间曲线,悬
挑30.4~44.9m.
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设环向桁架,或设置与建筑方案协调的斜拉索,中间拱架等,或利用柔性索系与悬挑桁架的组合或
利用空间钢构架等作为支承骨架.而置于其间的膜单元常用立柱,索系,撑杆等作为支撑体系.青
岛市颐中体育场罩篷的膜单元是一种典型的膜单元布置形式:它由60个锥形膜单元组成的脊谷式张
拉膜结构,每个单元由一个立柱支撑,前端与主内环索相连,通过脊索和谷索张拉膜体;再由立柱,
上环梁,斜腹杆,下弦杆,下拉杆等组成的钢桁架体系传给下部钢筋混凝土看台,而上吊索和下拉
索则主要用来承受活荷载和风荷载 [5].
用于体育场看台挑篷的膜结构由于悬挑长度往往较大,屋面自重较轻,结构支承点较少,如何
有效增强结构整体刚度是这类结构设计时应予关注的问题.同时如何恰当利用索,膜预应力也是亟
为关键的问题.随着学校体育设施的完善,一些中大型看台挑棚膜结构往往是首先考虑采用的方案.
除应用于体育场外,在体育馆及各种博览会展场的建设中膜结构也有较多应用.如深圳欢乐谷
中心表演场(图1),其结构布置平面呈圆形,膜水平面投影为5800 m2.它由15个锥形膜单元组成,
每个锥形膜单元的顶点由一根钢柱支撑,从而形成脊谷式膜单元布置,通过预应力的脊索和谷索形
成支撑体系,传递风荷载和活(雪)荷载.又如长沙世界之窗剧场(图2),其建筑平面近似为扇形,
跨度86.58m,总长54m,膜覆盖面积为6100 m2.剧场整个膜结构由5个跨度不等,高度不等的
双伞状单元组成,膜后端与已有的建筑物山墙连接,膜单元由两根内排柱顶起,两顶点间布置脊索;
膜单元间相互连接,其上压以谷索,谷索两端与外排柱相连,再通过外拉索引向锚座.此外,一些
大型体育馆建筑,如杭州游泳馆,网球馆 [6],秦皇岛市体育馆,惠州市体育馆,浙江大学新校区风雨
操场,浙江省体育中心室内田径馆等均采用了具有独特风采的膜结构.
云南世界园艺博览园艺术广场观众席采用了动态膜结构顶蓬(图3).它的投影面积为2270m2,
由5个可开启的梯形单元体(长37.7m)组成.单元之间上下重叠0.5m,每一单元下设两个立柱及
机械装置,以液压千斤顶为其传动系统的动力源,单元体在液压千斤顶的作用下以两柱顶轴承连线
为轴转动开启.这是我国应用开合式膜结构的前兆,可以预期今后将会涌现出一些大型开合式膜结
构.对此,天津大学,浙江大学进行了专题研究并取得了一定的成绩,作好了相关的技术准备.
图1 深圳欢乐谷中心表演场及结构模型 图2 长沙世界之窗剧场及结构模型
图3 昆明世博园艺术广场动态膜结构