膜结构

北京国家游泳中心（水立方）使用近100吨ETFE膜材料的多层膜结构建筑

膜结构是一种空间结构，利用张力膜材料制成，为一种新式建筑。早期为一般常见的帐篷，自上古时代开始的兽皮，中世纪时的布织物、衣料，到目前建筑用的玻璃纤维、聚酯纤维等等，具有悠久的使用历史。常用的纺织物膜材料有PVC涂层聚酯纤维膜材， PVC涂层玻璃纤维膜材，PTFE涂层玻璃纤维膜材；无涂层的单层薄膜材料包括像ETFE膜，PVC膜等。

膜结构自20世纪中期发展起来，是一种新型建筑结构形式,由多种高强薄膜材料（PVC或Teflon）及加强构件（钢架、钢柱或钢索）通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状,作为覆盖结构,并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。充气膜结构是靠室内不断充气,使室内外产生一定压力差（一般在10mm～30mm 水柱之间）,室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力,从而实现较大的跨度.张拉膜结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型,其造型非常优美灵活。

历史

世界上第一座充气膜结构建成于1946年，设计者为美国的沃尔特·勃德（W.Bird），这是一座直径为15的充气穹顶。1967年在德国斯图加特召开的第一届国际充气结构会议，无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂。随后各式各样的充气膜结构建筑出现在1970年大阪世界博览会上。其中具有代表性的有盖格尔设计的美国馆（137m×7m 8卵形），以及川口卫设计的香肠形充气构件膜结构。后来人们认为70年大阪博览会是把膜结构系统地、商业性地向外界介绍的开始。大阪博览会展示了人们可以用膜结构建造永久性建筑。而70年代初美国盖格尔-勃格公司（Geiger-Berger Associates）开发出的符合美国永久建筑规范的特氟隆（Teflon）膜材料为膜结构广泛应用于永久、半永久性建筑奠定了物质基础。之后，用特氟隆材料做成的室内充气式膜结构相继出现在大中型体育馆中，如1975年建成的密歇根州庞蒂亚克“银色穹顶”（椭圆形220×159m），1988年建成的日本东京体育馆（室内净面积4，6767 m²）。位于北京的水立方游泳馆是一座外围护结构由多层气枕构成的充气式膜结构建筑, 其中使用的ETFE膜材料近100吨，是英格兰伊甸园项目"Eden Project"的三倍之多。

型式

• 钢结构：使用钢管(以圆管居多)，其结构稳固，允许大跨度造型设计，是常有台风、地震等天然灾害地区(例如台湾)的膜结构型式主流。
• 张拉钢索：使用钢索张拉，具有自然的张力曲线，线条自然优美，重量轻盈，配合适当的结构设计，亦可对抗自然天灾，但强度仍没有钢结构来的强稳。
• 充气式：在膜和膜中间，灌入空气，使其膨胀成为膜结构气枕型式。
• 开闭式：利用机械与控制系统，达到开关闭合的需求。

材质

PTFE

一般通称PTFE膜(Poly Tetra Fluoro Ethylene)，以玻璃纤维织布所组成，再涂覆以PTFE(Teflon铁氟龙)。玻璃纤维织布与涂覆材料都是不燃材料，故可用于绝大部份防火要求严格之场所，例如密闭式体育馆、游泳池、运动设施、中庭、展场空间等等。且因使用年限可达数十年以上，故又被称为永久膜。

PVC

高雄翠华自行车桥PVC膜结构，又称翠华之云，为典型PVC膜结构型式的代表

一般通称PVC膜(Poly Vinyl Chloride)，其组成为聚酯纤维，涂覆材料为PVC，不如PTFE可通过不燃材的要求，为PTFE膜制作成本太高时的替代方案。其延展性较PTFE为佳，可用在比较多变的造型。但相对的材料本身强度不及PTFE膜。

ETFE

台北花卉博览会-未来生活馆ETFE屋顶，为台湾首座EFTE充气式膜结构

膜材料为乙烯与四氟化乙烯合成之改性共聚物，一般通称为透明膜，此种材料最初用于航太领域。具有优良的耐候性、几乎透明的透光性、抗污性及35年以上的使用寿命，且能引进植物生长所需的紫外线，故一般多用于温室、植栽或是有特殊设计需求的地方。

由于其材料不具纤维，且材料本身强度及延展性没有PTFE及PVC来的好，亦无法使用传统反力张拉施工方式。故常见的施工法为使用二层或三层气枕之充气式结构，配合压力侦测器及充气机，用气压将膜材撑开，以弥补先天的不足。另外亦有使用单层ETFE之情形，但多用在小面积之结构上，大型结构例如球场、球场看台等等，必须使用充气式结构。

参考

• ETFE, Technology and Design, Annette LeCuyer, Verlag Birkhäuser, ISBN 978-3-7643-8563-7
• Membrane Structures, Hrsg. Klaus-Michael Koch, Verlag Prestel, ISBN 978-3-7913-3049-5
• Tensileworld （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Matsui Tiger （页面存档备份，存于互联网档案馆）