一． 膜材的类型

纵观设计过程（膜结构表面的几何分析，预张拉的方法，和膜结构尺寸的稳定性）的全貌，我们应该将我们的注意力集中在应用于膜结构的膜材自身。这里介绍三种基本的织物类型：涂刮织物，覆膜织物和加强覆膜织物。由于涂刮织物应用广泛，所以重点介绍这一类材料。

1．  涂刮织物： 这类材料布基的纤维丝通常是呈90度编织的。在膜材的长度方向上受力的称为“经向”，而在膜材的幅宽方向上受力的，且受张拉力较低的称为“纬向”。涂刮织物通常表现出各向异性（它们在经向和纬向上表现出不同的特性），虽然这些不同可以编织和涂刮的工艺予以减轻。

很多膜结构工程是采用PVC涂覆聚酯长丝或PTFE涂覆玻璃纤维的材料。PVC涂覆聚酯长丝比较PTFE涂覆玻璃纤维的材料容易操作，而且价格便宜，但是它的耐久性不够，而且需要不停地清洗，在荷载作用下变形较大。（见表一）

2．  覆膜织物： 不应该称之为“织物”了，因为它仅仅是由一片很薄的塑性或弹性的片材组成。它可以全透明或完全不透明，它非常柔软，而且通常是各向同性。但是它的机械性能很低，它的耐久性和抗撕裂性能比涂刮织物低很多。因为它非常柔软，又具有十分低廉的价格，所以它能应用在临时建筑上，象露天音乐会的遮蓬。

3．  加强覆膜织物： 在两层很薄的薄膜之间粘接或者热合上布基。层压工艺提供给这类织物相应的强度和耐久性。如果使用透明的编织丝，再覆上透明的薄膜就可以制成透明度极高的材料。它使用的时间比覆膜织物长的多。

 

二． 膜材的性能

通常设计者注意以下三种性能：

——短期使用结构的特点（由于是涂覆织物，就要考虑材料自身带来的影响）

——长期使用结构的特点（如何使上述性能在时间上和反复的荷载作用下得以保持）

——非结构的特点（例如：透光性、自洁性和抵抗降解的能力）

短期使用结构的特点的关键在于：

1．  拉伸强度： 拉伸强度，也就是抵抗荷载作用的能力，必须要足够高才可以。通常PVC涂覆聚酯长丝和PTFE涂覆玻璃纤维材料的拉伸强度都可以做到10吨力/米以上。

2．  拉伸模量： 模量越高，膜材就越容易被裁剪定型和进行预张拉。聚酯长丝的织物具有中等的模量，容易被使用，它的延伸率从结构边界点定位来说不是一个问题，除非大量的雪荷载作用其上。玻璃纤维的织物具有很高的模量，如果膜材与结构的尺寸不吻合，膜材的张拉（或安装）曲率发生变化将是非常危险的事情。

3．  撕裂强度： 对于张拉结构来说，它们在撕裂方面遭受的损坏比直接受到拉伸的损坏要严重的多，所以材料的撕裂强度和抗撕裂性能非常重要。PVC涂覆聚酯长丝织物具有中等的撕裂强度，PTFE涂覆玻璃纤维的材料具有较高的撕裂强度。加强覆膜织物的撕裂强度低于上述两种材料，覆膜织物的撕裂强度就较低了。

4．  方向性： 这里所说的方向性是指材料在所有方向上性能近似（各向同性），或者材料在不同的方向上性能不同（各向异性）。传统的涂覆织物是各向异性的，即它们经向的性能比纬向的要强。但是采用现代的编织和涂覆技术可以大大减少或者忽略各向异性。非编织的薄膜是各向同性的。

 

长期使用结构的特点的关键在于：

1、 结构的延展：所有涂刮织物在进行结构安装时都要将它们卷曲的分子链得到延展。织物纬向的延展程度要比经向大的多。这些数值我们一定要很好掌握，这是膜材裁剪进行预缩量的基础。通常，这些数据可以从材料制造商那里得到。

2、  尺寸的稳定：涂刮织物在长时间受荷载作用下的尺寸稳定（抗蠕变性、抵抗热变形、抵抗受潮变形），更多的是取决于基本的材料，而不是布基和涂层的种类，尽管布基和涂层对这种稳定性也有一定的影响。

因为逐渐丧失了预张拉力，这种变形主要体现在时间久受张拉作用的结构上。聚酯长丝织物在热变形和受潮变形方面相对比较稳定，但是在其使用的头十年里，就会因为蠕变而丧失50%的预张拉力，另外25%的预张拉力也会在后面的100年内丧失，剩下的25%预张拉力会在以后的一千年内丧失。所以，膜结构在使用一个时期后需要进行再次张拉。相反，玻璃纤维织物具有很高的尺寸稳定性。

 

非结构特点的关键在于：

1. 耐久性： 对于涂刮织物，其暴露在空气中的程度主要取决于涂层本身的性能：涂层越不透明就越能够提高/增加织物有更长的寿命。PVC涂覆聚酯长丝织物，如果涂层的透光率达到30%，那么它们的寿命只有三到五年；而如果涂层的透光率在15%，则寿命可以超过15年。对于PVC涂覆聚酯长丝织物的平均寿命在10到12年，如果使用环境非常不错，这种材料的寿命可以达到20年。PTFE涂覆玻璃纤维织物，其寿命可以持续30年。

2. 透光率： 对于涂刮织物，其透光率一部分取决于编织丝线的材质，另一部分取决于丝线的粗细，还有一部分取决于涂层的材质，这三部分不同的变化，可以制造出不同的产品。PVC涂覆聚酯长丝织物的透光率在8%到30%，PTFE涂覆玻璃纤维织物的透光率在5%到15%之间。覆膜织物的透光率取决于基本的材质和涂层。覆膜织物的使用范围从几乎透明到完全不透明。

 

表一：经常用于膜结构的两种膜材的特点

特点              膜材

              PVC涂覆聚酯长丝                              PTFE涂覆玻璃纤维

1．  短期使用结构的特点：

拉伸强度          中等                                    高

拉伸模量          中等                                    高

撕裂强度          中等                                    高

方向性            通常是经向的强度大于纬向，但也有双向具有相同性能的。            同“PVC涂覆聚酯长丝织物”

2．  长期使用结构的特点：

结构延展          中等                                    低

尺寸稳定性          中等                                    高

3．  非结构的特点：

耐久性            根据暴露的条件和涂层的透明度不同，通常寿命在10到12  年。比较透明的      大于等于25年

              涂层，其设计寿命是3到5年，不太透明的涂层的设计寿命超过15年。表面

是白色的材料可以降低表面的温度，从而提高材料的耐久性。

透光率            8%到30%                                  5%到15%

着色            可以着各种颜色。可以完全透明或者完全不透明。易遭受脏污的侵袭。物理降    只适用于白色和其它极少的颜色。不易遭受脏污的侵

解决定了其使用寿命。                            袭，表面保持清洁。没有褪色。

4．  安装的难易程度：

柔韧性      高，易于加工、运输和安装。                          低，不容易加工、运输和安装。要求准确裁剪和严格                                       安装。

粘合      容易做到                                  需要特殊的工艺技术

5．  归纳总结：

应用广泛的涂层织物，并且拥有众多的有经验的安装人员。物美价廉，且在    应用在那些膜结构上，就是更加注重结构的寿命和

10年之内能够保持其原有的色彩。                        免维护方面，而不是注重材料价格低廉和容易安装。

 

         张拉膜结构的概念设计

“只有正确表达结构逻辑的建筑才有强大的说服力与表现力”这句话揭示了张拉膜结构的精髓。对于张拉膜结构，任何附加的支撑和修饰都是多余的，其结构本身就是造型；换句话说，不符合结构的造型是不可能的，因为那样的薄膜不是飘动的就是缺乏稳定性的。张拉膜结构的美就在于其“力”与“形”的很好结合。

张拉膜结构的基本组成单元通常有：膜材、索与支承结构（桅杆、拱或其他刚性构件）。

膜材一种新兴的建筑材料，已被公认为是继砖、石、混凝土、钢和木材之后的“第六种建筑材料”。膜材本身不能受压也不能抗弯，所以要使膜结构正常工作就必须引入适当的预张力。此外，要提高/增加膜结构正常工作的另一个重要条件就是要形成互反曲面。传统结构为了减小结构的变形就必须增加结构的抗力；而膜结构是改变形状来分散荷载，从而获得很小内力增长的。当膜结构在平衡位置附近出现变形时，可产生两种回复力：一个是由几何变形引起的；另一个是由材料应变引起的。通常几何刚度要比弹性刚度大得多，所以要使每一个膜片具有合格的刚度，就应尽量形成负高斯曲面，即沿对角方向分别形成“高点”和“低点”。“高点”通常是由桅杆来提供的，也许是由于这个原因，有些文献上也把张拉膜结构叫做悬挂膜结构（suspension membrane）。

索作为膜材的弹性边界，将膜材划分为一系列膜片，从而减小了膜材的自由支承长度，使薄膜表面更易形成较大的曲率。有文献指出，膜材的自由支承长度不宜超过15米，且单片膜的覆盖面积不宜大于500平米。此外，索的另一个重要作用就是对桅杆等支承结构提供附加支撑，从而提高/增加不会因膜材的破损而造成支承结构的倒塌。

膜结构设计主要包括以下内容：

1，初始态分析：确保生成形状稳定、应力分布均匀的三维平衡曲面，并能够抵抗各种可能的荷载工况；这是一个反复的过程。

2，荷载态分析：张拉膜结构自身重量很轻，仅为钢结构的1／5，混凝土结构的1／40；因此膜结构对地震力有合格的适应性，而对风的作用较为敏感。此外还要考虑雪荷载和活荷载的作用。由于目前观测资料尚少，故对膜结构的设计通常采用安全系数法。

3，主要结构构件尺寸的确定，及对支承结构的有限元分析。当支承结构的设计方法与膜结构不同时，应注意不同设计方法间的系数转换。

4，连接设计：包括螺栓、焊缝和次要构件尺寸。

5，剪裁设计：这一过程应具备必要的试验数据，包括所选用膜材的杨氏模量和剪裁补偿值（应双轴拉伸试验确定）。

膜结构在方案阶段需要考虑的问题有：

1，预张力的大小及张拉方式；

2，根据控制荷载来确定膜片的大小和索的布置方式；

3，考虑膜面及其固定件的形状以避免积水（雪）；

4，关键节点的设计，以避免应力集中；

5，考虑膜材的运输和吊装；

6，耐久性与防火考虑。

在膜结构设计阶段所要考虑的要点有：

1，提高/增加膜面有足够的曲率；

2，细化支承结构，以充分表达透明的空间和轻巧的形状；

3，简化膜与支承结构间的连接节点，降低现场施工量。

膜结构研究的主要问题有：

1，找形（Form-finding）或更进一步叫“形态理论”；

2，考虑膜材松弛和各向异性下的结构响应；

3，结构在风荷载作用下的动力稳定性；

4，裁剪优化；

5，膜与索及支承结构间的相互作用。