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永久性建筑行列,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)是我国第一次
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,人
上体海育八场万 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,中
青体岛育市场颐 [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
义育乌场市 [3]
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,中
威心海体市育体场育 [4]
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,体
芜育湖场市 [3]
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
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图4 南宁会展中心
南宁会展中心(图4)主厅采用了旋转双曲抛物面的双层膜结构,是我国沿竖向空间采用膜结
构的第一例工程实践.其高度为48m,底部直径为65.5m,结构顶部由膜片与伸展的单层钢构架构
成,形似盛开的鲜花——南宁市花朱槿花.
在交通建筑中,膜结构也获得了广泛应用.分布在各地高速公路的收费站,候车廊,加油站以
及机场航站楼,轮船码头等多有不同造型的膜结构应用.如最近已安装完成的广州新白云机场航站
楼主楼屋面采光带(325m×20～50m),门厅以及连接楼屋面等部分采用的膜结构,总面积达5万
m2.600m长的葫芦岛站台膜结构(3600m2)以张弦梁为挑梁与膜结构配合,其造型与自然环境相协
调,为膜结构在铁路站台的应用提供了较好的范例.
此外,因为膜结构具有造型新颖时尚,艺术表现力强,安装快捷方便的特点,也为众多的景点
建筑小品所采用.
2, 膜结构材料与计算技术应用的现状
2.1 膜材的应用现状
目前膜结构工程所用膜材一般由基层,涂层,面层组成.常用的基层主要有玻璃纤维织物(由
3微米纤维丝编织而成)与聚酯纤维织物.常用的涂层则有聚四氟乙烯(PTFE)与聚氯乙烯(PVC).
基层主要为膜材提供力学性能,涂层,面层则为膜材提供抗老化,防幅射,增强自洁性等特理性能.
一般将以玻璃纤维织物为基层,以聚四氟乙烯为涂层的膜材简称PTFE膜材;而以聚酯纤维为基层,
以聚氯乙烯为涂层的膜材称之为PVC膜材.为改善PVC膜材的性能,常在其表面再涂以面层如聚
二氟乙烯(PVDF),聚氟乙烯(PVF),聚偏氟乙烯(TEDLAR),丙烯酸脂(ACRYLIC)等.近年
推出的全透明和半透明的ETFE膜材,不设基层,是需要透光的工程和内膜的理想膜材.
目前所用膜材基本来自国外,PTFE膜材主要来自美国,德国,日本等地,PVC膜材主要来自
法国(FERRARI),德国(MEHLER,DURASKIN),美国(SEAMEN)以及韩国的秀博公司等.国
内生产的膜材或因物理性能欠佳,或因力学性能不足,尚难满足大型工程及我国膜结构发展的需要.
2002年上海企业从德国引进了全套可进行PVDF表面处理的PVC聚酯纤维膜材生产线,膜材幅宽
4.05m.也有的企业正策划投资生产PTFE涂层玻璃纤维膜材,但目前国产玻璃纤维最细只有6微米,
短期内将制约PTFE膜材的国产化,但这类问题终将解决,摆脱膜材依赖进口的局面已为时不远.
2.2 膜结构的设计要点与计算技术
由于膜材的基层材料是由纤维按经纬方向编织而成,材料属正交异性,膜材受力时表现出明显
的非线性,这些力学特性的存在也就决定了膜结构设计的复杂性.
膜结构的设计是在确定结构平面形状,尺寸,进行三维造型,确定净空体量与各控制点座标,
选定结构形式与膜材类型的基础上进行找形分析(即找出膜面的合理形状,使之既能满足建筑给定
的边界约束条件,又能承受外荷载作用),荷载分析(确定结构内力与变形,确定索,膜初始预张力)
与裁剪分析(即将二维材料恰当裁剪通过张拉形成所需要的三维空间曲面).
找形分析时可通过几何分析法(适用于简单外形),物理模型法(皂膜比拟法)与数值分析法
(动力松弛法,力密度法,最小曲面法等)确定结构初始平衡形状.
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荷载分析时可按几何非线性分析结构在不同工况下的内力与变形.在确定索膜初始预张力时,
应保证在最不利荷载工况下膜中不出现零应力,以避免膜材出现皱褶.同时初始应力值也不宜过高,
否则膜材徐变加大,易老化,强度储备减少.
裁剪分析时可采用物理模型方法,几何模型方法以及平衡模型方法(如力密度法,动力松弛法,
离散超限变换投影法等),将膜结构中的膜材从预应力状态还原为无应力状态,并应考虑初始预应力
造成膜材经纬方向伸长差异对裁剪下料的影响.
显然这些分析过程是比较复杂的,需采用按上述方法编制的程序[7],通过电脑分析计算.国际
上膜结构分析软件主要有美国Birdair公司的MCM软件与美国电脑设计公司的ACP软件(均适用
于找形分析与荷载分析),以及美国Autometrix公司的PS软件(适用于裁剪分析).而德国Technet 公
司的EASY软件既可用于找形分析,荷载分析,又可用于裁剪分析,具有较强的功能.目前已为国
内不少单位使用.
除此国内高校,科研单位与企业也相继开发出一些膜结构设计软件.如天津麦卡特膜结构科技
发展公司叶小兵开发的MEDE软件,同济大学张其林等开发的3D3S膜结构设计软件,北京光昱空
间膜技术工程有限公司向阳开发的MCAD软件等,另外还有一些相关软件也正在开发中.这些软件
虽各有特点,可以进行膜结构的分析与设计,但膜结构的发展还期盼研究部门早日推出功能强大,
介面友好,易于操作的高质量商品化软件.
3, 不断创新,推出精品工程,促进膜结构健康发展
膜结构的诸多优势已为国内外的大量工程实践所证实.根据建筑师的创意膜结构可以塑造出传
统建筑难似实现的许多优美的曲面造型,可以经济合理地覆盖大跨度空间,同时在照明,声学,防
火,保温,节能与自洁等方面也具有许多优点.特别是2008年北京奥运会,2010年上海世博会和
各地举办的大型体育活动,商展活动以及群众性体育活动的普及等都将为膜结构的腾飞创造机遇.
近年来膜结构在我国内地已获较多应用,但仍属起步阶段,与国外先进水平相比还存在着明显
差距.当前中国大地正面临着膜结构的春天,因此必须充分重视新型膜材的研制,先进设计软件的
开发,结构体系的创新,同时应重视设备更新与工艺改革,健全膜结构行业组织,以适应膜结构进
一步发展的需要:
3.1.加大新型膜材,先进设计软件研究开发的力度
膜材是膜结构应用与发展的基础.目前所用的PTFE膜材可褶性较差,将为膜单元的搬运增加
难度,同时费用较高.而由PVC膜材经表面处理而成的PVDF膜材,由于焊缝处的涂层需经打磨,
既增大了工作量又易导致焊接强度的不稳定.在此基础上德国米乐公司在1998年开发了双面PVDF
自洁涂层技术,并选用了更高质量的细纱聚脂纤维.成为PVDF新一代产品.其综合性能较顶层涂
敷PVDF,底层为丙烯酸酯的第一代产品有了较大提高[8].近年来日本还利用TiO2光媒体的表面处
理技术开发出了一种新型的自洁性膜材(二氧化钛膜材)[9].有的还在利用纸基替代现有的基材.
这说明对膜材品位的改善,新型膜材的研发仍具有较大的空间.面对我国膜结构兴兴向荣的发展前
景和膜结构建筑市场竞争的日趋激烈,更需组织力量加大投入力度,从基材,涂层与面层材料的改
进入手开发出性能安定,品位较高,价格低廉的新一代"绿色"膜材.
设计软件是膜结构应用与发展的重要手段.由于膜结构设计较为复杂,设计技术还未能为广大
设计人员所掌握.目前的现状是膜结构公司在取得工程项目后或自行设计,或委托一些高校设计,
膜结构的设计往往与土建设计分离,从而可能造成结构设计的不合理.如某工程膜结构支承于下部
多层框架上,由于两者设计分离,土建设计单位只提出柱顶水平力的限值,因而该工程膜结构支承
体系的用钢量大增,如果设计时能综合考虑,即可避免出现类似问题.虽然目前可以进行膜结构设
计的软件已有不少,但开发出一套符合我国相关规范,规程,标准的智能型商品化软件仍属必要.
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3.2.创造先进合理的结构体系
除了空气支承膜结构之外,张拉整体式膜结构,骨架支承膜结构与索系支承膜结构都是由索,
杆,梁等单元构件组合成的各种支承结构体系.许多高校对此已进行了大量研究也取得一定成果,
然而尚未显现出类似美国在空气支承膜结构冷落后提出"索穹顶"结构时的创造性.日本在总结空
气支承膜结构失败教训的基础上,从不同方面继续研究开发新型空气膜结构[10]的求索精神,也是值
得我们学习的.
我国在空间结构领域取得了不少值得称贺的成果,拥有了较坚实的理论与技术储备以及力量较
雄厚的技术队伍.随着研究工作的不断深入以及诸多大型膜结构工程实践的增加,广开思路,突破
原有的思维模式,更新一些概念与观点,一定会开拓出具有原创性的理论研究新成果,创造出更为
先进合理的结构体系.
3.3.重视设备更新,加速工艺改革
随着我国膜结构市场的活跃,膜结构企业在数量上呈不断增加的趋势,其中不少已属具有一定
规模的骨干企业.但也有些装备低劣,技术素质较低的企业混迹其间,他们常以低廉的价格,"灵活"
的手段获取工程,以低价,低等级膜材替代设计要求的膜材,其结果只能是交出一个加工粗糙,留
有缺陷的工程.不仅给这些企业造成损失,更重要的是还将殃及行业的整体形象.这种现象在网架
行业也曾出现过,年轻的膜结构行业更需引以为鉴.
膜结构拥有较高的技术含量,面对市场的激烈竞争,膜结构企业更应摆脱粗放型的施工与管理,
提高施工水平,重视设备更新,加快工艺改革的步阀.一些有条件的骨干企业应争取拥有自控加工
设备,实现由CAD向CAM转化.进一步改善,提高加工制作手段,全面提高技术水平,抓好质量
管理,树立品牌形象,以产品质量竞争,服务质量竞争替代以价格为主要手段的低层面竞争.适应
日趋激烈的国内,国际建筑市场竞争的需要.
3.4,健全行业组织,促进膜结构的健康发展
当前我国膜结构正处于迅速发展时期,具有广阔的发展前景.为促进膜结构的健康发展,中国
钢协空间结构分会膜结构专业委员会于2002年12月在北京成立.这是膜结构行业的一件盛事.
根据膜结构专业委员会工作条例,委员会将团结,联系会员单位,积极宣传推广膜结构,组织
制定膜结构的技术措施,技术标准与技术规程,加强会员单位间的交流与沟通,促进膜结构行业友
好竞争,共同发展.
目前正在编制的《膜结构技术规程》在广泛征求意见的基础上已完成报批稿,待规程批准颁发
实施后应及时组织规程的宣讲,培训,并组织编写规程应用指南.使更多的设计人员了解膜结构,
熟悉膜结构,不断提高设计水平,大胆创新,创作优秀的膜结构作品,推出精品工程.
相信膜结构将在我国辽阔的大地上在其****适用范围内充分展现出它的魅力.珍惜膜结构发展
的大好春光,积极推动膜结构的健康发展,愿膜结构的明天更美好.
参 考 文 献
[1] 蓝天,刘枫.中国空间结构的二十年.第十届空间结构学术会议论文集,2002
[2] 李中立,张文英等.青岛体育场膜结构挑蓬.第九届空间结构学术会议论文集.2000.9
[3] 黄达达.索膜结构在我国的工程应用实例.钢结构与建筑业,2001.2
[4] 向阳,郭正兴.威海市体育场看台挑蓬.钢结构与建筑业,2002.4
[5] 刘锡良.现代空间结构.天津:天津大学出版社,2003.6
[6] 刘文光.杭州游泳馆膜结构工程.工业建筑,1999.11
[7] 聂世华,钱若军等,膜结构技术评述,空间结构,1999.6
[8] 黄玉英.第二代PVDF建筑工程膜材的关键技术及工程实例.钢结构与建筑业,2002.6
[9]唐泽靖子.用于膜结构建筑的膜材料.世界建筑,2002.3
[10] Kazuo, I.. Membrane Designs and Structures in the World. Shinkenchiku-sha Co., Ltd., Tokyo, March 31, 1999
膜结构纵横谈——访中国钢结构协会空间结构分会理事长蓝天教授
蓝天：1927年5月生，1948年上海圣约翰大学工学院土木工程学士，1950年美国明尼苏达大学研究院硕士，现任中国建筑科学研究院建筑结构研究所研究员。长期以来从事于大跨度空间结构的研究与工程实践，致力于网架、悬索与膜结构的应用与开发。曾参加与主持多项科研项目，其中重要的有：国家自然科学基金项目，张拉结构的计算分析、外形设计与试验研究，建设部"八五"科研项目，悬索与网壳结构应用关键技术的研究，目前承担国家自然科学基金重大项目课题中的专题项目：新型预应力张拉结构体系及其形态分析理论的研究。此外还先后主持与参加了六本有关网架、网壳与悬索技术规程与标准的编制与修订，在国内外先后发表了40多篇学术论文。1993年第四届国际空间结构学术会议上，被授予"空间结构先驱奖"，1996年获建设部科技进步一等奖，1997年获国家科技进步二等奖。
提起膜结构，人们往往把它跟作为临时性建筑的帐篷的联系起来，但自从70年代以来，膜结构在世界范围内得到了迅猛发展，已经被广泛应用于不同领域各种形式的建筑中，膜结构这种古老的结构形式，随着现代建筑科技的发展，犹如浴火重生的凤凰，再度焕发青春活力，成为一种能够代表当今建筑技术和材料科学发展水平的新型结构体系，并以强大的生命力展现了美好的发展前景。
为了让建筑界乃至社会了解膜结构，本刊特别推出膜结构专题（见上期，本文因故未及刊登），并专门采访了多年来在膜结构领域辛勤耕耘的专家蓝天教授。蓝教授长期以来从事大跨度空间结构的研究与工程实践，致力于网架、悬索与膜结构的应用与开发。他曾参加与主持多项科研项目，其中包括国家自然科学基金项目，张拉结构的计算分析、外形设计与试验研究，建设部"八五"科研项目，悬索与网壳结构应用关键技术的研究，目前承担国家自然科学基金重大项目课题中的专题项目：新型预应力张拉结构体系及其形态分析理论的研究。他现任中国建筑科学研究院建筑结构研究所研究员，是中国钢结构协会空间结构分会理事长。在采访过程中，蓝天教授就膜结构的历史、材料、发展成就、存在问题、发展前景以及在中国的发展做了详细的介绍，令记者大开眼界，受益匪浅。
从临时性建筑到永久建筑
记者：蓝教授，您好！非常荣幸有机会向您请教。作为一种新兴的结构形式，膜结构得到迅速发展，尤其是被广泛应用于体育建筑、展览中心、商场、交通、文化娱乐、广场、景观等公共设施中，这不但广受建筑领域专业人士的关注，也引起了大众的兴趣。我想，大家都想了解它。在此，您能否首先给大家介绍一下膜结构的发展简史？
蓝天：可以。膜结构以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。膜结构的起源要上溯到远古时代，那时人们利用兽皮等建造的帐篷便是原始的膜结构。进入二十世纪以来，人们利用类似的原理，制造了飞艇、雷达天线罩等，使膜结构首先在其它一些科技领域中得到了应用。同时，作为临时性建筑，如野营帐篷、马戏团大棚、临时性仓库等也曾被应用。但膜结构作为一种真正的现代工程结构，一般认为：1970年日本大阪万国博览会出现的空气支撑膜结构，标志着膜结构时代的开始。在新千年交接之际，英国建造了"千年穹顶"，直径320m的圆形屋顶采用了整体张拉膜结构，集中体现了20世纪建筑科技的精华。刚刚结束的在2002韩日世界杯，其20个赛场中有11个采用了膜结构建筑。可以说，三十年来，膜结构在世界范围内得到了迅猛发展，膜结构这种古老的结构形式，已经成为一种能够代表当今建筑技术和材料科学发展水平的新型结构体系。
一种理想而富有生命力的结构形式
记者：那么，相对传统的结构形式，膜结构有哪些优点？
蓝天：笼统地说，膜结构自重轻、跨度大、施工期短、便于工厂化生产、制作和安装简易、经济效益良好，而且也有较好的耐久性、耐火性、透光性与自洁性，不失为一种理想而富有生命力的结构形式。膜结构由于采用织物制成，其突出的优点是重量特轻，与传统结构相比有着数量级的差别，克服了传统结构在大跨度建筑上实现所遇到的困难，因而可以覆盖更大的建筑空间。由于膜结构多变的支撑结构和柔性膜材，使其建筑造型更加多样化，可创造更加自由、美观的建筑形体和更丰富的建筑语言。跟传统的建筑不同的是，膜结构工程所有的加工和制作都可以按照设计在工厂内完成，在现场只是进行安装作业，施工周期几乎快一倍。膜材有较高的反射性及较低的光吸收，并且热传导性较低，这极大程度上阻止阳光能进入室内；而膜材的透光性又保证了适当的自然漫散射光照明室内。因此膜结构在节能方面有它的独特效果。至于膜结构的自洁性，膜材表面即使聚集了一些灰尘，在雨水冲刷后，仍能保持皎洁的外貌。
记者：我们宣传膜结构，也要直面膜结构的缺点，您认为它的主要缺点是什么？
蓝天：事物都是一分为二的，对于膜结构的缺点我们也不能隐讳。先说它的耐久性，就和一般所谓"百年大计"的概念不一样。当前膜材生产厂商最长的保证年限也只有15－25年，虽然通过实际工程考验，玻璃纤维膜材使用了25年以上仍保持了良好性能，但和传统的混凝土或钢材相比，还是略逊一筹。另外，膜结构对气候十分敏感，在雨、雪的作用下，容易产生一种"袋状效应"，也就是雨、雪越积越多，最后导致膜材撕裂。过去曾有好几个充气结构发生过这样的事故，以至人们对空气支承膜结构、也就是一般所说的充气结构是否适用也产生了怀疑。当然，如果处理得当，充气结构是还是有它的适用范围。由于膜结构属于柔性体系，风振也往往是个问题，这种结构在风作用下的动力响应还是一个有待于研究的课题。
膜结构还面临着一个尖锐的环保问题，不论是聚酯或玻璃纤维的膜材都是不可再生的。一旦到达了使用年限，被拆除的膜材就成为一大堆城市垃圾而无法处置。像过去建造膜结构比较多的日本现在已经敲起了警钟。为了解决这个问题，目前有些国家正在研究可回收再利用的膜材。
膜材进步推动膜结构发展
记者：过去人们总是习惯地把膜结构看作临时性建筑的帐篷，但短短几十年时间，膜结构建筑已经登入了"永久性建筑"的殿堂，您觉得主要原因是什么？
蓝天：我想，关键的问题就是材料，膜结构只有在材料问题得到解决后才得以大量应用。70年代美国所开发的玻璃纤维织物，涂覆的面层采用了聚四氟乙烯（PTFE，商品名称Teflon-特氟隆），这种膜材从一开始就以强度高、耐火不燃、自洁性好等优异性能得到用户的青睐，为膜结构的大量应用起了积极推动作用。当初，这种膜材的保证使用年限是25年，1973年首次应用于美国加利福尼亚拉维恩学院一个学生活动中心屋顶上。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。使用经验表明，这种织物不但有足够的强度承受张力，在使用功能上也能满足要求。从乐观的估计来说，它的使用年限将远不止如当初所预计的25年。
膜结构另外一种用得比较多的材料是以聚酯织物为基材，加上乙稀基的涂层。与上述的玻璃纤维膜材相比，其强度等性能稍差，使用年限也较短，但价格却很便宜，大约在1/5左右。这种材料****的缺点是在肮脏和污染的侵袭下颜色变得难看、透光率降低，并容易破坏涂层而影响了膜材的使用年限。为了改进其性能可采用在涂层外再加一层面层。这种面层不但能保护织物抵抗紫外线，而且能大大改进其自洁性。
最早采用的面层是PVF（聚氟乙烯），其商品名称是泰德拉（Tedlar），在美国已使用多年，效果良好。PVF面层需要一种特殊的粘合剂粘着在膜材表面，加层之后材料显得有点硬。另外一种较新的面层是PVDF（聚氟乙烯），法国法拉利公司推出的氟罗托普T（Fluotor T）就是采用了这种热压的面层，是当前一种比较成熟的膜材，其价格虽然是一般聚酯膜材的2.5倍，但仍不到玻璃纤维膜材的一半。
记者：正如您所说，膜结构得以推广的关键是膜材的进步，如果我们把玻璃纤维膜材的出现和推广应用看作膜材的"一次腾飞"，那么膜材的"二次腾飞"将会是什么样子？目前在这膜材方面有什么发展动向？
蓝天：我认为，膜材的"二次腾飞"有待于进一步改进合成材料的性能和种类，使膜材更加满足作为建筑材料的要求。目前，已经有人在研制柔韧的锂合金作为基材以代替玻璃纤维，能够充分克服玻璃纤维的脆性。复合材料的改性是目前尖端的"边缘学科"，估计会有一个比较长的研制和推广应用过程。
膜结构在国际上方兴未艾
记者：我记得您说过，一种工程结构是否能得到推广应用，是否能得到认可，首先要看建了多少工程？您能否就一些典型工程实例谈一谈膜结构取得的成就？
蓝天：好的。前面我们谈过，1970年日本大阪万国博览会出现的空气膜结构，标志着膜结构时代的开始。当时的美国馆拟椭圆形、轴线尺寸为140m×83.5m，由美国的盖格尔(D.Geiger)与贝格尔(H.Berger)设计其结构，它不但是世界上第一个大跨度的膜结构，而且是首次采用了聚氯乙烯(PVC)涂层的玻璃纤维织物。与此同时，还有一个气胀式膜结构，用于直径约50m的富士馆。
大阪博览会闭幕之后，作为临时性建筑的美国馆与富士馆都已拆除，但它们的出现具有划时代的意义，此后膜结构在世界范围内的迅猛的发展，表明它已经远不是过去那种临时的大棚，即使对膜结构的采用比较谨慎的日本，在1988年东京后乐园棒球场空气膜结构建成之后，在建筑法规中正式认定膜结构可用于永久性建筑。
从跨度来说，美国庞提亚克的"银色穹顶"气承式膜结构的平面尺寸有234.9m×183m，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42万平方米，当时是世界上面积****的膜结构。
60年代，美国富勒提出了"张拉整体"的概念，即以连续的受拉钢索为主，以不连续的压杆为辅，组成一种结构体系，然而他的概念始终没有在工程中得以实现，其后盖格尔把这种概念运用到以索、膜与压杆组成的"索穹顶"上，并成功地建造了直径自93 m到210 m的体育馆。作为膜结构一种新形式的索穹顶，是膜结构体系的一大进展，自从1988年用在汉城奥运会的体操馆与击剑馆以来，又在一些体育建筑中得到推广应用，例如1996年亚特兰大奥运会的"佐治亚穹顶"，拟椭圆形的尺寸达240m×193m，美国佛罗里达的"太阳海岸穹顶"，圆形直径达210m。
记者：我注意到，近年来好多展览建筑采用了膜结构，您能否就此介绍一下？
蓝天：不错，近年来膜结构展览建筑方兴未艾。随着人类交流的不断扩大，这几年世界上几乎每一个大城市都在兴建融会议与展览于一体的会议展览中心，其面积往往达上万平方米，其中的展览场地就要求一个大跨度的空间，中间不设柱子；即使有柱子，柱网也要在25m以上。此外，对展览来说，最好有自然采光以提供足够的光线。这样，膜结构就是适宜的选型。
对于展览建筑，首先要提的当然是伦敦泰晤士河畔的千年穹顶，这是英国政府为迎接21世纪而兴建的总造价达7亿多英磅的大型综合性展览馆，包括一系列展示与演出的场地，以及购物商场、餐厅，酒吧等。其穹顶直径320m，周圈大于1000m，有12根穿出屋面高达100 m的桅杆，屋盖采用圆球形的张力膜结构。膜面支承在72根幅射状的钢索上，膜材用涂聚四氟乙烯的玻璃纤维织物。为了防止结露，又增加了能隔音、隔热的内层。
另外值得一提的建筑是90年代美国西海岸的圣选戈会议中心。该中心总面积达16万m2，包括地下停车场，露天剧院和展览馆，其展览大厅屋顶上采用象帆一样的膜结构，91.5 m×91.5 m的敞开式展览馆由5个帐篷式膜结构组成，其上覆盖以聚四氟乙烯涂层玻璃纤维膜材。为了自然通风，膜结构顶部开孔以便排出热空气，孔上另设置防雨的膜材板。
记者：如今各种跨度的体育建筑，如体育馆、游泳馆、溜冰馆、足球场、训练馆、健身房等等都能见到膜结构的踪影，由此可见体育建筑也是膜结构应用的一个热门领域。
蓝天：不错，体育建筑历来是膜结构应用的热门领域，并且在技术上也进一步有所创新。
在体育建筑中，敞开式的体育场看台挑篷采用膜结构是最合适的了。近代体育场屋顶的悬挑跨度越来越大，覆盖的范围也发展到了全部看台。作为采用膜结构的看台挑逢来说，以受拉内环、索桁架与受压结合的结构体系是一种适宜的选型。像1990年世界杯足球赛意大利罗马奥运会体育场（平面尺寸308m×237m）、1993年世界田径锦标赛德国斯图加特体育场（280m×255.6m，****悬挑跨度66.5m）都采用了这种形式。前二者还是在原有体育场上进行改建，重量很轻的膜结构为此提供了有利的长件。然而体育场的发展并未到此为止，中间比赛场地部分的顶盖能做成晴天开敞、雨天遮蔽的开闭结构。象加拿大蒙特利尔体育场，从高168 m的斜塔上悬挂着一个伞形膜结，覆盖了200m×100m的比赛场。此外，像前面提到的索穹顶也多次被运用在体育场馆上。
需要特别指出的是，世界杯足球赛对膜结构的发展起了很大的促进作用，因为每次比赛都要在承办国若干个城市新建或改建足球场，膜结构所占的比例也不断增加。例如1990年世界杯赛在意大利举行，罗马奥运会体育场的改建和巴里足球与田径场的新建都采用了膜结构。1998年法国里昂的热郎体育场为世界杯足球赛而扩建的看台，也采用了膜材覆盖。今年韩日世界杯足球赛的20个赛场中有11个是形式各异的膜结构建筑。
事实表明，膜结构已经成为当今体育场馆的主要建筑形式之一。
记者：膜结构在交通建筑方面的应用情况如何？有什么典要工程？
蓝天：交通建筑指的是为火车、长途汽车、轮船和飞机等交通工具而配置的建筑，主要包括旅客和货物集散的运输总站以及车站站台、停车场、收费站与室外通道的顶盖。以运输总站而言，前面提到的沙特阿拉伯吉大机场候场大厅的悬挂伞形膜结构，堪称膜结构的大手笔。前几年美国丹佛国际机场打破了传统模式，首先在候机大厅上使用了张拉膜结构。大厅长274m，宽67m，以17个帐篷形膜结构组成，由于丹佛位于经常下雪、气候不利的地区，该建筑在大跨度交通建筑上为膜结构的应用树立了典范。其他如英国在英法海峡海底遂道一端的车站，以及法国里昂的车站，虽然面积不大，仍然显示了膜结构的优点。因此，膜结构不仅适用于大跨度建筑，小跨度乃至小品建筑也有膜结构充分驰骋的天地。
千年穹顶的警示
记者：前段时间，《福布斯》杂志评出了世界上十大最"难看"的建筑，英国伦敦的千年穹顶居然高居榜首，很难让人相信，这个耗资７亿多英镑、设计科学、造型华美并凝聚了诸多当代科技和智慧的"世纪工程"竟然会落得如此下场。据有关报道称，自千年穹顶于2000年最后一天被迫关闭以来，仅各种基本的维持费用几近3000万英镑，而为了让它彻底"退役"也耗资1000万英镑。迄今，英国已经为这座大厦扔掉了近８亿英镑。这件事给我们什么警示，它会不会影响膜结构的发展？
蓝天：对于一个建筑的美或丑，往往有不同的评判准则，见仁见智，我不想多作评论。我想指出的是，对于一个工程项目的好坏，技术和管理应该分开来看，我认为英国千年穹顶在膜结构技术上是成功的，而在经营管理上是失败的。其实大型场馆的经营问题不单是千年穹顶所独有的，前几年在日本盛行"穹顶热"，建造了不少大型的多功能体育馆，现在他们发现这些设施已经过剩了，怎么利用成为一个大问题。即使在中国，一些大型体育场馆的闲置也令经营者们大伤脑筋。看看一些体育馆只得靠开商品展销会来维持的确令人感到悲哀。
2002年八月份，在参加了第五届国际空间结构学术会议之后，我特地去拜访了处于伦敦郊区的千年穹顶。我是怀着一种类似"朝圣者"的心情去的。当我看到高耸入云的桅杆和洁白的膜材屋面，深深感到当代建筑技术在这里得到了升华。与之形成强烈反差的是大门紧锁、不得其门而入，门前偌大的广场上只有几个练习滑旱冰的年轻人，只有从穹顶前数不尽的入口和宽广的停车场可以想象当年车水马龙的兴旺景象。不管怎样，我认为千年穹顶给我们的警示，不是膜结构能否发展，而是大型场馆如何经营。
膜结构在中国尚处起步阶段
记者：聊了那么多膜结构在国际上的发展，既然它是那么优秀而有生命力的结构形式，我想大家都非常关心它在的中国的发展情况，在此请您给大家介绍一下。
蓝天：总的来说，近年来，膜结构在中国发展速度很快，但与世界先进水平相比，中国膜结构尚处于起步阶段，其发展还存在着较大的差距。估计目前每年大约有10万m2的膜结构工程，基数很小，因此年增长率也会更高一些，但是工程面积的绝对值与先进水平相比还是较低的。
一种新结构的产生与壮大，必须具备一定的理论基础。膜结构的设计计算有一定的难度，要考虑非线性膜单元以及形状确定、剪载等问题，除了理论与试验研究外，还要有实用的计算机程序。目前在中国还没有一支专门的膜结构设计队伍，而一般设计部门对膜结构也知之甚少。从七十年代开始，已经有一些研究单位和高等学校对膜结构进行研究，如膜材的力学特征、膜结构的初始形状确定、非线性分析、剪裁分析以风振等问题，并进行了模型试验，在膜结构的开发上建立了一定的技术储备。
值得注意的是：中国已出现了一批专门从事于膜结构制作与安装的企业，这此专业化工厂的建立，对于推广膜结构是十分有利的。此外，由于我国建筑市场对膜结构技术的需求有大幅度的增长趋势，国外各大著名膜结构技术公司纷纷登陆我国，这也刺激了我国膜结构事业的发展。
记者：工程建设情况是最能直接反映一种结构的应用水平的指标，我国膜结构工程建设的情况如何呢？
蓝天：早在六十年代，在上海展览馆就采用过一个临时性的空气支承式空气膜结构，此后很长时间进展不大，仅是在北京及上海曾进口过两个跨度不大的气承式空气膜，分别用来处长盖网球馆与游泳馆。这几年，中国的膜结构取得了不少进展，并且出现了向大型工程发展的苗头，其中体育场具有举足轻重的影响。1997年上海第八届全运会的八万人体育场，其挑篷采用了以径向悬挑钢桁架组成的大跨度空间结构，上覆以伞形膜结构，这是中国首次将膜结构应用到大面积的永久性建筑上。接着是专门用于足球比赛的上海虹口体育场，采用了鞍形大悬挑空间索桁架支承的膜结构。这二个体育场采用的是进口的玻璃纤维织物，施工安装也主要依靠外国公司。这不但传播了国外的先进经验，还激励了中国人用自己的力量修建膜结构，影响深远。继上海体育场之后，****的膜结构工程当属青岛颐中体育场的看台屋盖。面积有30000㎡挑篷由70个膜锥单元组成，使屋盖呈现波浪形。其他如武汉体育场，面积也有30000m2，由上下外环梁和内环索支承着波形膜屋盖，浙江义乌体育会展中心的看台挑篷采用了两片沿主看台对称布置的梭状膜结构，挑篷前沿由斜拉索悬吊在四根桅杆上。最近威海、烟台、南宁等地的体育场，也都考虑了膜结构方案。
记者：在中国，您认为哪些领域的最能发挥膜结构的优势？
蓝天：参考国外经验并结合我国的具体情况，我觉得应该实行大中小并举的方针。在大跨度建筑中，对于需要自然采光的体育馆、层览馆等，膜结构的轻质与半透明性最能适应这种要求。近年来在世界足球与国际比赛的体育场中，越来越多的看台挑篷都采用了膜结构，因为它符合了悬跨度大与半敞开式建筑的特点。此外，像嬉水乐园、海洋馆之类的建筑，膜结构也是极好的选型。在中小跨度建筑中，膜结构的应用有着广阔的天地，象健身房、网球馆、农贸市场、仓库、行人街………小至售货亭、候车亭、走廊等都可采用，以量大面广而取胜。
记者：从您上面的介绍中可以看出，中国在膜结构的材料、设计与施工已经建立了一定的基础，可以说，中国膜结构市场在短短几年的时间里，可能走完了别人十年的道路，但也出现了一些问题，比如最近业界非常关注的恶性竞争问题。据我所知，有十年的时间，韩国政府明确表示在任何公共工程不使用膜结构，据说都是恶性竞争惹的祸。这实在值得我们认真思考。对于恶性竞争，您有什么看法？
蓝天：恶性竞争不单在膜结构市场有，在网架、轻钢等市场也屡屡产生。关于恶性竞争的后果是人人皆知的。互相压价搞得人人俱伤，还出现了许多不规范、不公平的腐败现象。为了弥补损失只得降低产品质量，给工程留下了隐患，最终还是影响了整个行业的信誉，可是为了眼前的利益，是属于“杀鸠止渴”。我认为其中有企业的认识问题，也有行业管理问题。最近空间结构协会正在酝酿成立一个膜结构专业委员会，成为广大膜结构企业的行业性组织。其中有一项工作就是想通过行业自身的力量来规范膜结构市场，希望能有助于解决恶性竞争的问题。
记者：听说国家已经开始关注膜结构的发展，有关单位正在积极编制膜的设计、施工、验收等相关规范，蓝教授有没有这方面的消息给大家透露一下？
蓝天：是的，空间结构协会正在组织这项工作。2001年8月，中国工程建设标准化协会通过轻型钢结构委员会向我们下达了"膜结构技术规程"的编制任务。随后组成了一个包括9个单位的规程编制组，成员包括国内知名的高等学校、科研、设计单位以及企业的代表，其中有两名中国工程院士以及膜结构领域内的专家学者。这个规程是********个有关膜结构的设计、制作、安装与维护的指导性文件。在排除了外界的干扰后，规程的编制工作正在有序地进行，预计将于2003年完成。
记者：为在中国推广应用膜结构，您觉得应该加强那方面的工作？
蓝天：我觉得要在中国推广应用膜结构，还要在材料、造价、观念、行业健康发展等方面多做点工作。
在材料方面，目前国内的一些企业已经生产出不同规格的建筑织物，但其数量与质量还远远满足不了要求。试制与生产建筑织物往往是企业自发而为，缺少国家的指导与支持。这些企业对现代膜结构的要求了解得不透，对市场动向掌握得不多，加上产品质量问题，使膜结构制造商往往转向进口膜材。回顾膜结构发展的历程，70年代美国一些大企业有能力联合研制并生产"特氟隆"涂覆的玻璃纤维织物，在中国完全有条件由国家指定一、二个实力较强的企业，专门从事于建筑织物的研制与生产，并在投资上予以支持，以便在较短时间内扭转建造织物生产的落后局面。如能早日生产出符合要求的建筑织物就会降低造价，并将为大量推广膜结构创造条件。
膜结构在性能上具有不少优点，在造价上也应做到低廉。当前国内常用的屋面材料有：压型钢板（造价150元/㎡），聚碳酸酯板（造价700元/㎡）玻璃（造价800元/㎡）。膜结构的造价必须与此相当或略高才有竞争力，因此建议首先考虑生产以聚酯为基材，加PVC涂层与PVDF面层的织物，在研制过程中要着重解决材料的耐火性与耐久性（使用年限）。
生产力的进步跟思想观念有着密切的联系。膜结构的进一步推广应用也有待于观念问题的解决。目前，有些用户对膜结构的认识停留在马戏团大棚一类临时性建筑的概念上，同时对膜结构的使用年限，即使保证25年，与"基本建设百年大计"相比，用户仍是心存疑虑，因此要大力加强对膜结的宣传与科普教育，改变社会上的看法。更重要的是建成一批质量优良的膜结构工程为加强其影响。例如上海体育场的建成，就推动了好几个体育场采用膜结构。
膜结构技术，不论是设计、制作或施工，对广大技术人员来说都是新事物，因此当一项工程要考虎采用膜结构时，往往是处于“不敢用”、“不会用”的状态。为此，对技术人员也要开展膜结构的教育与提高。一方面，要开办各种讲习班、交流会、使设计人员、生产人员掌握膜结构的基本知识，这对建筑师尤为必要。另一方面，还应培养一批膜结构设计与生产的专业人才，提高其业务水平。此外，为了进一步推广应用、保证工程质量，要尽快编制膜结构的设计与施工规程。
还有就是膜结构行业的健康发展问题。对于膜结构这一新兴行业，一开始就应引导它向健康的道路上发展，因此行业管理也应提到日程上来了。
21世纪空间结构发展的主流
记者：您是如何看待膜结构的前景呢？
蓝天：20世纪的工程实践表明，由于新材料、新形式的不断出现，膜结构具有强大的生命力，必将是下一个世纪建筑结构发展的主流。此外，随着现代科技的进一步发展及环保要求的提高，天然材料和传统的古老建筑材料必将被轻、薄且保温隔热性能良好的高强轻质材料所取代。膜结构技术将在这项变革中扮演重要的角色，成为"绿色建筑体系"的宠儿，并将得到广泛的应用。
记者：您能否在一些具体的指标方面预测一下膜结构的前景呢？
蓝天：不敢说预测，但是根据以往的发展和趋势，可以做一个展望，展望而已，仅作参考。
在市场产值方面，膜结构将会保持较快的增长势头。按照法兰克福博览会提供的资料，全世界建筑织物的销售量在1990年为21亿美元，10年内以年均增长率4.1%的速度增加，到2000年可达33.9亿美元，这在某种程度上反映了采用建筑织物的膜结构的发展速度。进入21世纪，估计膜结构仍会以略高于4%的增长率继续发展。至于我国，随着以北京奥运工程、西部大开发等为标志的新一轮建设热潮的到来，膜结构也将会迎来一个快速发展的时期。由于我国膜结构总的产值基数不大，因此年增长率会高于世界平均水平。
总之，我对膜结构的发展是抱乐观态度的，还是那句话：膜结构必将成为21世纪空间结构发展的主流！
记者：谢谢蓝教授的精彩论述。
蓝天：我也要感谢贵刊提供一个这么好的机会，让我谈谈对膜结构的一些看法和想法，不一定正确，希望得到大家的批评和指正。我从1990年开始，对膜结构感兴趣并进行了一些研究和探索，也努力想在中国介绍和推广这种新型结构。近几年膜结构在中国的发展呈现了急剧上升的势头，这是我所始料不及的。特别令我感到欣慰的是，在膜结构这片新开垦的土地上人才辈出，不论是设计、研究或是施工、管理方面，我都看到了非常能干的年轻人。相信中国的膜结构在他们手中必将更加发扬光大。此外，还想借贵刊传达这么一个信息：就是我这个与生俱来的名字"蓝天"也带来了一些误会。现在有不少网架厂、波形拱厂都以蓝天命名，不明真相的人都以为是我开的，其实和我毫不相干，说不定哪一天又会出现一个蓝天膜结构公司呢！其实我一介书生，对经营企业既没有本事，又没有精力去做，甚至一些公司要聘作顾问，也都被我婉言拒绝了。另外，近来有一位在网上颇为活跃的“兰天”，有人也以为是我的化名。这位兰天对膜结构发表了许多很好的意见，有些我也有同感，但我实在不敢掠人之美。
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