膜结构支承体系的分类及特性

　　膜曲面单元的边界通过点或线连接于膜结构的支承体上,形成一套完整的膜结构体系。膜结构的支承体可以独立构成一个稳定的结构体系,膜曲面单元仅为围护体,这类膜结构称为骨架式膜结构体系;膜结构支承体也可与膜曲面单元共同形成稳定的受力结构体系,膜曲面形成不可缺少的受力单元,这类膜结构称为张拉式膜结构体系;两个具有正高斯曲面性质的碗形膜曲面可成对封闭并由充斥其内的空气压力所支承,这类膜结构称为气枕式膜结构体系。

　　(1) 张拉式膜结构

　　张拉式膜结构中,膜结构的曲面单元与其支承体共同构成一个完整的结构受力体系。张拉式膜结构的支承体一般为脊、谷、边、斜拉索、撑杆、飞柱等,并不能独自构成稳定的受力体系,膜曲面单元的破损或缺失将导致整个结构体系的馈塌。在张拉结构中,膜面必须充分张紧才能承担其结构单元的功能。因为充分张紧,膜面高度光滑和光洁,令室内具有良好的透光效果;因为膜面充当了结构受力单元,支承体并非完整的结构体系,因此支承体构件较少,结构体系极其简洁。不过张拉式膜结构在设计中应考虑诸多外力影响因素,否则将导致结构体系的安全度不高,一旦膜面因强台风或其他原因破损,将导致整个结构体系的失效。2010年上海世博会中世博轴采用了张拉式膜结构体系。

　　(2)骨架式膜结构

　　骨架式膜结构中,膜曲面单元通常只起到围护作用,膜面的支承体系是独立且稳定的结构承重体系。膜曲面单元可以是马鞍形或伞形的。这类膜结构体系的****优点在于结构体系的安全度高,因为膜曲面单元的损坏或缺失不会影响整个结构体系的安全性。但这类膜结构体系中支撑构件较多,很大程度上影响了其室内建筑观感和透光性,无法体现膜结构轻盈飘逸的特点。第七届全国花舟博览会北京主场馆就采用了骨架式膜结构体系。

　　(3)气承式膜结构

　　气承式膜结构中,建筑物的整个屋面形似一个倒扣的碗面,由充斥于建筑物内的空气压力支承。由于膜材料极轻的自重,这类膜结构所需空气压力也很小,因此气承式膜结构是一种极为轻型高效的结构体系。但是,采用气承式膜结构体系的建筑物,必须设置鼓风装置,不间断的充气以补充气压,一旦断电后,整个屋顶膜曲面将逐渐塌落。建筑层高较低的气承式膜结构建筑内,必须充分考虑到这种情况,通过设置支架防止膜屋面塌落导致室内人员窒息的情况发生。著名的东京穹顶就釆用了气承式膜结构体系。

　　(4)气枕式膜结构

　　气枕式膜结构的膜面单元类似充气枕头,依靠填充于封闭膜单元内的气压支承膜单元的曲面形状。气枕式膜结构一般釆用ETFE透明膜材料,夜晚气枕内侧配以灯光可达成弦彩的建筑效果。与气承式膜结构类似,气枕内的空气气压必须恒定以维持气枕形状。所以,一般需设置气枕气压的监控和自动充气装置。ETFE膜材具有较明显的蠕变特征,相比于气承式膜结构,自动充气对于气枕式膜结构更为重要。德国安联体育场的外围护体就采用了气枕式膜结构体系。