推荐：索膜建筑的找形与工程设计

索膜结构体系起源于远古时代人类居住的帐篷（支杆，绳索与兽皮构成的建筑物）。20世纪70年代以后，高强、
防水、透光且表面光洁、易清洗、抗老化的建筑膜材料的出现，加之工程计算科学的飞速发展，索膜建筑结构
体系东山再起，现已大量用于滨海旅游、博览会、文艺、体育等大空间的公共建筑上。日本东京室内棒球馆
（Tokyo Dome“Big Egg”），美国的丹佛新国际机场候机大厅（Denver’s Tenssile Roof）和亚特兰大奥运
会主馆（Georgia Dome)，英国泰晤士河畔的千年穹顶（The Millennium Dome），均为世界瞩目的、采用索
膜结构体系建成的标志性建筑。此外，索膜材料己开始用于高层建筑结构体系中， 近百米高的阿拉伯饭店
（Arabian Tower Hotel）的设计，其正立面采用双层膜面替代玻璃幕墙。索膜建筑具有易建、易拆、易搬迁、
易更新、充分利用阳光、空气以及与自然环境融合等特长，它是 21世纪“绿色建筑体系”的宠儿。

现代索膜建筑的设计过程是把建筑功能、内外环境的协调、找形和结构传力体系分析、材料的选择与剪裁等集成
一体。借助于计算机的图形和多媒体技术进行统筹规划与方案设计，再用结构找形、体系内力分析与剪裁的软件，
完成索与膜的下料与零件的加工图纸。
索膜建筑的施工过程可分为三阶段：在工厂内完成膜材的剪裁，初始粘合，钢索与膜面现场安装，拼合与初始成
型，张拉定位索与顶升支撑杆对膜面施加预应力达到设计找形值。整个施工都由专业制造公司完成。
目前，在全球范围内索膜建筑无论在工程界还是在科研领域均处于热潮中。索膜建筑的功能和使用领域的不断扩
展，结构跨度或高度不断增大，形体日趋复杂由此引发的建筑与结构工程设计与施工领域中的诸多实际问题，均
亟待工程师们去研究解决。目前，我国的国土与环境建设的高速发展，化工与纺织部正积极研制与生产建筑用膜
材料，均为索膜建筑的应用提供了广阔天地。现将各类索膜建筑的找形分述如下：
1 充气式索膜建筑
充气式索膜建筑分为气撑式与充气胎式两种。气撑式索膜建筑，是依靠送风系统向室内充气（超压）顶升膜面构
成屋盖空间。充气胎式建筑，是由充气的胎式构件围合而成的建筑空间，室内无超压。本文仅介绍气撑式索膜建
筑。
气撑式索膜建筑的覆盖膜面处于张力状态时，合理的体型应是割球弧面（或近似割椭圆球弧面）。弧面的矢跨比
受结构选型、建筑体型和功能的制约。国际充气膜设计规范规定弧面的矢跨比应小于0.75。气撑式膜面应有交叉
的缆索约束其变形，底边嵌固在环形地梁或墙梁上。
日本东京室内棒球馆充气式的索膜结构东京顶，其弧形膜面上的交叉钢缆索与聚四氟乙烯涂层玻璃纤维膜布,在
300PA的室内超压作用下呈现为圆弧膜面。穹顶的平面为边长 180m的正方形,四角为半径60m的内切圆弧，嵌固
在钢筋混凝土的圈梁上。室内棒球馆面积4.6万m2。穹顶的矢跨比为0.124。气撑式膜建筑屋顶的设计荷载应考虑风
和雪的作用,雪载可视为静压,风作用分为风速压（静压）和风振引起的动压。东京穹顶在考虑风雪共同作用时设计
的室内最大超压为 900PA。作为气撑式膜建筑为保持室内的超压，还必须设置膜面融雪系统。棒球场大厅的外门
均做成旋转密闭门。
20世纪80年代后期至今，充气式膜建筑逐渐受到冷遇，其原因为充气膜结构需要不间断的能源供应，运行与维护费用
高，室内的超压使人感到不适，空压机与新风机的自动控制系统和融雪热气系统的隐含事故率高。目前进行的超压环
境下人体的排汗、耗氧与舒适性研究，若得到解决，充气式膜建筑仍有广阔的前景。
2 空间张力膜建筑体系及其基本单元
空间张力膜建筑体系的基本单元为双曲抛物面单元（鞍型单元）和类锥型悬链面单元（帐篷单元）。现代膜工程的开
拓者德国建筑师奥托早期用试验方法把皂泡膜原理应用到膜面结构找形分析中，皂泡中任一点对任意轴的拉应力都相
等，也就是等应力极小曲面。现代计算机软件可直接完成空间曲面结构找形分析。
2．1双曲抛物面单元（鞍型单元）
膜篷基本单元为正方形或棱形的膜布（膜布周边设约束边索），两对角点的高差由设计确定，当对四角张拉时即可找
出双曲抛物面的空间形体，俗称鞍型膜面单元。
世界著名的伯戴尔膜工程公司的入口雨篷是一个稍有变异的鞍型膜面单元。鞍型单元构成的屋盖易于排水，投影下的
建筑空间可充分利用。澳大利亚某休养地中心庭园是用鞍型膜面群建造的遮阳篷，庭园内先竖起等距的钢桅杆，用钢
索定位桅杆后张拉鞍型膜面群，中间张拉力相互平衡，周边由钢索将拉力传至地锚上。 建筑师利用鞍型膜单元的
组合可设计出丰富多彩的建筑形体与空间。德国的一个展览馆庭园内的圆形膜篷是由六个鞍型膜单元环状拼合，中心
设环索，单元膜的外角用桅杆顶起，单元膜拼和的角用钢索拉在地锚上。