某大跨度演艺广场膜结构的设计分析

本文作者：徐俊生

文中数据和结论，代表作者观点。

摘要：膜结构形状变幻多端，由于其本身的特性可以在设计上充分发挥天马行空的想象力，膜结构建筑造型非常活泼优美打破了传统建筑形式的那种沉闷，非常具有张力及雕塑感，最能展现现代气息的建筑形式之一。与传统建筑多直线的造型相比，膜结构建筑最吸引人的就是其优美的曲面造型，与周围的建筑相得益彰的同时让人耳目一新。特别是大型的地标性建筑运用膜结构奇特的造型可以打造出如梦如幻的夜间景观效果，增加其辨识度以及商业效应。

关键词：膜结构，大跨度，桁架结构，PTFE膜，拉索结构  

本次分析的膜结构为一大跨度演艺广场，近似为圆形结构，直径90米，塔架高，高度约47.5米；膜结构中间大桁架高度为21米和18米；张拉膜靠近大立柱塔架处高度为7米，远离大立柱末端高度为8米；斜撑立柱从远离大立柱末端到近端高度分别为24米，18米，12米，21米；膜结构演艺广场的拉索一端焊接在大立柱塔架的上方，另一端拉在膜结构中间大桁架上，其中每根桁架上均匀拉三根拉索。 

膜结构演艺广场的设计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。膜结构是指通过拉索将膜材料张拉于结构上而形成的，膜结构也可称为索膜结构，是由稳定的空间双曲张拉膜面、支承桅杆体系、支承索和边缘索等构成的结构体系。膜结构由于具有形象的可塑性和结构方式的高度灵活性、适应性，所以此种方式的应用极其广泛。

膜结构演艺广场结构整体大跨度结构，直径90米，塔架高，高度约45米；经过分析，塔架采用管桁架结构，下部主拱采用单管结构，通过斜拉索与塔架连接。其余立柱为单立柱结构，单立柱通过支撑桁架与主拱连接，形成一个稳定的结构体系。  

一、斜撑立柱的细节设计与应对措施  

    1.膜结构演艺广场一周由七根斜撑立柱环绕支撑膜结构骨架。斜撑立柱为单立柱结构，单立柱通过支撑桁架与主拱连接，形成一个稳定的结构体系。斜撑立柱一方面起到支撑稳固膜结构骨架的作用，另一方面通过细节的处理又具有了美观性。  

    2.斜撑立柱分为五节，由上到下逐节加粗，层次分明，同时立柱向外倾斜，有利于膜的拉伸。

    3.斜撑立柱采用钢结构立柱，其中下面三结受力，最下面一节立柱用铝板做外装饰包装，上面几节立柱喷涂真石漆。上面两节不受力，只做装饰用。在斜撑立柱第三节处伸出两个杆件，和张拉膜的支撑杆件相连，给张拉膜一个拉力，使得膜材更加牢靠。  

    4．斜撑立柱底部用石材包出一个柱脚，这样显得整个立柱比较敦实，也可以保护钢结构斜撑立柱受到破坏，同时具有美观的效果。  

二、结构大立柱的外形设计特点与细节构造措施

    1，膜结构演艺中心，钢结构大立柱强而有力的支撑着整个重量体系，大立柱像一条昂首飞龙盘旋而上。同时展开的膜结构像是一只凤凰开屏，美轮美奂。从而使人无论从任何角度观看都会产生龙凤呈祥之感。  

结构大立柱约45米高，采用钢结构桁架加工制作，为了减小对基础的弯矩作用，柱脚采用铰接节点制作，这样对基础只产生轴力作用。由于塔架较高，对位移控制要求较高，所以必须增大其刚度，以保证位移能符合规范的要求。  

    2、设计条件  

    （1）结构安全等级 二级  

    （2）建筑物结构的设计使用年限 50年  

    （3）建筑抗震设防类别 标准设防类  

            抗震设防烈度 6度  

            设计基本地震加速度值 0.05g  

            设计地震分组 第一组  

    （4）抗震等级 四级  

    （5）建筑场地类别  II类  

            场地土类别 中软土  

            地基基础设计等级 二级  

    （6）基本风压  0.30kN/m2  

            基本雪压  0.30kN/m2  

    （7）地下室防水等级 二级  

    （8）建筑防火分类和耐火等级

            二类建筑、耐火等级二级

    3、膜结构的优点与优势有:

        优点1：造型艺术 
膜结构形状变幻多端，由于其本身的特性（材质自重轻，支撑方式灵活）使得设计师可以在设计上充分发挥天马行空的想象力，大部分膜结构建筑造型非常活泼优美打破了传统建筑形式的那种沉闷，非常具有张力及雕塑感，最能展现现代气息的建筑形式之一。与传统建筑多直线的造型相比，膜结构建筑最吸引人的就是其优美的曲面造型，与周围的建筑相得益彰的同时让人耳目一新。特别是大型的地标性建筑运用膜结构奇特的造型可以打造出如梦如幻的夜间景观效果，增加其辨识度以及商业效应。

        优点2：环保节能
膜结构所用的膜材从生产到加工，都是无毒无害的，使用寿命长，而且不会对环境造成任何影响，而且其自动轻，所以其基础施工以及支撑系统的材料用量都将大大减少，而且膜材具有良好的通光率，白天完全依靠自然光满足室内的照明，这就大大减少了照明设施的运转时间，降低用电量，而且这种明亮是依靠光线的漫反射，会让人感觉很柔和，膜结构建筑中的主要材料膜材、刚才都是可以回收循环利用的，这就进一步的节省了建筑材料。

        优点3：力学性能好
膜结构一般是依靠膜材跟钢索以及支柱形成的自然张力形成外形的，这是一种非常自然的结构，膜材自重轻强度高（建筑膜材的强度是普通玻璃的250-300倍、亚克力板的20-30倍、钢化玻璃的2倍）几乎没有断裂的风险，结合高强度的钢索，支柱可以保证整个结构的稳定性，特别是在大跨度的建筑上应用，可以减少梁柱的使用，保证建筑内部的空间，增加有效的使用面积，让建筑空间得以灵活的得以利用。

        优点4：防火与抗震
膜结构所采用的膜材，都是人工合成材料，其大部分都具有非常优秀的阻燃性，而且在高温下不会融化，也不会产生有毒气体，这就保证了其能很好的满足防火要求，膜结构自重轻，结构支撑灵活，具有很大的柔性，能够抵消强烈的横向载荷，所以其抗震性能非常优异。

        优点5：自洁能力
现在很多膜材表面一般都会有防污涂层，在使用过程中可以依靠自然的风力和雨水的冲刷保持自洁，不仅大大减少了建筑膜材表面的清洗和维护频率，还能保证膜材的美观、透光性。

        优点6：工期短经济性佳
膜结构建筑中使用的膜材、钢材都是在工厂内加工，然后运送到现场进行安装，这就大大减少了现场的施工时间，便于规模化生产，大大缩短了整个施工周期，节省大量工资开支，而且由于膜材自重较轻，加上采用钢索，钢结构等框架支撑，所以这就大大减轻了膜结构建筑屋顶面重量，从而降低墙体和基础的造价，而且膜结构独特的造型以及配合灯光产生绚丽的夜间效果也大大增加了商业效应。

        优点7：应用范围广
膜结构建筑由于其灵活的建造方式，使其应用非常广泛，小到公园遮阳伞大到上万平米的体育场屋顶，其可以作为临时建筑使用也可以建造成为永久性建筑，其适合各种气候，各种场景，生活中我们也会经常见到运用膜结构的建筑如：体育场馆，商业屋顶，走廊连廊遮阳篷，公园广场景观，收费站。还有一些我们不容易接触到的如：污水池反吊膜，煤场膜结构封闭。如今膜结构已经成为了建筑领域一种热门的选择。  

三、膜结构整体设计特点与计算模型的构建与分析  

膜结构（Tensegrity）是由一组连续的拉杆和连续的或不连续的压杆组合而成的自应力、自支撑的网状杆系结构。膜结构的基本组成单元通常有：膜材、索与支承结构。  

该结构整体跨度大，直径90米，塔架高，高度约45米；经过分析，塔架采用管桁架结构，下部主拱采用单管结构，通过斜拉索与塔架连接。其余立柱为单立柱结构，单立柱通过支撑桁架与主拱连接，形成一个稳定的结构体系。  

四、风雪荷载的取值参数要求与结构受力分析  

风荷载：50年一遇,对应的基本风压w：0.3KN/M2；  

雪荷载：50年一遇,对应的基本雪压S：0.3KN/M2；  

恒荷载：0.3KN/M2；  

其他：玻璃幕墙：考虑6mm厚，铝板自重(含二次结构)：50 kg/m2  

膜材自重：0.06 kN/m2(PTFE), 0.005 kN/m2(ETFE)  

钢柱和拱脚为刚接，塔架柱脚均为铰接。

反力点号  

NODE	LOAD		REACTIONS(kN)
NO	CASE	X	Y	Z
1	1	319.4	-265.9	-327.2
	2	394.2	-378.3	-401.3
	3	-161.1	800.4	435
	4	-199.9	430.7	237.2
	5	102.8	707.7	291.4
	6	-133.8	653	393.6
2	1	-90	0	-222.4
	2	-166.9	0	-281.3
	3	432	0	154.3
	4	386.6	0	132.2
	5	249.7	0	-10
	6	330.9	-177	66.1
3	1	-94.1	-31	-207.2
	2	-159.2	-75.6	-258.4
	3	325.1	333.2	182.7
	4	279.2	306.7	156.2
	5	182.4	208.2	19.3

材料表

编号	规格	材料
GZ1-GZ4	下端：Ф700X20	Q345B
	中端：Ф500X20	Q345B
	上端：装饰确定	Q345B
HJ1-HJ3	上弦：Ф219X8	Q345B
	下弦：Ф377X12	Q345B
	腹杆：Ф377X12	Q345B
HJ4	上弦：Ф219X8	Q345B
	下弦：Ф377X12	Q345B
	腹杆：Ф180X8	Q345B
HJ5	上弦：Ф700X20	Q345B
	下弦：Ф700X20	Q345B
	腹杆：Ф89X4	Q345B
TJ1	弦杆：Ф299X12	Q345B
	腹杆：Ф89X4	Q345B
DG1-DG4	Ф219X8	Q345B
YC1-YC7	Ф219X8	Q345B
LG1	Ф180X8	Q345B
HL1	Ф245X10	Q345B
GZ5-GZ8	Ф219X8	Q345B

梁单元杆件设计校核  

M(kn.m)	N(KN)	V(KN)	L(mm)	D(mm)	t(mm)	A(cm2)	W(cm3)	I(cm4)	i(mm)	λ
174.5	518	0	2000	355	12	129.30	1072.92	19039.51	121.34	16.48
321	514.8	0	58500	700	20	427.24	7063.76	247168.52	240.52	243.22
548	340.4	0	48750	700	20	427.24	7063.76	247168.52	240.52	202.68
1005	1366.8	0	8246	650	20	395.83	6050.30	196584.83	222.85	37.00
7	5.4	0	10412	219	8	53.03	269.97	2955.44	74.65	139.47

0	1476.2	0	8000	325	12	117.99	890.78	14471.48	110.75	72.24
9.4	847.4	0	3920	299	12	108.19	746.65	11159.54	101.56	38.60
1.1	169.5	0	6000	245	10	73.83	416.89	5105.64	83.16	72.15
1.7	286	0	3901	219	8	53.03	269.97	2955.44	74.65	52.25
25.2	382.1	0	2000	219	8	53.03	269.97	2955.44	74.65	26.79
0	558	0	6212	219	8	53.03	269.97	2955.44	74.65	83.21
625.6	66.8	0	3812	500	20	301.58	3481.28	87009.75	169.86	22.44
244.6	444.7	0	2010	377	14	159.65	1397.51	26336.27	128.44	15.65

杆单元杆件设计校核  

M(kn.m)	N(KN)	V(KN)	L(mm)	D(mm)	t(mm)	A(cm2)	W(cm3)	I(cm4)	i(mm)	λ
0	235.6	0	7300	180	8	43.23	178.05	1602.05	60.88	119.91
0	147.5	0	12709	219	8	53.03	269.97	2955.44	74.65	170.24
0	117.2	0	4607	180	8	43.23	178.05	1602.05	60.88	75.68
0	27.4	0	4232	89	4	10.68	21.73	96.68	30.09	140.66
0	256.3	0	7398	180	8	43.23	178.05	1602.05	60.88	121.52

位移  

塔架拉索点最大位移43.4mm，塔架在该点高39米。  

43.4/39000=1/898<1/400  

所以通过结构计算分析，塔架拉索点最大位移满足设计要求。  

五、斜支撑结构立柱的受力特点与力学计算及应对措施

膜结构演艺广场一周由七根斜撑立柱环绕支撑膜结构骨架。斜撑立柱为单立柱结构，单立柱通过支撑桁架与主拱连接，形成一个稳定的结构体系。斜撑立柱一方面起到支撑稳固膜结构骨架的作用，另一方面通过细节的处理又具有了美观性。

六、张拉膜结构杆件的受力特点及应对措施  

张拉膜结构的杆件，弦杆为刚接杆件，腹杆不能保证其在力的作用下不与弦杆发生转动位移，所以将腹杆进行单元释放，腹杆只受到轴向的拉伸和压缩，这与实际的受力情况一致。  

七、膜材的选型与技术参数设定  

PVC膜材在材料及加工上都比PTFE膜便宜，且具有材质柔软，易施工的优点。但在强度、耐用年限、防火性等性能上较PTFE膜差。PVC膜材是由聚脂纤维织物加上PVC涂层（聚氯乙烯）而成，一般建筑用的膜材，是在PVC涂层材的表面处理上，涂以数micron厚的压克力树脂(acrylic)，以改善防污性。但是，经过数年之后就会变色、污损、劣化。一般PVC膜的耐用年限，依使用环境不同在5~8年。为了改善PVC膜材的耐侯性，近年来已研发出以氟素系树脂于PVC涂层材的表面处理上做涂层,以改善其耐侯性及防污性的膜材。    

PTFE膜（PTFE Coated Fiberglass）。PTFE膜是在超细玻璃纤维织物上，涂以聚四氟乙烯树脂而成的材料。PTFE膜最大的特微就是耐久性、防火性与防污性高。但PTFE膜与PVC膜比较，材料费与加工费高，且柔软性低，在施工上为避免玻璃纤维被折断，须有专用治工具与施工技术。

耐久性：涂层材的PTFE对酸、硷等化学物质及紫外线非常安定，不易发生变色或破裂。玻璃纤维在经长期使用后，不会引起强度劣化或张力减低。膜材颜色一般为白色、透光率高，耐久性在25年以上。  

防污性：因涂层材为聚四氟乙烯树脂，表面摩擦系数低，所以不易污染，可藉由雨水洗净。 防火性：PTFE膜符合近所有国家的防火材料试验合格的特性，可替代其它的屋顶材料做同等的使用用途。PTFE膜材虽然成本比较高，单综合性能及耐久性比较优越，为了和我们的项目相适应，最终选择PTFE膜材。

八、中间大桁架结构杆件受力特点及应对措施  

中间大桁架结构的杆件，弦杆为刚接杆件，腹杆不能保证其在力的作用下不与弦杆发生转动位移，所以将腹杆进行单元释放，腹杆只受到轴向的拉伸和压缩，这与实际的受力情况一致。  

九、大结构立柱受力特点及应对措施  

结构大立柱约45米高，采用钢结构桁架加工制作，为了减小对基础的弯矩作用，柱脚采用交接节点制作，这样对基础只产生轴力作用。由于塔架较高，对位移控制要求较高，所以必须增大其刚度，以保证位移能符合规范的要求。  

大结构立柱同时受到轴向弯矩、轴力和剪力，为了保证在力的作用下结构不影响正常使用及发生破坏，将立柱柱脚设置成刚接柱脚，为了和建筑外形呼应，将设计的截面适当放大，这样既保证了建筑的外形，也为结构提供了更多的安全余量。