一種適合建筑的新材料的出現(xiàn)，必然引建筑結(jié)構(gòu)的革命，如歷史上的混凝土和鋼材，70年代以來，以歐美為中心發(fā)展起來的新型織物膜材，也是如此，用這種優(yōu)良的織物，輔以柔性或鋼性支撐，可繃成一個曲率互反，有一定剛度和張力的結(jié)構(gòu)體系。這種全新的建筑結(jié)構(gòu)形式，集建筑學、結(jié)構(gòu)力學、材料學與精細化工、計算機技術(shù)等為一體，具有以下優(yōu)秀的特點：
　　1、造型的藝術(shù)性。它既能充分發(fā)揮建筑師的想象力，又能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件清晰受力之類。
　　2、良好的自潔性。膜建筑中采用具有防護涂層的膜材，可使建筑具有良好的自潔效果，同時保證建筑的使用壽命。
　　3、施工的快捷性。膜建筑工程中所有加工和制作均在工廠內(nèi)完成，現(xiàn)場只進行半成品組裝，因此施工簡便快捷，施工周期短。
　　4、較好的經(jīng)濟性。由于膜材具有一定的透光率，白天可減少照明強度和時間，因而比較節(jié)約能源，降低了長期使用費用，同時夜間彩燈透射形成的絢爛景觀也能達到很好的廣告宣傳效益。
　　5、 結(jié)構(gòu)自重輕，非常適合于建造大跨度空間結(jié)構(gòu)。

　　膜結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)受力特性大致可分為充氣式膜結(jié)構(gòu)、張拉式膜結(jié)構(gòu)（Tension/Suspension membrane structure）、骨架式膜結(jié)構(gòu)（Frame membrane strcture，Cable dome membrane structure）、組合式膜結(jié)構(gòu)（Compound membrane structure）等幾大類。

膜 應(yīng) 用 領(lǐng) 域：
★ 體育設(shè)施： 體育場、健身中心、游泳館、網(wǎng)球館、籃球館等。
★ 商業(yè)設(shè)施： 商場、購物中心、大型會展場所、餐廳、酒店（挑檐）等。
★ 文化設(shè)施： 展覽中心、劇院、會議廳、博物館、植物園、水族館、音樂廣場等。
★ 交通設(shè)施： 機場、火車站、公交車站、收費站、碼頭、加油站、天橋連廊等。
★ 工業(yè)設(shè)施： 工廠、倉庫、科研中心、處理中心、溫室、物流中心等。
★ 景觀設(shè)施： 建筑入口、標志性建筑或景觀性小品、廣場休閑區(qū)、海濱娛樂休閑建筑、居住小區(qū)、游樂場、步行街、停車場、樓宇屋頂改造更新等。　

與膜結(jié)合的結(jié)構(gòu)大約有下述幾類:

純鋼拱形結(jié)構(gòu)

采用傳統(tǒng)的梁柱系統(tǒng)，屋頂為圓拱式，柱梁間距一般為8m左右。 

混凝土結(jié)構(gòu)主體加鋼拱

以上兩種最簡單的膜結(jié)構(gòu)，依平面的形狀，如方形、菱形等，可有許多變化，拱的間距依使用的膜材強度、設(shè)計荷載、風力等確定。 

混凝土主體結(jié)構(gòu)加鋼索

脊素為上彎，位于膜布下面，谷索為下彎，位于膜上面。兩種鋼索的彎向相反張拉后造成相反方向的垂直力，使膜市受到垂直方向的張力，膜布中水平方向的張力直接張拉形成。 

混凝土主體結(jié)構(gòu)加鋼柱 

張拉式帳篷膜結(jié)構(gòu) 

大型（跨度在200m以上）氣撐式膜結(jié)構(gòu)

用扁鋼作的鋼索加上膜布，可以做成大跨度的巨型屋頂。這種建筑，結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，經(jīng)濟效益高，無需維修。但因需常年維持封閉，進出較不便，現(xiàn)己不再新建，但仍不失為一種好的結(jié)構(gòu)形式。由于膜結(jié)構(gòu)需要精確的設(shè)計及剪裁，以達到理想的效果，大衛(wèi)、蓋格和哥倫比亞大學的同僚邁克、馬克麥克和約塞夫、賴特共同開發(fā)了非線性鋼索計算程式，為氣撐式大型膜屋頂工程設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。自1973年至1978年，在世界各地一連建造了12座氣撐式膜結(jié)構(gòu)大型室內(nèi)體育館，與同時期落成的其他球場比較，這些膜結(jié)構(gòu)的體育館不但價格便宜，而且施工快。面積40000m2的銀頂球場的屋頂只用了11.5個月即全部完成。為世界最大之室內(nèi)體育館。 

鋼索穹頂

1980年左右，蓋格先生又創(chuàng)造了使用永久性結(jié)構(gòu)膜的新技術(shù)，這種新技術(shù)是基于工程哲學家巴克明斯特．富勒的理論。富勒認為現(xiàn)代的結(jié)構(gòu)都是在對抗地心吸引力，不斷地爭取壓力的連續(xù)性，但自然界并非如此。這是一項看似平淡，實則非常智慧的哲理，1983年他發(fā)表的文章中建議在結(jié)構(gòu)上逐步減少壓力的影響，而增加張力的作用，富勒將他的新觀念命名為“張力式”,英語是張力（Tension）和完整(Integrity）二字的合成。在這種理想的結(jié)構(gòu)中“壓力桿件是張力大海中的一個小島”。蓋格先生對富勒的哲理，則有更進一步的解釋，他認為“空間的跨越是由連續(xù)的張力索和不連續(xù)的壓力桿”完成的。在這一理論基礎(chǔ)上，他提出鋼索穹項由以下桿件組成：中央張力環(huán)經(jīng)由數(shù)目為四的倍數(shù)的脊索、環(huán)索、中繼斜拉索、壓力桿和斜拉索而到達壓力環(huán)梁，形成一個完整封閉的張力拱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。 

現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的新發(fā)展

　　一、 概述

　　空間結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)的形態(tài)呈三維狀態(tài)，在荷載作用下具有三維受力特性并呈空間工作的結(jié)構(gòu)。平板網(wǎng)架、網(wǎng)殼以及懸索結(jié)構(gòu)等空間結(jié)構(gòu)在我國得到了廣泛的應(yīng)有，已為人們所熟悉�？臻g結(jié)構(gòu)與平面結(jié)構(gòu)相比具有很多獨特的優(yōu)點，國內(nèi)外應(yīng)用非常廣泛。特別是近年來，人們生活水平不斷提高，工業(yè)生產(chǎn)、文化、體育等事業(yè)不斷進步，大大增強了社會對空間結(jié)構(gòu)尤其是大跨度高性能空間結(jié)構(gòu)的需求。而計算理論的日益完善以及計算機技術(shù)的飛速發(fā)展使得對任何極其復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計成為可能。這些正是空間結(jié)構(gòu)能夠擴大應(yīng)用范圍得以蓬勃發(fā)展的主要因素。近幾十年來，世界上建造了成千上萬的大型體育館、飛機庫、展廳，采用了各類空間結(jié)構(gòu)，展示著優(yōu)美的造型，成為一道道風景。更有無數(shù)的廠房、倉庫等采用空間結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了經(jīng)濟、合理的完美統(tǒng)一。

　　目前空間結(jié)構(gòu)向著輕量、大跨方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢要求必須千方百計降低結(jié)構(gòu)自重，降低結(jié)構(gòu)自重的途徑一方面是研制運用輕質(zhì)高強的新型建筑材料，另一方面是研究開發(fā)合理的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)受拉部位采用膜材或鋼索，受壓部分采用鋼或鋁合金構(gòu)件，這樣膜、索、桿結(jié)合使用，形成雜交結(jié)構(gòu)，可望實現(xiàn)理想的輕量大跨結(jié)構(gòu)。

　　張拉整體結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)是降低結(jié)構(gòu)自重的較理想的結(jié)構(gòu)體系，可跨越很大的跨度。目前跨度已做到200m左右。這兩種結(jié)構(gòu)我美國和日本發(fā)展最快，建造了很多大型工程。

　　另外適應(yīng)全天候氣候條件的開合結(jié)構(gòu)、施工便捷的折疊結(jié)構(gòu)，以及外觀華麗扌度結(jié)構(gòu)等也都有屬于現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)新發(fā)展的課題。國外已有很多的工程應(yīng)用。下面對前面提到的幾種空間結(jié)構(gòu)分別予以論述。

　　二、張拉整體結(jié)構(gòu)

　　“張拉整體”（Tensegrity）概念是美國著名建筑師富勒（R.B.Fuller）的發(fā)明，這旨“張拉”（tensile）和“整體”（integrity）的縮合。一社概念的產(chǎn)生受到了大自然的啟發(fā)。富勒認為宇宙的運行是按照張拉一只析原理進行的，即萬有引力是一個平衡的張力網(wǎng)，而各個星球是這個網(wǎng)中的一個個孤立點。按照這個思想張拉整體結(jié)構(gòu)可定義為一組不連續(xù)的受壓構(gòu)件與一套連續(xù)的受拉單元組成的自支承、自應(yīng)力的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的剛度由受拉和受壓單元之間的平衡預(yù)應(yīng)力提供，在施加預(yù)應(yīng)力之前，結(jié)構(gòu)幾乎沒有剛度，并且初始預(yù)應(yīng)力的大小對結(jié)構(gòu)的外形和結(jié)構(gòu)的剛度起著決定性作用。由于張拉整體結(jié)構(gòu)固有的符合自然規(guī)律的特點，最在限度地利用了材料和截面的特性，可以用盡量少的鋼材建造超大跨度建筑。

　　對于張拉整體結(jié)構(gòu)的研究開始于40多年前，從最初的設(shè)想到工程實踐大約經(jīng)歷了以下幾個階段：想象和幾何學、拓撲和圖形分析、力學分析及試驗研究。其中力學分析包括找形、自就歷程準則、工作機理工科穩(wěn)步力作用下的性能等。張拉整體結(jié)構(gòu)的幾何形狀同時依賴于構(gòu)件的初始幾何形狀、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)（拓撲）及形成一定剛度的自應(yīng)力的存在。另外這種結(jié)構(gòu)在外力作用下的變形（與自應(yīng)力的效果不同）也提出了其它結(jié)構(gòu)問題，首先它屬于臨界類體系，結(jié)構(gòu)在外荷載過程中剛度不斷發(fā)生變化，傳力途徑也就隨之改變；其次這種結(jié)構(gòu)只能在考慮了幾何非線性甚至材料非線性時才能分析。

　　從50年代起，許多研究工作者都采用了靠想象的實用方法，如斯耐爾森（K.Snelson）的雕塑及莫瑞挪（Moreno）的設(shè)想等。最重要的幾何學上的工作是由富勒和埃墨瑞赤（D.G.Emmerich）完成的。加拿大的結(jié)構(gòu)拓撲研究小組在形態(tài)學方面做了最重要的工作，他們出版的雜志包括了許多張拉整體體系拓撲方面的文章，但這些研究都是數(shù)學上的，在三維空間上工程應(yīng)用的研究也只為警告設(shè)計者們?nèi)菀壮霈F(xiàn)的不穩(wěn)定方案。在大多數(shù)情況下，張拉整體多面體幾何的構(gòu)成特性使得圖形理論可以用來模型化它們的拓撲。

　　張拉整體的找形分析為的是使體系的幾何形式滿足自應(yīng)力準則。對于一個基本單元，可以用一種簡單的靜力方法來獲得自應(yīng)力幾何，其原則包括尋找一個或一套元素的最大或最小和度，同時得到其它元素的尺寸條件。佩里哥瑞挪（S.Pellegrino）建議了用一種標準非線性程序解決這一問題的方法。而一個基于虛阻尼的動力松馳方法也得到了同樣的結(jié)果。

　　張拉整體結(jié)構(gòu)的力學分析類似于預(yù)應(yīng)力鉸節(jié)點索桿網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，除了一些特殊的圖形外，都含有內(nèi)部機構(gòu)，呈現(xiàn)幾何柔性。為了研究的目的，除了一般的找形和靜動力分析過程外，有時還用到一個中間過程：穩(wěn)定性、機構(gòu)及預(yù)應(yīng)力狀態(tài)的研究。張拉整體體系的分析模型必須考慮非線性特性和平衡自就歷程的存在。莫赫瑞（Mohri）說明了如何保證適當?shù)淖詰?yīng)力及單元的剛度，還給出了識別與索提供的剛度相一致的自應(yīng)力狀態(tài)的算法。張拉整體結(jié)構(gòu)的靜力性能的非線性分析已經(jīng)完成，其模型基于松馳原理或牛頓-拉夫遜型過程的矩陣追趕法原理，有人也做了動力松馳的模型。

　　斯耐爾森的極具藝術(shù)性的雕塑是體現(xiàn)富勒張拉整體思想的最早嘗試。這之后富勒、埃墨瑞赤、瓦爾耐（O.Vilnay）、莫特羅（R.Motro）、漢納（A.Hanaor）等創(chuàng)造了多種張拉整體結(jié)構(gòu)體系。目前在世界很多地方都有建造了藝術(shù)品性質(zhì)的張拉整體結(jié)構(gòu)，如法國的公園雕塑、華沙國際建筑聯(lián)合會前的自張拉空間填充體、荷蘭國家博物館前覆蓋的四棱柱張拉整體單體以及1958年富勒為布魯塞爾博覽會設(shè)計的一個有表現(xiàn)力的張拉整體桅桿等。

　　美國已故著名工程師蓋格爾（D.H.Geiger）為張拉整體思想的發(fā)展做出了極大貢獻。他在富勒創(chuàng)造的富勒張拉整體穹頂?shù)幕�礎(chǔ)上，發(fā)明了支承于周邊受壓環(huán)梁上的一種索桿預(yù)應(yīng)力張拉整體穹頂體系，即索穹頂，從而使得張拉整體的概念首次應(yīng)用到大跨度建筑工程中。1986年以他的名字命名的蓋格爾公司將索穹頂結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用于漢城奧運會的體操館（D=119.8m）和擊劍館（D=89.9m）。之后又相繼建成了美國伊利諾斯州大學的紅鳥體育館（橢圓91.4m×76.8m）及佛羅里達州的太陽海岸穹頂（D=210m）。1992年在美國建造了世界上最大的索穹頂體育館—喬治亞穹頂（Georgia Dome），它是1996年亞特蘭大奧運會的主體育館，平面為橢圓形（193m×240m），這種雙曲拋物面型張拉整體索穹頂?shù)暮匿摿可俚昧钊穗y以置信，還不到30㎏/㎡.應(yīng)該看到蓋格爾發(fā)明的張拉整體索穹頂結(jié)構(gòu)源于富勒的張拉整體思想，屬于張拉整體體系的范疇，但由于它還沒有完全實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自支承、自應(yīng)力的原則，離開下部受壓環(huán)梁則不能成立，故而可以說徹底的大跨度張拉整體結(jié)構(gòu)還沒有建成。因此對于張拉整體結(jié)構(gòu)無論在理論分析方面還是施工技術(shù)及建筑材料方面都還有很多工作要做。

　　三、膜結(jié)構(gòu)

　　膜結(jié)構(gòu)（Membrane）是20世紀中期發(fā)展起來的一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式，是由多種高強薄膜材料（PVC或Teflon）及加強構(gòu)件（鋼架、鋼柱或鋼索）通過一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生一定的預(yù)張應(yīng)力以形成某種空間形狀，作為覆蓋結(jié)構(gòu)，并能承受一定的外荷載作用的一種空間結(jié)構(gòu)形式。膜結(jié)構(gòu)可分為充氣膜結(jié)構(gòu)和張拉膜結(jié)構(gòu)兩大類。充氣膜結(jié)構(gòu)是靠室內(nèi)不斷充氣，使室內(nèi)外產(chǎn)生一定壓力差（一般在10㎜～30㎜水柱之間），室內(nèi)外的壓力差使屋蓋膜布受到一定的向上的浮力，從而實現(xiàn)較大的跨度。張拉摸結(jié)構(gòu)則通過柱及鋼架支承或鋼索張拉成型，其造型非常優(yōu)美靈活。

　　膜結(jié)構(gòu)所用膜材料由基布和涂層兩部分組成�；�布主要采用聚酯纖維和玻璃纖維材料；涂層材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材為聚酯纖維覆聚氯乙烯（PVC）和玻璃纖維覆聚聚四氟乙烯（Teflon）。PVC材料的主要特點是強度低、彈性大、易老化、徐變大、自潔性差，但價格便宜，容易加工制作，色彩豐富，抗折疊性能好。為改善其性能，可在其表面涂一層聚四氟乙烯涂層，提高其抗老化和自潔能力，其壽命可達到15年左右。Teflon材料強度高、彈性模量大、自潔、耐久耐火等性能好，但它價格較貴，不易折疊，對裁剪制作精度要求較高，壽命一般在30年以上，適用于永久建筑。

　　世界上第一座充氣膜結(jié)構(gòu)建成于1946年，設(shè)計者為美國的沃爾特。勃德（W.Bird），這是一座直徑為15的充氣穹頂。1967年在德國斯圖加特召開的第一屆國際充氣結(jié)構(gòu)會議，無疑給充氣膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展注入了興奮劑。隨后各式各樣的充氣膜結(jié)構(gòu)建筑出現(xiàn)在1970年大阪世界博覽會上。其中具有代表性的有蓋格爾設(shè)計的美國館（137m×7m8卵形），以及川口衛(wèi)設(shè)計的香腸形充氣構(gòu)件膜結(jié)構(gòu)。后來人們認為70年大阪博覽會是把膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)地、商業(yè)性地向外界介紹的開始。大阪博覽會展示了人們可以用膜結(jié)構(gòu)建造永久性建筑。而70年代初美國蓋格爾-勃格公司（Geiger-Berger Associates）開發(fā)出的符合美國永久建筑規(guī)范的特氟隆（Teflon）膜材料為膜結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于永久、半永久性建筑奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。之后，用特氟隆材料做成的室內(nèi)充氣式膜結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)在大中型體育館中，如1975年建成的密歇根州龐蒂亞克“銀色穹頂”（橢圓形220×159m），1988年建成的日本東京體育館（室內(nèi)凈面積4，6767㎡，）。

　　張拉形式膜結(jié)構(gòu)的先行者是德國的奧托（F.Otto），他在1955年設(shè)計的張拉膜結(jié)構(gòu)跨度在25m左右，用于聯(lián)合公園多功能展廳。由于張拉膜結(jié)構(gòu)是通過邊界條件給膜材施加一定的預(yù)張應(yīng)力，以抵抗外部荷載的作用，因此在一定初始條件（邊界條件和應(yīng)力條件）下，其初始形狀的確定、在外荷載作用下膜中應(yīng)力分布與變形以及怎樣用二維的摸材料來模擬三維的空間曲面等一系列復(fù)雜的問題，都需要有計算來確定，所以張拉膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展離不開計算機技術(shù)的進步和新算法的提出。目前國外一些先進的摸結(jié)構(gòu)設(shè)計制作軟件已非常完善，人們可以通過圖形顯示看到各種初始條件和外荷載作用下的形狀與變形，并能計算任一點的應(yīng)力狀態(tài)，使找形（初始形狀分析）、裁剪和受力分析集成一體化，使得膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計大為簡便，它不但能分析整個施工過程中各個不同結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和膜中應(yīng)力，而且能精確計算由于調(diào)節(jié)索或柱而產(chǎn)生的次生應(yīng)力，完全可以避免各種不利荷載式?jīng)r產(chǎn)生的不測后果。因此計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展為張拉膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。而特氟隆摸材料的研制成功也極大地推動了張拉膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。比較著名的有沙特阿拉伯吉達國際航空港、沙特阿拉伯利雅得體育館、加拿大林德塞公園水族館、英國溫布爾登室內(nèi)網(wǎng)球館、美國新丹佛國際機場等。

　　膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要包括體形設(shè)計、初始平衡形狀分析、荷載分析、裁剪分析等四大問題。通過體形設(shè)計確定建筑平面形狀尺寸、三維造型、凈空體量，確定各控制點的坐標、結(jié)構(gòu)形式，選用膜材和施工方案。初始平衡形狀分析就是所謂的找形分析。由于膜材料本身沒有抗壓和抗彎剛度，抗剪強主芤很差，因此其剛度和穩(wěn)定性需要靠膜曲面的曲率變化和其中預(yù)應(yīng)力來提高，對膜結(jié)構(gòu)而言，任何時候不存在無應(yīng)力狀態(tài)，因此膜曲面形狀最終必須滿足在一定邊界條件、一定預(yù)應(yīng)力條件下的力學平衡，并以此為基準進行荷載分析和裁剪分析。目前膜結(jié)構(gòu)找形分析的方法主要有動力松馳法、力密度法以及有限單元法等。膜結(jié)構(gòu)考慮的荷載一般是風載和雪載。在荷載作用下膜材料的變形較大，且隨著形狀的改變，荷載分布也在改變，因此要精確計算結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力要用幾何非線性的方法進行。荷載分析的另一個目的是一確定索、膜中初始預(yù)張力。在外荷載作用下膜中一個方向應(yīng)力增加而另一個方向應(yīng)力減少，這就要求施加初始張應(yīng)力的程度要滿足在最不利荷載作用下應(yīng)力不致減少到零，即不出現(xiàn)皺褶。因為膜材料比較輕柔，自振頻率很低，在風荷載作用下極易產(chǎn)生風振，導(dǎo)致膜材料破壞，如果初始預(yù)應(yīng)力施加過高，膜材涂變加大，易老化且強度儲備少，對受力構(gòu)件強度要求也高，增加施工安裝難度。因此初始預(yù)應(yīng)力的確定要通過荷載計算來確定。經(jīng)過找形分析而形成的摸結(jié)構(gòu)通常為三維不可展空間曲面，如何通過二維材料的裁剪，張拉形成所需要的三維空間曲面，是整個膜結(jié)構(gòu)工程中最關(guān)鍵的一個問題，這正是裁剪分析的主要內(nèi)容。

膜結(jié)構(gòu)是一種建筑與結(jié)構(gòu)完美結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系。它是用高強度柔性薄膜材料與支撐體系相結(jié)合形成具有一定剛度的穩(wěn)定曲面，能承受一定外荷載的空間結(jié)構(gòu)形式。其造型自由輕巧、阻燃、制作簡易、安裝快捷、能易于、使用安全等優(yōu)點，因而使它在世界各地受到廣泛應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)形式特別適用于大型體育場館、人口廊道、小品、公眾休閑娛樂廣場、展覽會場、購物中心等領(lǐng)