向阳 项如峰
（北京市光翌空间膜技术工程有限公司 101300）
[[摘 要] 索膜结构是一种柔性体系结构，它利用张拉钢索及少量的压杆作为主要承重构件，依靠膜张力来抵御外荷载，具有自重轻，造型美观，受力合理的特点，近年来受到广泛关注。安徽纪念园看台膜结构工程就是通过膜和钢索的张拉保持结构的平衡和稳定的典型的索膜结构。本文通过该工程的介绍，简述了张拉膜结构的自我平衡，它的施工安装要素及节点的处理。
[关键词] 索膜结构 设计 施工
THE DESIGN AND CONSTRUCTION FOR THE PROJECT OF MEMBRANE STRUCTURE FOR
THE COMMEMORATING GARDEN OF ANHUI PROVINCE
XIANG Yang XIANG Ru-feng
(Beijing Granlit Space Membrane Technology Engineering Co.Ltd,Beijing
101300,China)
[Abstract] As a kind of flexible structure, cable-membrane
structure use the spreading and drawing cable and a few pressing bar
as the weight based component. It depends on the tension membrane to
resist the outside weight, and with the characteristic of light
weight and beautiful outlook and reasonable force. It is widely used
in recent years. Typical project is done in the commemorating garden
of Anhui province.Based on the introduction of project, this article
briefly introduces the self balance of this spreading and drawing
membrane structure, and it's construction and equipment factor and
node processing.
[Keywords] cable-membrane structure;design;construction
一、概 述
此主题相关图片如下：
安徽纪念园看台膜结构工程位于安徽省合肥市经济技术开发区，用于纪念园
内广场两侧看台的覆盖，包括两个单体。每个单体投影面积500m2，展开面积750m2。膜单元以五根柱为中心，向四周呈放射状张拉，而整体结构通过薄膜、
膜边索、谷索、拉地索、上拉索、斜拉索及少量的杆件来稳定。整个结构造型轻
盈、飘逸，充分体现了张拉膜结构的特点（见图1、2）。
图1、 外观效果 图2、内视效果
膜结构的形式有多种，包括骨架式、充气式、张拉式等等[1]，其中以张拉膜结构最有代表性，也最为复杂。安徽纪念园看台膜结构工程更具有其特殊性，主要表现在以下三个方面：
１、整体结构是由索-膜协同受力，所有的索、膜、杆件各元素缺一不可，只有在它们都就位后才能成为一个结构承受荷载，这给安装带来一定的难度；
２、5个柱帽5片膜为一个整体，共700多m2，近1t（包括膜辅件）；这要求较高的安装精度，并要有措施来消除安装误差；
３、钢索、节点数量繁多，形式多样；共有5种31个节点，3种52根钢索。
二、方案的确立及计算
1．方案的确定:
膜结构设计打破了传统的“先建筑，后结构”做法，要求建筑设计与结构的紧密结合。在设计过程中，建筑师和结构师要坐在一起确定建筑物的形状，并进行必要的计算分析，这时，所设计建筑物的平面形状．立面要求．支点设置．材料类型和预应力大小都将成为互相制约的因素[2]。本工程中，北京光翌公司同深圳环境设计研究院紧密合作，对该工程的方案从建筑和结构两方面进行论证，保证最后的方案既满足建筑的要求，又必须是一种能够实现的方案。
原方案采用三柱五顶，三个膜帽固定在柱上，另两个膜帽用钢索挂于两柱之间（图3）。这一方案的优点是可以通过中间的膜帽调整横向误差，缺点是对风过于敏感。最后方案采用五柱五顶，五个膜帽顶均固定于柱子（图4）,膜边角拉在前、后弧索上,柱间增加斜拉索和顶索保证杆件平面外的稳定。上拉索、拉地索、前后弧索、斜拉索、顶索与柱和梁共同受力形成结构主体。
根据已经确定的建筑形式，横向采取两种不同的结构形式。第一种如图3所示，主柱为一连续杆，柱底固接，柱中伸出两根横梁，形成半铰。但这种方法使主柱形成悬臂杆件，柱底弯矩过大而柱顶弯矩为零，如果采用通长钢管，导致材料的极大浪费。第二种方案见图4，把主柱断开，构造为铰接，这样上柱仅为轴压杆，大大节约了钢材。本工程采用第二方案，其平面图见图5，
计算模型如图6所示（为使图面清晰，未画膜单元，实际计算中，索、膜、杆单元协同计算）。
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图5平面图 图6计算模型
2．找形分析及应力分析：
索膜结构其自重极轻，振动频率低，在风荷载作用下易于产生较大的变形和振动，对风荷载的作用非常敏感[3]，所以应根据膜材特性及膜造型，合理设定钢索及膜的预张力，保证在风荷载作用下膜的正常使用功能。
本工程采用法拉利公司生产的PVC膜材1002T，钢索选用无油镀锌6x19+FC（1670N/mm2）钢丝绳，找形分析、静力计算及裁剪下料设计采用TECHNET公司生产的EASY软件。表１为膜材特性表及输入数据，表2为两种工况下的对基础作用力表。从输出结果可以看出，该体系对风的作用比对雪荷载的作用敏感。根据钢索应力，钢索选用?32、?20、?12、?6四种规格。最后结果见图7。
表１、膜材参数
基材 自重 抗拉强度（经线／纬线） 表面处理 膜初始预张力
高强聚酯纤维 1050 克g/平方米m2 4.2/4.0KN/5cm 100%PVDF 1.5 KN/m
表2、看台对基础的作用力（两种工况）3
工况一 (向上荷载)工况一(向上荷载)
基础号 Fx（KkN)） Fy(KkN) Fz(KN) Mx(KkN.Mm) My(KkN.Mm)
21 41.28 -144.02 74.54 0.00 0.00
22 15.72 -11.22 33.33 0.00 0.00
23 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
24 26.32 -48.67 55.63 0.00 0.00
25 42.85 42.03 54.72 0.00 0.00
26 -52.63 9.28 63.10 0.00 0.00
27 -11.69 -2.05 21.30 0.00 0.00
28 -3.21 6.26 12.78 0.00 0.00
29 -185.24 18.32 85.82 0.00 0.00
30 -60.55 -63.81 77.51 0.00 0.00
15 0.01 0.08 -14.94 0.00 0.00
16 -0.12 0.23 -9.62 0.00 0.00
0 156.22 -47.16 -66.36 -84.89 281.20
1 -0.03 -0.02 -3.67 -0.03 -0.05
2 97.25 103.51 0.63 186.31 175.06
3 0.00 0.02 -2.39 0.03 -0.01
工况二 (向下荷载)工况二(向下荷载)
基础号 Fx（KkN)） Fy(kKN) Fz(kKN) Mx(kKN.Mm) My(KkN.Mm)
21 45.84 -109.49 75.26 0.00 0.00
22 21.23 -15.09 44.85 0.00 0.00
23 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
24 29.35 -24.83 22.42 0.00 0.00
25 3.63 3.57 4.63 0.00 0.00
26 -27.47 15.85 26.91 0.00 0.00
27 -8.80 -1.52 16.04 0.00 0.00
28 -7.17 14.02 28.51 0.00 0.00
29 -137.74 23.73 76.92 0.00 0.00
30 -36.20 -38.23 46.30 0.00 0.00
15 0.01 0.11 -28.85 0.00 0.00
16 -0.53 0.87 -36.78 0.00 0.00
0 87.44 -41.82 -139.48 -75.27 157.39
1 -0.84 -0.46 -99.47 -0.82 -1.51
2 90.25 95.58 -99.96 172.04 162.45
3 -0.23 -0.16 -94.46 -0.29 -0.42
4 -58.77 77.86 -157.86 140.16 -105.78
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图7、 找形结果
三．设计及节点
对于膜结构工程而言，有两个方面是至关重要的。一是保证膜定位点的准确性，一是要保证对膜施加预张力的空间并采取较美观的方式。所谓的定位点，是指对膜施力的点。在设计阶段，它确定膜的形状，确定膜形是否合理．美观；在施工阶段，定位点的准确与否直接影响膜的成形。定位点的处理表现为节点的处理。节点应保证定位点的准确（即保证施工时膜受力点与理论膜的受力点座标一致）,促证有足够的空间对膜施加预应力。由于节点外露，还应保证节点的美观。
根据设计的膜形及膜边界条件，该工程的膜节点采取五种形式（节点A、B、C、D、E）。节点A为膜边一端为φ12钢丝绳，另一端为φ6钢丝绳固定于梁上；节点B为两膜边为φ6钢丝绳，固定于梁上；节点C为膜角通过花蓝螺栓连接于前后弧索，同时谷索锚头也通过此节点；节点D同节点C，不过没有谷索；节点E为膜角与边柱的连接形式。
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四、工程施工
该工程结构是一个柔性体系，只有把5根柱子全部立起，互相牵拉并施加预应力，结构才能自我平衡保持稳定。所以在安装时，我们准备了充分的手搬葫芦。在第一根柱的上柱及横梁通过上拉索及拉地索横向稳定时，纵向分别用手搬葫芦临时稳定，然后开始安装第二根柱的上柱及横梁，拉上斜拉索及顶索，依次将全部钢索及杆件就位并预张拉后，再把手搬葫芦松开。
这里还有一个矛盾：膜在上拉索和横梁之间，钢索不上则无法使体系稳定，钢索先挂上了，膜又如何进去呢？在实际工程施工中，我们的施工顺序是这样的：
1 安装下柱；
2 将膜帽分别套上5根上柱，并将膜展开；
3 安装膜辅件；
4 吊装上柱及横梁把全部钢索挂上、张紧；
5 把全部膜边角挂上，保持松弛状态；
6 同时起吊五个膜帽至帽环位置，并固定；
7 调节膜边角的调节装置，保证膜定位点的准确性；
8 对整体结构进行微调，处理局部区域。
安装完成的膜结构如图9所示。
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图9、工程实物照片
五、经济性
索膜结构作为一种柔性轻型结构具有很好的经济性。安徽纪念园看台膜结构工程总平面面积为1000m2
(两个单体)，耗钢量为 12.3t(（不包括钢索)，），仅为12.3kg/m2。实际现场安装工期仅20天，小于普
通的屋盖结构。
这里还有两个问题，一是目前结构用膜材尚需从国外进口，造价相对昴贵；一是索膜结构在索及索
具上费用较大，甚至达到工程造价的20%。随着市场的推广，有许多厂家正在着手解决这两个问题，届时
索膜结构将会有更广泛的应用。
六、结语
索膜结构以其良好的经济性、合理的受力性及优美的造型越来越受到世人的瞩目。它作为一种柔性
张拉结构，无论从方案的选定还是设计和施工均有其特殊性。随着本工程的介绍和其它工程的开展，索
膜结构的技术会越来越成熟，市场也会越来越广阔。
参考文献
[1] 向阳：薄膜结构的初始形态设计、风振响应分析及风洞试验研究，哈尔滨建筑大学博士学位论
文,1998.11。
[2] 蓝天：膜结构－成就、问题与展望,第九届空间结构学术会议论文集，2000.9。
[3] 王起、张相庭：大跨度索膜屋盖结构横风向非线性共振响应分析，第九届空间结构学术会议论
文集，2000.9