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膜结构 |
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张拉式膜结构，以膜材、钢索及支柱构成，利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安 定的形式。除了可实践具创意，创新且美观的造型外，也是能展现膜结 构精神的构造形式. 大型跨距空间也多采用以钢索与压缩材构成钢索网来支撑上部膜材的形式。因施工精度要求]高，结构性能强，且具丰 富的表现力，所以造价略骨架式膜结构。
膜结构采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计表达式进行计算。膜结构应根据建筑物的性质和等级、使用年限、使用功能、结构跨度、防火要求、地区自然条件及膜材的年限等要求进行膜材选用。膜结构的设计应根据荷载、支承条件、制作加工、施工工况及其它特殊条件进行。膜结构的设计内容包括形状设计、荷载分析、裁剪设计、配件设计、支承结构设计。
这个拟椭圆形、轴线尺寸为 140m×83.5m的展览馆是世界上个大跨度的 膜结构，而且是采用了聚氯乙烯(PVC)涂层的玻璃纤维织物。作为一种真正的现代工程结构，大坂万国博览会的展览馆标志着 膜结构时代的开始。自此以后， 膜结构在世界范围内得到了迅猛的发展。从跨度来说,美国的"银色穹顶"气承式空气 膜结构的平面有234.9m×183m，开始采用聚四氟乙烯(PTFE)涂层的玻璃纤维织物，类似的大型体育馆在北美就建了九座。从面积来说,沙特阿拉伯吉大机场候机大厅的悬挂膜结构占地42万m2。作为 膜结构一种新形式，索穹顶于1988年用在汉城奥运会的体操馆与击剑馆，其后又在一些体育建筑中得到推广。千年穹顶以其特的 膜结构，显示了当今建筑技术与材料科学的发展水平。
膜结构的特点之一就是它形状的多样性，曲面存在着无限的可能性。对于气承式空气膜结构来说，充气之后的曲面主要是圆球面或圆柱面，可能没有太多的选择余地。而对于以索或骨架支承的膜结构，其曲面就可以随着建筑师的想象力而任意变化。膜结构形状的千变万化地表现在历年各国举行的博览会上。在这些博览会上，大大小小的展览馆，无不以新颖奇特的造型来吸引观众，而膜结构就能用来达到这样的目的。例如1985年在日本茨城县举行的国际科学技术博览会，入口就是以五颜六色的膜材构成的拱形大门。在众多的展览馆中膜结构尤为夺目，像火鸟馆以钢梁与索组成的骨架支承扁平的凹凸屋面。美国馆以高耸的桅杆悬挂银白色的屋面。电力馆以中央塔架悬吊25个尖顶帐篷，夜晚通过灯光的反射宛如燃烧的火焰。其他象在候车亭、电话亭、走廊、厕所上也都出现了用膜材构成形式各异的建筑小品，蔚为大观。
就形状而言，对建筑师说来是至关重要的。采用一般结构的建筑物，其形状往往是先由建筑师确定。膜结构则不同，它的变形比一般结构要大一些，其次它的形状是在施工过程中逐步形成的，有一个形状确定的问题，需要结构工程师的参与。要确定在初始荷载下结构的初始形状，即结构体系在膜自重（有时还有索）与预应力作用下的平衡位置。在初步设计阶段，先按建筑要求设定大致的几何外形，然后对膜面施加预应力使之承受张力，其形状也相应改变，经过不断调整预应力，后就可得到理想的几何外形和应力分布状态。
悬索结构中的索网与膜结构一样也有形状确定问题，像1968年蒙特利尔博览会的德国馆和1972年慕尼黑奥运会主体育场都有特殊的形状需要确定，当时只有借助于缩尺模型来解决。早期的膜结构也往往采用这个方法，材料从简单的肥皂膜，一直到织物或钢丝。由于在小比例模型上测量的误差尚不足以曲面几何形的正确性，故对足尺的建筑外形只能起参考作用。但这还不失为一种有效的手段，能为设计者提供一个直观的形象。随着计算机技术的不断进步，膜结构的形状就更多地依靠计算机来确定。在膜结构设计理论中还出现了的研究课题--找形（formfinding）。为了寻求合理的几何外形，这个过程通过计算机的几次迭代，就可确定膜结构的初始形状。
当初大坂博览会上的美国馆，由于是临时性的展览建筑，采用的膜材是涂覆聚氯乙烯（PVC）的玻璃纤维织物，算不上，但在强度上也经受了两次速度高达每小时140km以上台风的考验。通过这个工程使设计者认识到，需要一种强度更高、耐久性更好、不燃、透光和能自洁的建筑织物，70年代美国制造商开发的玻璃纤维织物即满足了如上的要求。主要的改进是涂覆的面层采用了聚四氟乙烯（PTFE,商品名Teflon一特氟隆）。这种材料于1973年应用于美国加利福尼亚拉维思学院一个学生活动中心的屋顶上。经过20多年的考验,材料还保持着70-80%的强度，仍然透光并且没有褪色，拉维恩学院膜结构的使用经验表明，涂覆PTEE面层的玻璃纤维织物，不但有足够的强度承受张力，在使用功能上也具有很好的耐久性，从乐观的估计来说,这种材料的使用年限将远不止当初所估计的25年。
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