大空间张拉膜结构体系的受力特征和构造

第３７卷第８期２００６年８月　建　技　术　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．８　Ａｕ　２Ｏ０６　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔ筑　ｕｒｅ　ＴｅｃｈｎｏｌＯｆｆＶ　・６ｌｌ・　大空间张拉膜结构体　系的受力　特征和构造　李　晋，　汤黎明　（华南理工大学建筑系，５１０６４１广州）　关键词：大空间建筑：张拉膜结构；构造体系　中图分类号：ＴＵ　３５８　文献标识码：Ｂ　文章编号：１０００—４７２６（２００６）０８—０６１１—０２　ＬＯＡＤＩＮＧ　ＣＨＡＲＡＣＴＥＲ　ＡＮＤ　ＣＯＮＳＴＲＵＣ　ｎＯＮ　ＯＦ　ＬＡＲＧＥ・ＳＰＡＣＥＤ　ＴＥＮＳＩＯＮ　ＭＥＭＢＲＡＮＥ　ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ　ＳＹＳＴＥＭ　ＬＩ　Ｊｉｎ，ＴＡＮＧ　Ｌｉｍｉｎｇ　（Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，５１０６４１，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，Ｃｈｉｎａ）　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌａｒｇｅ　ｓｐａｃｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ；ｔｅｎｓｉｏｎａｌ　ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　当前，一种新的空间结构体系——张拉膜结构体系逐　向的内压力产生反力，使系　渐发展成熟。其无论在材料特性方面，还是受力特性等方　统保持静态平衡。其主方向　面均与传统大空间覆盖结构体系均有着明显的区别。意大　（经向）将承担这种荷载，而　利著名的建筑师、工程师奈尔维曾经说过：“最带技术性　垂直于该方向的纬向是另　的．最基本的结构特征——稳定性——通过应用各种建筑　一曲面，将帮助系统维护稳　方法以保障其稳定性。也大大有助于取得确定的、理想的　定。这种受力方式使任何局　建筑艺术效果。”张拉膜结构体系也必然会遵循这一规律。　部荷载均由整体结构来承　对于建筑师而言这是一种全新的结构，因此．正确地把握　担，充分发挥了纤维的抗拉　其结构体系的受力特征和构造体系是正确运用该结构体　性，因此，膜布是一种新型　系．充分展示其结构美感的基础。　的空间结构材料（图１）。力　ｌ张拉膜结构的材料特征和力学基本原理　平衡方　女　图１膜布受力成型示意　１．１材料组成　式中，Ｐ为单元膜布所能承担的荷载；　为方向１上的膜　膜布是表面涂有涂层的化学纤维织物薄膜。它分为两　布拉应力　为方向２上的膜布拉应力；Ｒ。为方向１的膜布曲　部分．基层是化学纤维织物（ＦｉｂｅｒｇｌａＳＳ玻璃纤维、　率半径；Ｒ　为方向２的膜布曲率半径。　Ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ）．它主要决定膜材的力学特性，提供材料的抗拉　由于膜受张拉．是空间受力状态，形体是空间的自由　强度和抗剪强度等；外层为涂层（ＰＶＣ、Ｔｅｆｌｏｎ、有机硅树脂　曲面形态。其形态在数学上定义为双曲抛物面。从而从根　Ｓｉｌｉｃｏｎ）．主要解决材料的物理特性，提供材料的耐火、耐久　本上改变了传统建筑基于压力学原理上的空间、形态特征　性及防水自洁性。由膜布的技术特性决定，它既是结构材　和拉力作用下的直线形态特征。　料．也是围护材料，是一种能将自由曲线的造型和透明质　感有机统一起来的新型建筑结构围护材料。其自重轻，抗　２张拉膜结构的构造体系　拉性好．更适合覆盖大空间建筑【　１。　张拉膜结构体系是利用钢索或骨架结构悬挂或支撑　１．２强度、刚度、稳定性与基本形态　膜布形成的空间结构体系。其形式在不断发展。根据膜布　膜布由经向和纬向相互正交的纤维织物组成，由于纤维　张拉方式不同，一般分为三类：（１）悬挂式膜结构；（２）支撑　织物是柔性材料。自身强度是靠拉力产生．冈０度和稳定性的　式膜结构；（３）悬索穹顶膜结构。其强度、刚度及稳定性的　获得是通过预应力和曲度来达到静态的平衡。膜布在平衡状　特点．决定界面的围合方式。　态下有两个弯曲方向，其曲率半径相反，一个是凸出，一个是　２．１悬挂式膜结构构造体系　凹下．纤维股的方向一般与这两个方向平行。对应于这些方　悬挂式膜结构是人们从帐篷结构得到启示发展而来　的．利用索网将膜布绷紧作为承重结构，或是利用桅杆（支　收稿日期：２００６—０４—２０　柱或压杆）将钢索和膜布张挂起来的构造体系（图２）。　基金项目：华南理工大学自然科学基金资助项目　悬挂式膜结构的空间结构特征为在脊索、谷索处和拉　作者简介：李晋（１９７１一），男，华南理工大学建筑系，讲师，博士研究生，　索之间均可以形成曲率相反的双曲抛物面形态，形成完整　从事建筑设计及其理论研究　维普资讯 http://www.cqvip.com

・６１２・　建筑技术　第３７卷　而连续的空间结构。在结　构力学中．受拉优于受压。　绷紧，形成双曲面。如Ｍ　ａｎｄ　Ｇ实验室，拱的间距约为１５ｍ　左右。　２．２．２膜布与桁架作用　受压优于受弯。拉索充分　张拉，支柱充分受压，使材　料的力学特性得以充分发　图２悬挂式膜结构示意　在体育场建筑中．拱与膜布形成的单元支撑在平行排：列　或放射排列的桁架上形成看台雨篷。当前，随着技术的进步，　桁架的受拉杆件，在渐渐被拉索取代，桁架向索桁架的方向　发展。这不仅能充分发挥其材料性能，且大空间的造型变得　挥．最大限度地利用了材　料。　２．１．１支柱的运用　更为轻快。以上海八万人体育场为例，伞形单元支撑在呈放　射状排列的立体桁架上，形成对看台的覆盖（图６）。桁架起到　以英国某税收中心体育馆为例，在体育馆的场地的两　端，分别有两个较高的支柱，每一个支柱与底部的钢筋混　凝土墩铰接，并由拉索固定。支柱悬挂拉索，将５榀弧形桁　架悬吊于空中，膜布在桁架和周边小型支杆、拉索的共同　张拉下形成双曲抛物面。由于支柱的支撑作用，围护界面　可以做到完全自承重（图３）。　２．１．２悬吊构件的运用　充分运用悬浮压杆，充分选用拉索。使压杆悬浮于空　中。减少立柱对视线的遮　挡，争取更大的室内空间。　以圣・迭哥会议中心（Ｓａｎ　Ｄｉｅｇｏ　Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ　Ｃｅｎｔｅｒ）　图３税收中心体育馆剖面　为例，压杆受拉索的作用　悬浮于空中，拉索拉接在　展厅两侧的巨型混凝土三　角支架上．膜布在拉索之　图４圣・迭哥会议中心屋顶构造　间张拉。屋顶由并列的５个　单元组成，单元平面尺寸为９１．５　ｍｘｌ８．３　ｍ．展厅平面为９１．５　ｍｘ９１．５　ｍ。整个空间不受压杆的分隔，视线不受阻挡，形成　统一的大空间圆（图４）。　２．２支撑式膜结构构造体系　支撑式膜结构以刚性支撑（拱、桁架、梁）为骨架，面材　采用膜布，充分发挥了不同材料特性而形成的构造体系。　支撑膜结构不仅应用了已经成熟的大空间结构技术．而　且构造简单，施工方便，是一种膜材与传统大空间结构相结　合的结构体系。其具体的空间结构特点为在刚性张拉构件之　间膜布形成曲率相反的双曲抛物面，形成相间的空间结构单　元。随着技术、材料的发展，拱、桁架、梁的构造方式也在发生　变化，其中受拉的构件，正渐渐被拉索取代。更充分地利用了　材料，形成了更为轻盈的形体和空间翻（图５）。　２．２．１膜布与拱作用　拱身的布置方法可分为平行排列和交叉排列。这是支　撑式膜结构的最基本形态。支　撑骨架之间的膜布有两种张　拉方式。注意拱的间距．充分　发挥膜布的抗拉性。其间距一　般在２０ｍ以内。膜布在拱的拉　图５支撑式膜结构示意图　力和自身重力的作用下自然　吊挂作用时，桁架的上弦受拉而发展成为拉索。　２．３悬索穹顶膜结构构造体系　悬索穹顶膜结构是近十年发展起来的适用于巨型体育　场馆的新型构造体系。由连续的张拉钢索和不连续的压杆构　成．荷载从中心环通过放射状的径向脊索，环向拉箍、中间的　对角线钢索传向周圈的受　压环梁。是一种结构效率　极高的全张拉体系。整体　索穹顶除少数几根压杆外　都处于受拉状态（图７）。　悬索穹顶膜结构对膜　图６上海八万人体育场　布进行张拉的力学原理是　屋顶结构示意　张力结构。张力结构是由　拉索和压杆组合成各种形　态，索的拉力经过一系列　中介压杆而转变方向．使　拉索与压杆交织产生空间　刚度。张力结构的发明者，　美国杰出的工程师．发明　家富勒（Ｆｕｌｌｅｒ）曾经生动　图７佐支亚穹顶屋顶结构示意　有趣地形容张力结构体系：“ｓｍａｌｌ　ｉｓｌａｎｄｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｉｎ　ａ　ｓｅａ　ｏｆ　ｔｅｎｓｉｏｎ”（压的孤岛存在于拉的海洋之中），使材料的　力学特性得以充分发挥，最大限度地利用了材料，成为现代　大空间建筑最轻的覆盖结构形式，实现了结构上的飞跃。张　力结构与膜布的结合形成悬索穹顶膜结构．成为当前最具优　越性的大空间覆盖体系。　３结语　大空间张拉膜结构建筑是膜布、拉索和支撑体所形成　的综合体，整体结构遵循膜结构的受力特征，形成合理的　构造体系。作为一种大空间覆盖体系．大空间张拉膜结构　具有广泛的应用前景。　参考文献　【１】蓝天．当代膜结构发展概述．世界建筑，２０００（９）：１７—２４．　【２】李晋，刘德明．地域气候与大空间张拉膜结构建筑的形式创作．华南　理工大学学报，２００１（５）：１０３—１０６．　［３】李晋，王扬．大空间张拉膜结构建筑的形式创作研究．新建筑，２００４　（６）：８５—８６．