空間膜結構

1) 除小跨度結構外，膜結構中的膜材總是與其他構件共同承重。目前，國內外對膜結構的形式有很多種不同分類方法，尚未統一。本規程按膜材及其相關構件的受力方式分成四種形式，是一種比較科學的分類方法。

2) 整體張拉式膜結構主要由索和膜構成，兩者共同起承重作用，通過支承點和錨固點形成整體。

3) 骨架支承式膜結構由鋼構件（如拱、鋼架）或其他鋼性結構起承重作用，膜材主要起圍護作用。

4) 索系支承式膜結構主要由索、桿和膜構成，三者共同起承重作用。在通常所稱的張拉整體（tensegrity）結構中，如採用膜材，即屬於索系支承膜結構。另外比較流行的索穹頂結構（cabledome）也屬於此類。

5) 以空氣作為一種支承方式，是膜結構的一個特點，一般也成為充氣結構，其設計與構造與傳統結構有許多不同之處。

1) 膜結構建築的表現方式與一般建築有所不同，在建築單位方案設計階段，就應充分考慮到不同表現方式的相容與協調，並注意利用膜結構建築技術所具有的形象特點，因勢利導。膜結構建築的方案設計應由建築師與膜結構工程師共同完成。設計時首先應考慮膜結構體系的特殊性，從建築功能和結構受力性能入手，創造出形式完美、構造合理的膜結構建築。

2) 各國對於膜材的耐火等級和防火要求各不相同。一般來說，耐火等級與材料價格直接有關。當有條件時應盡量採用不然類膜材。當永久性建築採用阻燃類膜材時，尚應根據當地消防部門的要求採取必要的防火措施。

3) 結構建築採用的膜材一般均具有透光特性。由於漫射光的作用，膜材覆蓋的空間內將呈現特殊的光學效果（有明顯光感但無陰影），建築設計中應予以合理利用。採用雙層膜構造時，應考慮到透光率的折減。

4) 膜結構建築的保溫隔熱性能較差，目前已廣泛使用的膜材，自身並不能較好的隔絕外部溫度的影響。單層膜結構僅適用於敞開式建築或氣候較溫和的地區。對於封閉式建築，應注意採用其他構造方式解決保溫隔熱問題。雙層膜構造可以較好的滿足保溫、隔熱要求，兩層之間的空氣隔離層一般為30cm左右，但應注意處理雙層膜內部結露問題。

5) 膜結構建築應有足夠的坡度以解決排水問題並預防積雪。屋面排水設計從方案階段就應予重視，一面造成重大工程隱患。採取有組織排水式時，應注意採取對建築物牆面或地面的防污染措施。

6) 從空氣支承膜結構過去發生的事故來看，大部分是在強風或大雪時，膜結構產生大變形而使膜材於內部或外部物體相碰，在接觸點處膜材受到損壞，導致膜結構破壞。因此，膜材與內部、外部物體應保持一定距離，即使在最不利工況下也不應接觸。此外，物體如有尖角、銳角，也應加以防護。

1) 國家標準《建築結構可靠度設計統一標準》GB50068修訂后對結構重要性係數X做了兩點改變：（1）X不僅考慮結構的安全等級，而且考慮了結構的設計使用年限；（2）將原標準X取值中的“等於”改為“不應小於”，使不同投資者對結構安全度設計有更多的選擇餘地。對於一般工業與民用建築膜結構，其安全等級多為二級，其設計使用年限多為50年，因此其結構重要性係數不應小於1.0；對於設計使用年限為15~25年的易於更換膜材的膜結構，其結構重要性係數可適當降低，取為不小於0.95；對於設計使用年限為5年的臨時性的膜結構，其結構重要係數可取不小於0.9.應該指出，膜結構下部的鋼或鋼筋混凝土承重結構，其設計使用年限仍可採用50年，當膜結構達到設計使用年限時，可以更換膜材，從而達到與下部結構同樣的設計使用年限。

2) 本條系根據現行國家標準《建築結構荷載規範》GB50009的規定，對於承載能力極限狀態和正常使用極限狀態，分別根據不同的設計要求採用不同的荷載組合。結合膜結構的具體情況，按承載能力極限狀態設計時，只考慮荷載效應的基本組合，採用荷載設計值和強度設計值進行計算，不考慮偶然組合；按正常使用極限狀態設計時，只考慮荷載效應的標準組合，採用荷載標準值、組合值和變形限值進行計算，不考慮其他組合。

3) 本條列出了作用在膜結構上的各種荷載，其中溫度變化、支座不均勻沉降和施工荷載可根據工程具體情況予以考慮，地震作用在本規程第5.1.5條中規律可不考慮。施工荷載可根據工程安裝的特點確定，有時不僅要考慮均布荷載，還有考慮安裝或檢修時的集中荷載。

4) 目前，我國的膜結構設計都參照國外的設計規範進行，荷載組合採用長期與短期兩種情況（日本規範稱為持久與臨時荷載），並分別規定了不同的安全係數。由於膜結構受力具有較強的幾何非線性，其各項荷載效應不能進行線性組合，因此本條規定採用兩種組合類別，其中，第一類組合相當於長期（持久）荷載組合，第二類組合相當於短期（臨時）荷載組合，並以抗力分項係數進行調節。

5) 風荷載是膜結構的主要荷載。由於膜結構的體型較複雜，而《建築結構荷載規範》GB50009所提供的建築體型有限，所以膜結構的風荷載體型係數一般需要通過風洞試驗來確定。當所設計的膜結構為園林景觀小品或臨時性建築時，可參考以往的工程經驗確定風荷載體型係數。

6) 作為屋面的膜結構多為負高斯曲率曲面，結構上所受的雪荷載一般為非均勻分佈，因此應根據不同的曲面形狀、曲率變化調整雪荷載分佈係數的取值。

7) 膜結構設計中，除了保證結構體系的整體穩定外，還應保證在局部膜片破壞或局部索推出工作時不致引起結構整體失效。由於膜材在拉力作用下存在鬆弛、徐變等問題，張拉式膜結構在正常使用1~2年後需要進行第二次張拉，結構設計時應考慮兩次張拉對結構整體的影響。

8) 由於材料自身存在老化問題，各類膜材均有一定的使用年限。對於永久性建築，當膜材達到使用年限或部分膜片在使用期間出現破損時，需要進行更換，這一點在結構整體設計時宜予以考慮。

2. 膜材

1) 膜材的物理和化學性能對建築物的適用性壽命影響甚大，因此應根據使用功能合理選擇膜材類型。膜材的抗拉強度、抗撕裂強度、抗剝離強度、抗污染和抗老化能力等是反映膜材性能的只要指標，設計時應予以綜合考慮做出適當選擇。膜材的價格與其性能直接有關，表1表示常用膜材的價格比例。

表1常用膜材的價格比對

本規程將常用膜材按其基材分為G類（玻璃纖維）和P類（聚酯纖維）兩大類，再按其不同塗層分別給予代號。

2) 本條根據當前國內外生產廠所提供的膜材品種，按其抗拉強度一級相應的重要與厚度加以分級，以便在設計中選用。表4.1.2-1、表4.2.2-2分別給出了G類和P類各級膜材的抗拉強度值，在設計中可作為抗拉強度標準值採用。本規程採用以概率理論基礎的極限狀態設計方法進行設計，但由於對膜材的強度尚無條件進行數理統計，因此表中的數值還不是經過統計而得的保證率為95%的抗拉強度標準值。當生產廠有條件對其膜材產品提供具有95%保證率的抗拉強度統計數據時，在設計中允許採用高於表4.1.2-1、表4.2.2-2規定的數值作為抗拉強度標準值。

3) 由於傳統的影響，膜材生產廠對其所生產膜材提供的質量保質期都偏低，實際上膜材的可使用年限均大於其質量保質期。表中，膜結構的設計使用年限是根據實際工程投入使用的經驗匯總而得。

2. 拉索和錨具

1) 拉索有多種鋼索可拱選擇。熱擠聚乙烯高強鋼絲索是由若干高強度鋼絲併攏經大節距扭絞、繞包，且在外皮擠包單護層或雙護層的高密度聚乙烯而形成，在重要工程中宜優先考慮採用。

2) 目前橋樑等設計中鋼索的抗拉能力是以容許承載力來表達的，採用單一安全係數K。本規程按國家標準《建築結構設計統一標準》GB50068採用的以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，以多項係數代替了單一的安全係數。兩者相比，可以認為過去的單一的安全係數K中包含了鋼索分項係數x、永久荷載和可變荷載分項係數X、X。由於目前尚無足夠的試驗數據來直接統計X值，在制訂本規程時只能按照過去採用的K值結合膜結構所受荷載的特點來反推X值。膜結構中鋼索的安全係數K取2.5，如恆荷載標準值取X，活荷載標準值取X，可求得X=1.8。表4.2.3中的抗拉強度設計值即由X1.8並取整而得出。由於鋼索在橋樑和懸索結構中是重要承重構件，在傳統上都採用了比較大的安全係數，因此換算所得的X要比一般鋼筋混凝土結構的相應值大。

3. 一般規定

2) 膜結構的計算分析方法很多，目前得到公認並被廣泛應用的主要有三種：非線性有限元法、動力鬆弛法和力密度法。

3) 非線性有限元法是將膜結構進行有限元離散，採用大μ移小應變的幾何非線性有限元方法對膜結構進行分析，得到的結構的位移和內力。

4) 動力鬆弛法是將膜結構離散為節點和節點間的連接單元，通過對各節點施加激振力使之產生振動，然後逐步跟蹤各點的振動過程直至最終求得結構平衡狀態。

5) 力密度法是將膜結構離散為由結點和桿件組成的索網結構，在給定的幾何拓撲、支座位置和力密度值（即索力與索長之比）下，通過求解結點坐標的線性方程組來確定結構的變形。

6) 膜結構中的索、膜構件只能承受拉力、不能承受壓力和彎矩作用，對外荷載的抵抗主要通過變形來實現，因而膜結構在外荷載作用下變形較大，計算時應考慮結構的幾何非線性。膜材是非線性材料，其應力應變曲線在應力較大時變化較大，但通常設計應力比斷裂強度小的多，此時可近似認為膜材是線彈性的。

7) 由於支承結構變形對膜結構內力分佈影響較大，故膜結構設計時宜考慮膜與支承結構協同工作。對於骨架支承式膜結構，由於支承結構為鋼性體系（如鋼桁架、拱或網架等），變形較小，故計算時可將膜與鋼性骨架連接處近似視為固定支承邊界。對於其他形式的膜結構，計算時應將膜與支承體系一起進行整體分析。

8) 膜結構自重較小，地震對結構的影響也較小，故設計時可不考慮地震作用，單地震對支承結構（包括骨架支承式膜結構的承重骨架）的影響應予考慮。

4. 初始形態分析

1) 在膜結構初始平衡曲面內預張力是自相平衡的。膜結構的平衡曲面可分為兩類：等應力曲面和非等力曲面。等應力曲面是指膜面內預張力均勻分佈，此時膜面面積最小（即最小曲面）。非等應力曲面是指膜面內預張力不均勻分佈單自相平衡。膜結構初始形態分析宜首先尋找應力均勻的最小曲面，在最小曲面不存在的情況下再尋找應力不均勻的平衡曲面。

2) 膜結構的形態分析實際上是確定結構中預張力大小和分佈的過程。預張力值的設定應保證膜材在正常使用形態下不會因溫度、徐變和荷載作用等而發生鬆弛，並應保證膜材在極端氣候條件下最大應力小於設計應力，同時應考慮結構張拉的實現和安裝方便。

3) 本條給出的初始預張力最小值，是參考國內外膜材應力應變試驗結果和工程經驗提出的。

5. 荷載效應分析

1) 當膜結構在荷載作用下產生較大應力或變形時，應返回初始形態確定階段對膜結構進行調整。通常可調整初始預張力大小和分佈、調整結構外形或增加加強數量等。

2) 膜結構自重較小，屬風敏感結構，在風荷載作用下易產生較大的變形和振動。對膜結構風振過程的研究，目前尚處於起步階段，可借鑒的資料較少。膜結構形態各異，很難用統一的風振動力係數來描述，因此對形象負複雜、跨度較大或重要的建築物，必須進行風振動力分析或進行氣彈性模型風洞試驗，以確定風荷載動力影響。對較常用的骨架支承式膜結構和整體張拉式傘形和鞍形膜結構，本規程採用風振係數來考慮結構在風荷載作用下可能的最大影響應與平均風響應之比，便於工程設計應用。

3) 迄今，我國膜結構設計都參照國外規範採用單一安全係數設計方法。

4) 各國對安全係數K的取值不盡相同：大多數國家都按短期荷載和長期荷載取值，其值分別在3~4和6~8的範圍內。如美國的安全係數取3~8；日本臨時（短期）荷載下取4，持久（長期）荷載下取8.我國今年來在工程設計中也分別採用4與8.計算結構抗力時所採用的材料強度值則與膜材強度平均值較為接近。本規程根據國家標準《建築結構可靠度設計統一標準》GB50068的要求給出的膜材強度標準值比過去採用的強度平均值降低約15%。

5) 對於體育場看台挑蓬一類的整體張拉式膜結構，其整體位移可定義為內環的最大位移；對於索系支承式膜結構，其整體位移可定義為跨中最大位移。膜結構在荷載效應分析時的膜單元，是指由柔性索邊界或鋼性邊界圍起的一片膜。膜單元名義尺寸，對於三角形膜單元可定義為最小變長的2/3;對於四邊形膜單元可定義為通過最大位移點的邊界間的最小跨度。

6) 出現鬆弛將降低膜結構的剛度，在風荷載作用下易發生劇烈振動，甚至導致膜材撕裂。此外鬆弛還將影響結構的美觀和排水性能。因此，應盡量避免膜材在正常使用狀態（第一類荷載效應組合）下出現鬆弛。

7) 索是膜結構中的重要受力構件，一旦處於受壓狀態，就有可能導致結構變為機動體，因此規定，索在第一類荷載效應組合下均應處於受拉狀態。

6. 裁剪分析

1) 裁剪分析的目的是確定裁剪線和裁剪片，以便在併攏張拉后實現初始狀態下的膜曲面，所以，裁剪分析應根據初始狀態的膜曲面和預張力進行。通過初始形態分析可以確定膜曲面的形狀。該曲面是由一定幅寬的膜材，經過裁剪程膜片，並相互連接后張拉而成。膜曲面上的膜片間的連接線為裁剪線。裁剪膜片是待求平面，而膜曲面上的膜片是空間的，並且在裁剪線確定后是已知的，所以確定平面裁剪膜片的關鍵是如何將已知的空間膜片展開成平面裁剪膜片。實際生成的曲面和形態分析所得的曲面之間的誤差，取決於空間膜片展開成平面的精度。由於膜曲面上的空間裁剪片具有預張力，所以確定平面裁剪片時還必須考慮預張力釋放后的幾何尺寸改變。

2) 膜材的裁剪線可採用測地線法、平面相交法或其他有效的方法確定。測地線法是指在膜結構初始預應力平衡曲面上尋找測地線作為裁剪線。測地線指曲面上兩點之間距離最短的線。對於可展曲面，展開平面上的測地線為直線；對於不可展曲面，展開平面上的測地線接近直線。平面相交法是指在膜結構初始預應力平衡曲面上，用一組平面按一定規律與曲面相交，並將各交線作為裁剪線。測地線線法得到的膜片寬度較為接近，節省膜材，單在曲面上形成的熱合線美觀性和視覺性效果較差。平面相交法可根據需要得到具有美觀性和一定視覺效果的裁剪線。裁剪分析時應綜合考慮經濟性和美觀性兩個因素后確定裁剪。

3) 由於膜材在裁剪線處斷開，故此處易產生應力集中。如果裁剪線處剪應力較大會影響膜材的受力性能，所以應盡量做到裁剪線與膜材纖維正交，使主應力方向與纖維方向一致，避免裁剪線受剪。

4) 膜結構曲面的形成與初始預張力作用有關，裁剪時必須考慮膜材應力釋放后的彈力回縮。通常根據初始預張力大小和所用膜材的性能，通過修正裁剪膜片幾何尺寸（沿徑向和緯向回縮）來消除膜內預張力的影響。

7. 空氣支承膜結構計算要點

1) 空氣支承膜結構是通過保持內部氣壓來維持結構形狀並抵抗外荷載的。同時，內壓又是作用在結構上的荷載，應與其他荷載一起參與組合。內壓是結構設計中的一個可變參數，可以根據外荷載的情況加壓或減壓，以調整結構的剛度和強度。最大工作內壓是指當結構處於不利的外界環境時，如由於積水（雪）造成膜的凹陷，由設計人員為操作人員確定的可以使用的最大內壓。確定最大工作內壓應考慮材料的設計強度、外界荷載類型等多種影響因素。

2) 最小工作內壓是指在正常氣候和使用條件下，保持結構穩定所需的最小壓力值。當恆荷載被分散到一定的影響區域時，最小工作內壓應超過單位面積上恆荷載的最大值。

3) 正常工作內壓是由設計人員確定的一個壓力範圍，在正常工作內壓下，結構在常遇荷載作用下能夠保持穩定。正常工作壓力應根據使用情況和進出情況，在最小工作內壓至最大工作內壓之間變化。在公共聚會場所，為保證環境的舒適度，應適當減小出入口處的風速和作用在門上的壓力，工作內壓不宜超過287Pa。對主要用於倉儲的場所，當車輛進出時工作內壓值可以取大一些，以保證結構的穩定性。

4) 錨固體系應根據結構的性質（臨時性、辦臨時性或永久性）選擇。基礎錨固體系在拉力或浮力作用下易產生短期和長期徐變，從而使上部結構體系和基礎錨固體系間產生不確定的附加荷載作用。應認真設計空氣支承膜結構的所有錨固構件。

5) 出入口處的門框與周邊的膜應分別設計，以保證門框不受到膜結構變形的影響。此外門框與膜的連接，應做到在門框結構受荷載變形時不會使周邊的膜產生過大的應力。

膜材的裁剪、熱合是膜結構加工製作過程的重要環節，應嚴格按照裁剪設計圖紙和工藝文件進行，無設計變更文件時不得隨意更改。一般來講，P類和G類膜材的熱合設備不能混用。目前，我國尚無膜結構加工製作人員的統一培訓、考核標準，各企業應自行組織培訓和考核。

即使是同一品牌、同一型號的膜材，對不同的生產批次，一般也有不同程度的色差和不均質。因此，建議同一工程使用同一批號的膜材。

易褪色物品或有害於膜材的化學溶劑，對膜材會有一定損傷，應分開存放。

灰塵會造成熱合設備在膜材熱合時打火、燒焦或擊穿膜材，因此，整個加工製作過程應保持清潔。

有些膜材的表面塗層，如不經處理而直接搭接熱合，連接強度將會受到影響，因此，鼻血將表面塗層打磨後方可熱合。此時，應注意打磨不得損傷膜材，一面影響熱合處的拉伸強度。

7.0.7 由於G類膜材的變形性能弱於P類膜材，故對前者熱合后膜單元的尺寸偏差要嚴格控制。

7.0.8 受熱合溫度影響，膜材可能會收縮變形，因此應注意工藝要求，以保證熱合后均勻平整。

7.0.10 包裝時，P類膜材可以採用摺疊方式，G類膜材宜採用卷裝方式。為便於膜單元現安裝，摺疊或卷裝的順序宜與施工時的展開方向相反。

7.0.12 鋼絲繩下料前應進行預張拉，以消除非彈性變形。熱擠聚烯高強鋼絲束和鋼絞線，在出場時一般已進行過預張拉。

膜結構設計時，圖紙中標註的鋼索長度一般為預張拉后尚無尺寸，在索製作時應予注意。

6.1 一般規定

6.1.7 膜結構中的金屬連接件直接與膜材相連，易受外界影響而鏽蝕，不但易污染膜材，影響美觀。而且往往會引起截面削弱而產生安全隱患，因此，全部金屬連接件均應進行防腐處理。

6.1.8 膜材對缺陷比較敏感。若膜材中存在小孔、裂紋等缺陷，膜材強度將有較大降低。在膜材與支承骨架相連處的毛刺、尖角、尖點將使該處出現應力集中。對膜材塗層的擦傷也會影響膜材的使用壽命。

6.2 膜材的連接

6.2.1 膜結構的空間曲面是由許多平面膜材經裁剪設計搭界而成，膜材幅寬較小，因此膜片間需經接縫連接。膜材接縫的連接應根據不同膜材選用不同的方式。粘結結合耐久性較差，不宜採用。縫合和機械連接方式易造成截面削弱，使用時應予注意。膜材的主要受力接縫宜採用熱合方法連接。

6.2.5 當膜面跨度較大時可採用拉索進行加強。常用的拉索主要有鋼絲拉束、鋼絞線、鋼絲繩等。為美觀與防腐需要也可採用鍍鋅鋼絲繩、不鏽鋼纜繩、鋼棒等。不論採用何種鋼索都應滿足結構受力的輕度要求。

6.3 膜材與支承骨架、鋼索、邊緣構件的連接

6.3.2 膜材與鋼索可以單邊或雙邊連接。簡單的連接方法是將鋼索穿入與膜材熱合的邊套中。對重要工程，可採用鋁合金或不鏽鋼夾板和連接件來連接膜材與鋼索。

6.3.3 當膜材直接連接於鋼性邊界上時，應盡量避免出現直角或銳角的邊界形狀，以減少安裝難度，並避免產生應力集中。

6.4 鋼索及其端部連接

夾具是節點中用以固定鋼索的主要部件，可採用鋁合金、不鏽鋼、熱鍍鋅鋼等材料。夾具主要通過高強螺栓等用上下兩塊夾板鋼索夾緊。

鋼索錨固是膜結構中傳力的重要環節。壓接式連接件是握裹式錨具中的主要形式。通常採用鋁合金或其他高強材料做成索套，在高壓下壓成形，主要用於直徑較小的柔性鋼索。澆鑄式連接件分冷鑄和熱鑄兩種。冷鑄錨具是將鐵屑和環氧樹脂攪拌后澆鑄入錨杯，與鋼絲凝固后形成毛塞。熱鑄錨具是採用低熔點的合金進行澆鑄，早期採用的是鉛鋅合金，現在通常採用巴氏合金，這種錨具主要用於錨固高強鋼絲束。

膜結構竣工后要十分重視圍護和保養，以保證正常使用，這與一般建築物是不同的。在竣工后的一段時間內，製作安裝單位應負責檢查和圍護，並向使用單位提供保養圍護手冊。膜結構的長期維修和保養應有專人負責。

空氣支撐膜結構應始終保持設計的工作內壓，其目的是保證建築結構的穩定性，並防止在大風或積雪下過度變形

鋼構件、拉索安裝

現場應具備的安裝條件包括：支撐結構已完成施工，混凝土達到設計強度要求；具備構件堆放和組對場地；具備吊車出入通道和支弔場地等。

膜結構是一種整體空間結構體系，支撐位置的準確性會直接影響結構體系中的內力分佈。為使工程與設計假定相一致，必須嚴格控制支撐結構和預埋件的尺寸偏差。

膜單元安裝

為使膜單元保持清潔，應避免土建施工時引起的揚塵和外裝飾工程中使用的塗料對膜面造成污染。膜結構安裝時應注意安全，除8.2.6條指出的安裝時的氣象條件外，對保證安全的設施、施工人員的安全裝備和注意事項，應由施工單位制定具體的措施。

膜單元在地面或高空作業平台上展開前，應先清潔地面或平台並鋪設保護膜。在空中展開或吊裝膜單元時，應避免吊點受力過大造成膜材撕裂。

所採取的臨時固定措施應能抵抗施工期間可能發生的強風，還應使膜面不積水。

施加預張力

設置可調部件是為了適應製作和安裝誤差。可調部件上應有設計位置的標示。

確定施力位置時應注意以下各點：通過該點應能將力均勻傳遞至周邊各點，不致有死角；受力部件的力值不宜過大；便於整個結構體系安裝；掌握施力機具的人員易於操作。

確定施力點位移量時應注意便於索膜安裝，要適當留有餘量，以消除整個結構體系積累的誤差。

在施力點檢測力值是檢查工程施工結果與設計假定吻合程度的重要手段，但目前尚不能普遍實行，只能對有代表性的施力點進行力值抽檢。

膜結構、鋼構件、索等在製作、安裝過程中均可能出現尺寸偏差，膜面還可能出現局部褶皺，如經設計、製作、安裝方協商，認為不影響安全使用，可以不作處理。

目前國內外尚無能夠準確量測膜面張力的儀器，此項規定不要求強制執行，但要求 進行過程式控制制，並左經驗判斷。

膜結構工程中施加預張力是一個關鍵性的施工環節，其施加過程和施加數值均應包含在施工現場質量檢驗記錄中。

空氣支撐膜結構與常規結構不同之處在於必須充氣才能使用，因此，驗收前必須進行充氣系統的測試。