膜结构在国外的最早设想和专利是1917年英国Willian Lanchester应用于野战医院的充气帐篷,但直到1946年美国Walter Bird才首次建造了直径15m的充气穹顶。1967年德国F. Otto设计的蒙特利尔展览会西德馆索膜支承膜片结构开启了现代膜结构技术的应用和发展,在此之后,膜结构开始在西方发达国家开始得到较为广泛的应用。

　　 膜结构在我国的应用始于1996年前后。在此之前,只有极少量采用织物材料的由熟练工人或裁剪师傅制作和安装的小品膜结构建筑。1996年,上海陆家嘴中央绿地公园建成了一个膜结构小品(图1,图名括号中为建造时间,余同),这一小品出现在很多宣传浦东开放的印刷宣传品上,自此膜结构这一采用特殊织物材料的建筑类型才引起公众和建筑结构专业人士的关注^[1,2]。

　　 1996年起,膜结构在我国逐渐开始应用于大型体育场馆建筑,1996～1999年间建成的较有影响的大型膜结构建筑有上海八万人体育场(图2)、青岛颐中体育场(图3)、杭州游泳馆(图4)等^[3,4]。

　　 2000年后,膜结构在我国各类体育、展览、文化等建筑中开始得到非常迅速的发展和应用^[6],这一发展势头一直持续至今。目前,几乎所有的建筑师和工程师对膜材料的类型、性能和膜结构的特点都有了较深入的了解。过去二十年中,发展出了数百家膜结构专业制作和安装企业;近十年来,膜结构材料生产企业也异军突起、成长迅速;地方和团体膜结构技术标准也已陆续颁布实施;国内自主研发的膜结构设计专业软件也日渐成熟,获得了广泛应用^[7]。

　　 膜结构在我国已较广泛地应用于不同建筑领域中,包括小品建筑、商业和办公建筑、文化和展览建筑、机场和车站建筑、体育场馆等^[8]。以下给出不同领域一些典型膜结构工程应用的介绍。

　　 小品膜结构和功能性膜结构建筑几乎遍布大江南北,街头或公园雕塑、遮雨棚、露天车库棚、门廊、收费站、加油站等膜结构随处可见,图5为一些这类建筑的图片。

　　 本文以北京首都国际机场T3航站楼收费站的膜结构建筑^[9]为例作一些简单介绍(图6)。该膜结构建设期为2007～2008年,建筑面积3 500m²,采用ETFE 和PTFE膜材交错布置,展开面积3 385m²。支承结构体系类似于悬索桥,两端由两个梭形桅杆作为桥塔,跨度166m。前后为边环索,每根桅杆顶部交叉下拉7根吊索与前后边索相连,膜顶中间设置谷索,谷索与边环索之间由联系索联结,每根桅杆顶部有两根下拉索与外侧的锚座节点相连保持平衡。设计单位为北京纽曼帝莱蒙膜建筑技术有限公司(简称纽曼帝)和北京建筑设计研究院有限公司,由纽曼帝制作安装。

　　 膜材料在我国商业和办公建筑中的应用始于1999年。表1列出了展开面积超过1 000m²的若干典型商业和办公用膜结构。

　　 图7为2012年建成的天津金地紫乐商业广场屋盖。膜结构支承结构为单层网壳体结构,网壳纵横向均由工字形钢焊接而成,网壳平面呈不规则多边长方形,长向约110m,短向约60m,整个网壳由5根Y形支撑钢柱与7根钢柱支撑于二层或三层屋面上。网壳上面沿短向用ϕ60钢管或12mm厚钢板焊成支撑膜或连接膜用的二次钢结构,膜面直接覆盖在二次钢结构杆件上,以网壳结构体作为膜结构支承体系,膜通过二次钢结构连接于主体钢结构上,为典型网架骨架式索膜结构体系。整个膜面有7个结构单元,各个单元单独受力、自成体系。设计单位为北京墨臣工程咨询有限公司,施工单位为北京中天久业膜建筑技术有限公司。

　　 文化和展览建筑是膜结构的一个重要应用领域。表2列出了若干较大面积的这类膜结构应用实例。

　　 图8所示为2001～2002年建设完成的位于郑州市中心城区的郑州杂技馆,是国内第一个膜结构建筑形式的杂技馆。其主体建筑面积3 525m²,膜体投影面积3 125m²,主体用钢量120t。平面呈近似圆形,圆半径为33m,建筑总高为31.5m,檐口高度为7.2m,膜体总高为24.3m,在膜顶90m²范围内,造型出五峰突兀。其主峰在左侧圆心上,标高为31.5m,四边峰向外倾斜,散布在以右侧圆心为中心的半径为10m的圆周上,标高为24.5m。膜结构为全覆盖全封闭形式,设有组织排水、隐蔽排水构造。膜体支承体系为全格构式相贯线焊接柱、梁组成,共有11根柱,11根纵向梁,在11根纵向梁上部增设膜脊梁顶升构造(当膜体后期松弛时,可满足二次张拉),由2圈环梁、1个顶部平台、膜体张拉系统组成,同时配置相应的工作通道、吊挂系统。本工程采用PVC膜材,膜屋面展开面积3 660m²,全部在工厂加工成一个整膜体,到现场整体吊装。设计单位为北方水电大学设计院和同济大学,制作单位为上海汉杰伊膜结构有限公司。

　　 图9为2001～2003年建设完成的南宁国际会议会展中心,建筑面积11万m²。膜结构支承体系为净高48m的钢结构穹顶,上部外径约为21m,内径约为13m;下部外径约为72m,内径约为54m。采用PTFE膜材,外膜展开面积约9 650m²,内膜展开面积约3 900m²。该项目是中国自行建造的第一个PTFE膜项目。设计单位为德国GMP公司和广西省建筑设计研究院,膜结构制作单位为北京纽曼帝莱蒙膜建筑技术有限公司。

　　 机场和车站中也有一些膜结构建筑的应用。表3列出了大部分这类膜结构工程实例。

　　 图10所示为北京西二旗城铁站膜结构工程。膜结构建造起止时间为2010～2012年,建筑面积22 000m²,PTFE膜材展开面积为15 043 m²。主体膜结构部分南北长约120m,划分为36个脊谷式膜结构单元;东西方向宽约54.5m,屋盖顶面、东立面及西立面均由钢索(脊索、谷索或外拉索)和刚性构件(脊梁或下拉杆)围成一系列的手风琴式褶皱,局部采用双层膜材。设计单位为中国建筑设计研究院有限公司,膜结构专业单位为北京纽曼帝莱蒙膜建筑技术有限公司。

　　 膜结构在国内应用最为广泛的领域是体育场。国内第一个建成的体育场结构是1996年的上海八万人体育场(图2),由境外企业制作安装。其后,膜结构在体育场建筑中得到了非常广泛的应用。表4给出了国内建成的大部分膜结构体育场工程。以下介绍一些不同时期建成的典型体育场膜结构。

　　 图11所示的青岛颐中体育场^[4]建造起止时间为1998～2000年,建筑面积62 630m²,PVC膜材展开面积42 000 m²。结构支承体系由中心环索及60个锥状膜体组成脊谷式张拉整体式膜结构。平面呈椭圆形,长轴266m,短轴180m;钢结构外环顶点标高42.5m,内环索标高约36.5m,蓬盖悬挑沿周边均约40m左右。该项目是我国第一个自行设计施工的大型膜结构体育场。设计单位为北京市建筑设计研究院有限公司和北京纽曼帝莱蒙膜建筑技术有限公司,膜结构专业单位为北京纽曼帝莱蒙膜建筑技术有限公司。2013年,体育场屋面PVC整体进行了更换。

　　 图12所示的国家体育场(鸟巢)膜结构^[11,12]建造起止时间为2006～2008年。建筑面积25.8万m²。屋盖结构的平面投影为椭圆形,长轴333m,短轴290m。体育场屋面膜结构可分为屋面围护膜,声学吊顶膜。其中屋面围护膜结构采用单层ETFE膜材,约42 000 m²,声学吊顶膜采用单层PTFE膜材,约53 000 m²。设计单位为中国建筑设计研究院有限公司和北京凯帝克建筑设计有限公司,膜结构专业单位为北京纽曼帝莱蒙膜建筑技术有限公司和柯沃泰膜结构上海有限公司。

　　 盘锦体育场(图13)建造起止时间为2012～2013年,建筑面积60 570m²,PTFE膜材展开面积26 000m²。体育场采用椭圆形马鞍面布置,由X形内外柱、三角形环桁架组成的钢结构提供外围支撑,由内环索、148根交叉形径向吊索、72根径向脊索、72根径向谷索、膜边索和PTFE膜材构成整体张拉式索膜结构屋面;篷盖出挑距离东西看台最大42m、南北看台最大30m。环索为倾斜的马鞍形。设计单位为沈阳天作设计院和中国航空规划设计研究总院有限公司,膜结构专业单位为北京纽曼帝莱蒙膜建筑技术有限公司。建筑实景见图13。

　　 表5列出了国内建成的若干体育馆膜结构工程实例,并详细介绍部分不同时期的膜结构体育馆工程实例。建筑实景见图14至图16。

　　 上海闸北网球馆膜结构(图14)建造起止时间为2002～2003年,建筑面积2 000 m²,PVC膜材展开面积2 750 m²。闸北网球馆由网球场索膜结构和附属的框架组成,网球场平面尺寸38m×38m,附属框架长38m、宽7m(双层),网球馆支承结构为空间钢管桁架,屋面和两侧墙部分采用膜作为围护材料,其余部分为金属墙面。膜结构专业单位为上海汉杰伊膜结构有限公司。

　　 佛山世纪莲体育中心游泳馆^[13](图15)的膜结构建造起止时间为2005～2006年,建筑面积31 520m²,PVC膜材展开面积45 000 m²。游泳馆屋面投影面积约15 000m²,呈类筒壳形,长210m,宽88.8m,钢拱矢高13.08m。钢拱交叉布置。应建筑效果要求,钢拱外露,拱之间覆盖PVC膜片,膜面由谷索下压形成凹凸有致的折板形状。 由于佛山地处华南,夏季气温很高,为减小能耗采用了双层PVC膜,两层膜之间气囊厚度400～600mm。为满足室内游泳比赛的音响效果,在双层PVC下还设置了一层PTFE吸音膜,故整个膜屋面一共有3层膜。设计单位为德国GMP公司、华南理工大学建筑设计研究院,膜结构专业单位为上海太阳膜结构有限公司。

　　 图16的膜结构建造起止时间为2010～2012年,建筑面积37 000 m²,PTFE+PVC膜材展开面积8 150 m²。屋面支承结构体系为索穹顶,平面投影为圆形,直径71.2m,采用Geiger型索穹顶。外环为钢结构周边钢桁架,放射状的脊索从中心钢环拉向周边桁架的高点,将穹顶划分为20个单元。在每两道脊索中间设置一道谷索,谷索靠近环梁处增设两道分叉索。从而将膜单元分隔成两个区域:由脊索、谷索、分叉索、内环组成的梯形区域,采用PTFE外膜;由分叉索,后谷索、环梁组成外三角区域,采用ETFE膜材。设计单位为中国航空规划设计研究总院有限公司,膜结构专业单位为北京纽曼帝莱蒙膜建筑技术有限公司。

　　 南通体育场是国内首个采用移动屋面的多功能膜结构建筑。自此之后,多功能移动屋面膜结构建筑逐渐得到了较多的应用。表6列出了已经建成的若干这类膜建筑,并详细介绍两个典型的移动屋面膜结构建筑。建筑实景见图17,18。

　　 上海旗忠森林体育城网球中心(简称旗忠网球中心)^[14](图17)的膜结构建造时间为2005年。屋盖投影面积约1.6万m²。网球场屋顶钢结构由两部分组成:下部是外径144m、内径96m、24m宽、7m高的W形大直径钢管焊接而成的桁架结构形式的环梁,环梁总共有3道,每道环梁使用的主管直径为ϕ914,重约2 000t;上部由8片花瓣状的屋盖组成,单片钢屋盖径长71m,宽46m,最高处7m,向圆心悬挑61.5m,每片为呈网状形的空间桁架结构,重约200t,8片屋盖可由驱动装置同时开启和关闭,开启一次大约需要7min 30s。屋盖外屋面为金属屋面,内部部分采用内膜覆盖。内外膜膜材均为PEFE材料。根据钢管所划分成的网状结构,内膜每个花瓣划分为69块,形状面积均不同。整个屋盖共计552块膜。设计单位为上海建筑设计研究院有限公司,膜结构专业单位为上海太阳膜结构有限公司。

　　 绍兴县体育中心体育场^[15] (图18)的膜结构建造起止时间为2011～2013年。建筑面积为77 640 m²,观众座位40 000席。体育场开合屋盖由两个单元块组成,开启面积12 350 m²,为国内目前开合面积最大的活动屋盖。钢结构主要包含固定屋盖、活动屋盖和膜结构钢骨架,体育场固定屋盖投影接近椭圆形,长轴方向长度为267m,短轴方向长度为206m,屋盖外边缘为四心圆。固定屋盖顶部标高为47.107 m,活动屋盖顶部标高为57.456 m。活动屋盖采用平面桁架结构,沿跨度方向共设置14道主桁架,桁架最大高度为6.2m,最小高度为1.5m。活动屋盖尾部弧形边悬挑长度为5m。除固定屋盖、活动屋盖采用PTFE膜材外,围绕墙面设置的外装饰菱形框架也采用了PTFE膜材包裹,PTFE膜材展开面积为10万m²。设计单位为北京市建筑设计研究院有限公司,膜结构专业单位为上海太阳膜结构有限公司。

　　 1985年上海建成了最早的一个充气膜结构,1995年北京建成两个充气膜结构。但这几个膜结构尺度较小,采用的膜材也不是具有较好耐久性能和力学性能的现代涂层复合膜材料,所以短期运行后,屋面膜材都被拆除或被其他材料替换了。表7列出了2007～2013年国内较早建成的一些充气和气承式膜结构工程实例。

　　 北京航空航天大学充气囊体活动式试验支持系统工程(简称北航实验室)(图19)是较具代表性的气承式膜结构,膜结构建造时间为2010年,位于河北省秦皇岛市昌黎渔岛,北临著名旅游景点“世界滑沙中心”,是专为发展中国航空事业而修建的超大型飞行试验基地。建筑面积3 300 m²,采用国产PVC膜材,膜材展开面积(包括气囊)为28 000 m²。结构体系由两大部分组成:试验用主球体和通道。二者结构体系相同,均为高压气囊和低压气承式组合充气膜结构,其中高压气囊为直径达1.5～3m的弧形圆柱曲面,内压高达到10kPa,为整个膜面提供骨架支撑作用;低压气承式充气膜为一单层膜面,内压仅为300Pa,起形成和维持膜面形态,二者相互作用共同受外部荷载作用。主球体是一高达45m的椭球膜曲面,室内净空间约为10m³,其平面投影为直径60m的圆;沿纵向设10道直径2.5m气囊,沿纬向设3道环向肋,纵向和环向气囊内部相通,形成密闭空间,为增强结构体系的稳定性,沿纵向设8道下压索和3道夹板链。设置通道的主要目的是便于试验车辆、大型仪器的出入通行,其平面尺寸38.784 m×38m,通道高32.5m,高压气囊含5道直径达2m的弧形气拱和3道直径1.5m的横向直气拱,横向直气拱也起到加劲和稳定的作用,相邻弧形气拱间距为9.696 m,通道部分设置4道下压索和2道夹板链条。低压气承膜与地面基础直接固定,基础形式采用条形基础,基础断面为倒T形,基础埋深1m,突出地面0.3m,总高度1.3m,基础底板宽1m。预埋件采用预制铝合金卡槽,精巧耐用,抗拉强度高,安装时只须将膜绳边埋入槽内,然后在槽内插入木楔块,操作简单实用。该工程附属设备含高压控制设备、低压控制设备、照明系统、智能管理系统、变配电系统。膜结构设计单位和专业制作单位为北京中天久业膜建筑技术有限公司。建筑实景见图19。

　　 近5年以来,充气膜结构已经成为各类膜结构中发展异常迅猛的一个分支,众多专业充气膜结构企业异军突起,如北京海伯尔、北京艾尔豪斯、北京法利、深圳博德维、深圳中德等等,其产能和产值迅速超越了许多传统膜结构企业,也一再打破传统的膜结构行业格局。由于近5年以来建成的用于各种用途的充气膜结构数量庞大,本文不再一一列举。

　　 国内主办的各类国际会展活动中,很多建筑物均采用了膜结构(表8)。其中,上海2010年世博会世博轴膜结构是难度和规模最大的膜结构工程。

　　 上海世博会世博轴膜结构的方案概念设计是德国SBA 事务所,其膜结构设计、检测验收严格遵循国家和地方膜结构标准。针对这一工程,同济大学进行了包括结构体系、材料、节点、连接件等系列的理论和试验研究,确保了工程的顺利建设和安全运行。这一项目的成功建成标志了中国膜结构技术达到了国际先进水平。

　　 上海世博会中,日本馆(图20)无疑是最有意义的膜结构,它采用轻钢框架支承的双层ETFE气枕^[17],高约24m,建筑面积约6 000 m²。在国际上首次在ETFE气枕中集成了非晶太阳能电池,其发电能力为20～30kW。ETFE薄膜上涂有TiO₂光催化涂层并附着柔性光伏太阳能薄膜。

　　 在1996～2005年的早期膜结构应用中,PVC膜材因为其相对低廉的价格和易于安装的特点占了绝对多数,唯一的例外是外方公司Birdair,Inc.设计和施工的上海八万人体育场。但是,早期PVC材料无论其自洁性能还是耐久性能均不尽人意,在应用10年左右后,大部分PVC膜结构均呈现较差的表现:膜面脏污、泛黄、破损等。相比较而言,上海八万人体育场膜面给人的感觉却是随使用期的延长约来越白、越来越整洁。所以,近十多年以来,业主和建筑师越来越青睐PTFE膜材,这一趋势在表1～8中可以很明显地观察到。

　　 近几年,国内企业已经成功研发和生产了PVC和PTFE膜材,随着国产材料的应用,进口膜材特别是PTFE膜材的价格也得到了有效的抑制。相信随着工程应用的增多和技术的积累和发展,我国国产膜材质量会很快赶上发达国家膜材。

　　 自北京2008奥运会游泳馆“水立方”采用ETFT气枕后,ETFT材料日益获得了建筑师的兴趣和关注。ETFE材料虽然非涂层织物类材料,但其具备与涂层织物膜材相类似的基本力学性能,其设计计算理论与方法与涂层织物类膜结构相同。近十多年来,ETFE气枕膜结构在我国有较多的应用,甚至在环境气温为-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应该是膜材料未来的发展方向之一。

　　 膜材最重要的特点是材质轻,这一特点决定了其最适宜采用轻型支承结构体系。但尽管如此,早期国内大型膜结构建筑中很多仍然采用了重型钢结构桁架体系。随着膜结构的普及应用,也客观上推动了我国索张拉结构体系的研究、发展和应用,这一点从表1中也可以明显地观察到。

　　 移动屋盖能够满足建筑物多功能的要求,可以使建筑物按需要成为体育场、体育馆或展览馆等。轻质覆盖材料对于移动屋盖建筑物的节能和提高驱动效率十分关键和重要,所以对移动屋盖而言,膜材无疑是其首选覆盖材料。从这一角度出发,也可以认为:正是因为膜材料的应用,促进了移动屋盖建筑在我国的应用和发展。显然,随着膜材料技术的进一步发展和推广应用,多功能移动屋盖类建筑在我国还有较大的发展和应用前景。

　　 膜材料的独特特点是其可以由空气来支承。近年来,集成了充气和气压控制系统的充气和气承膜结构在我国的应用和发展十分迅速,其建造和运维成本均比较低廉,我国每年都要建成十余座跨度或长度在200m左右的气承式膜结构,应用领域覆盖了教育、体育、环保、发电(堆煤)等众多领域,一些专业承担气承式膜结构设计制作安装的企业也迅速崛起。可以预期,气承式膜结构在我国的发展还有很大的空间和极好的前景。

　　 我国膜结构的研究始于20世纪90年代后期,过去20多年,膜结构的研究从无到有,研究队伍发展十分迅速,每年均有大量膜结构方面的论文面世。至今,我国已经颁布实施了一系列的国家团体和地方膜结构标准,很多高校、研究单位研发了成套的膜结构试验、检测和监测装置和设备,在我国广为使用的两套膜结构专业设计软件分别由上海交通大学和同济大学研发并维护。整体上,我国膜结构的研究已经赶上了国际先进水平。近年来,膜结构领域尚需深入研究的问题和热点主要有两个:膜材料(PVC、PTFE、ETFE等)的力学性能和模型(强度、弹性模量、时变、老化等);膜结构的风致振动机理和风荷载效应设计计算方法。前者主要依靠实验室的模型研究,后者主要依靠膜结构现场监测工作。目前,国内已有多个大型膜结构工程安装了健康监测系统。

　　 早期采用PVC的大型膜结构体育场近几年不同程度地出现了局部损坏等现象,如青岛颐中体育场、安徽芜湖体育场等;采用PTFE的上海世博会世博轴也因频繁变更用途、进行改造,膜面也出现了较多的局部破损;也有像虹口足球场遭遇局部火灾、上海八万人体育场因冰灾导致的膜面局部破坏事故等。在发展了二十多年后,膜结构的检测、修复和更换问题已经日益重要,需要引起膜结构领域的研究者和从业者更多的关注和重视。

　　 在过去二十多年里,建筑膜结构在我国的应用取得了爆发性增长,包含膜结构的材料、设计、制作、安装、检测监测等在内的全产业链也已发展形成。目前,我国已有数百家膜结构专业生产企业,每年会建成大量的膜结构建筑。膜结构的国产材料也从无到有,某些PVC和PTFE材料的技术水准已经接近国外材料,但这一领域相对而言仍然是我国膜结构行业的短板。与膜结构发展相伴的是我国索支承结构工程应用的迅速发展,索穹顶、轮辐式索桁架、单层索网结构已经得到了非常广泛的应用。多功能移动屋盖结构也伴随着膜结构的发展取得了较多应用。

　　 膜结构在台风下的损毁也时常发生,许多研究者均在进行膜结构的风致振动研究,包括CFD数值模拟方法、风洞试验、现场监测等的工作均在开展,这一领域的研究任重道远,要取得能够实用的确保膜结构台风下安全的设计方法尚需许多研究者的努力。