标题：空间膜结构
设计基础规定
1. 膜结构选型1) 除小跨度结构外，膜结构中的膜材总是与其他构件共同承重。目前，国内外对膜结构的形式有很多种不同分类方法，尚未统一。本规程按膜材及其相关构件的受力方式分成四种形式，是一种比较科学的分类方法。
2) 整体张拉式膜结构主要由索和膜构成，两者共同起承重作用，通过支承点和锚固点形成整体。
3) 骨架支承式膜结构由钢构件（如拱、钢架）或其他钢性结构起承重作用，膜材主要起围护作用。
4) 索系支承式膜结构主要由索、杆和膜构成，三者共同起承重作用。在通常所称的张拉整体（tensegrity）结构中，如采用膜材，即属于索系支承膜结构。另外比较流行的索穹顶结构（cabledome）也属于此类。
5) 以空气作为一种支承方式，是膜结构的一个特点，一般也成为充气结构，其设计与构造与传统结构有许多不同之处。2. 建筑设计1) 膜结构建筑的表现方式与一般建筑有所不同，在建筑单位方案设计阶段，就应充分考虑到不同表现方式的相容与协调，并注意利用膜结构建筑技术所具有的形象特点，因势利导。膜结构建筑的方案设计应由建筑师与膜结构工程师共同完成。设计时首先应考虑膜结构体系的特殊性，从建筑功能和结构受力性能入手，创造出形式完美、构造合理的膜结构建筑。
2) 各国对于膜材的耐火等级和防火要求各不相同。一般来说，耐火等级与材料价格直接有关。当有条件时应尽量采用不然类膜材。当永久性建筑采用阻燃类膜材时，尚应根据当地消防部门的要求采取必要的防火措施。
3) 结构建筑采用的膜材一般均具有透光特性。由于漫射光的作用，膜材覆盖的空间内将呈现特殊的光学效果（有明显光感但无阴影），建筑设计中应予以合理利用。采用双层膜构造时，应考虑到透光率的折减。
4) 膜结构建筑的保温隔热性能较差，目前已广泛使用的膜材，自身并不能较好的隔绝外部温度的影响。单层膜结构仅适用于敞开式建筑或气候较温和的地区。对于封闭式建筑，应注意采用其他构造方式解决保温隔热问题。双层膜构造可以较好的满足保温、隔热要求，两层之间的空气隔离层一般为30cm左右，但应注意处理双层膜内部结露问题。
5) 膜结构建筑应有足够的坡度以解决排水问题并预防积雪。屋面排水设计从方案阶段就应予重视，一面造成重大工程隐患。采取有组织排水式时，应注意采取对建筑物墙面或地面的防污染措施。
6) 从空气支承膜结构过去发生的事故来看，大部分是在强风或大雪时，膜结构产生大变形而使膜材于内部或外部物体相碰，在接触点处膜材受到损坏，导致膜结构破坏。因此，膜材与内部、外部物体应保持一定距离，即使在最不利工况下也不应接触。此外，物体如有尖角、锐角，也应加以防护。3. 结构设计1) 国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068修订后对结构重要性系数X做了两点改变：（1）X不仅考虑结构的安全等级，而且考虑了结构的设计使用年限；（2）将原标准X取值中的“等于”改为“不应小于”，使不同投资者对结构安全度设计有更多的选择余地。对于一般工业与民用建筑膜结构，其安全等级多为二级，其设计使用年限多为50年，因此其结构重要性系数不应小于1.0；对于设计使用年限为15~25年的易于更换膜材的膜结构，其结构重要性系数可适当降低，取为不小于0.95；对于设计使用年限为5年的临时性的膜结构，其结构重要系数可取不小于0.9.应该指出，膜结构下部的钢或钢筋混凝土承重结构，其设计使用年限仍可采用50年，当膜结构达到设计使用年限时，可以更换膜材，从而达到与下部结构同样的设计使用年限。
2) 本条系根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定，对于承载能力极限状态和正常使用极限状态，分别根据不同的设计要求采用不同的荷载组合。结合膜结构的具体情况，按承载能力极限状态设计时，只考虑荷载效应的基本组合，采用荷载设计值和强度设计值进行计算，不考虑偶然组合；按正常使用极限状态设计时，只考虑荷载效应的标准组合，采用荷载标准值、组合值和变形限值进行计算，不考虑其他组合。
3) 本条列出了作用在膜结构上的各种荷载，其中温度变化、支座不均匀沉降和施工荷载可根据工程具体情况予以考虑，地震作用在本规程第5.1.5条中规律可不考虑。施工荷载可根据工程安装的特点确定，有时不仅要考虑均布荷载，还有考虑安装或检修时的集中荷载。
4) 目前，我国的膜结构设计都参照国外的设计规范进行，荷载组合采用长期与短期两种情况（日本规范称为持久与临时荷载），并分别规定了不同的安全系数。由于膜结构受力具有较强的几何非线性，其各项荷载效应不能进行线性组合，因此本条规定采用两种组合类别，其中，第一类组合相当于长期（持久）荷载组合，第二类组合相当于短期（临时）荷载组合，并以抗力分项系数进行调节。
5) 风荷载是膜结构的主要荷载。由于膜结构的体型较复杂，而《建筑结构荷载规范》GB50009所提供的建筑体型有限，所以膜结构的风荷载体型系数一般需要通过风洞试验来确定。当所设计的膜结构为园林景观小品或临时性建筑时，可参考以往的工程经验确定风荷载体型系数。
6) 作为屋面的膜结构多为负高斯曲率曲面，结构上所受的雪荷载一般为非均匀分布，因此应根据不同的曲面形状、曲率变化调整雪荷载分布系数的取值。
7) 膜结构设计中，除了保证结构体系的整体稳定外，还应保证在局部膜片破坏或局部索推出工作时不致引起结构整体失效。由于膜材在拉力作用下存在松弛、徐变等问题，张拉式膜结构在正常使用1~2年后需要进行第二次张拉，结构设计时应考虑两次张拉对结构整体的影响。
8) 由于材料自身存在老化问题，各类膜材均有一定的使用年限。对于永久性建筑，当膜材达到使用年限或部分膜片在使用期间出现破损时，需要进行更换，这一点在结构整体设计时宜予以考虑。
材料
2. 膜材
1) 膜材的物理和化学性能对建筑物的适用性寿命影响甚大，因此应根据使用功能合理选择膜材类型。膜材的抗拉强度、抗撕裂强度、抗剥离强度、抗污染和抗老化能力等是反映膜材性能的只要指标，设计时应予以综合考虑做出适当选择。膜材的价格与其性能直接有关，表1表示常用膜材的价格比例。
表1常用膜材的价格比对
膜材代号GTPCFPCDPCA价格比例300~40010010060~80本规程将常用膜材按其基材分为G类（玻璃纤维）和P类（聚酯纤维）两大类，再按其不同涂层分别给予代号。
2) 本条根据当前国内外生产厂所提供的膜材品种，按其抗拉强度一级相应的重要与厚度加以分级，以便在设计中选用。表4.1.2-1、表4.2.2-2分别给出了G类和P类各级膜材的抗拉强度值，在设计中可作为抗拉强度标准值采用。本规程采用以概率理论基础的极限状态设计方法进行设计，但由于对膜材的强度尚无条件进行数理统计，因此表中的数值还不是经过统计而得的保证率为95%的抗拉强度标准值。当生产厂有条件对其膜材产品提供具有95%保证率的抗拉强度统计数据时，在设计中允许采用高于表4.1.2-1、表4.2.2-2规定的数值作为抗拉强度标准值。
3) 由于传统的影响，膜材生产厂对其所生产膜材提供的质量保质期都偏低，实际上膜材的可使用年限均大于其质量保质期。表中，膜结构的设计使用年限是根据实际工程投入使用的经验汇总而得。
2. 拉索和锚具
1) 拉索有多种钢索可拱选择。热挤聚乙烯高强钢丝索是由若干高强度钢丝并拢经大节距扭绞、绕包，且在外皮挤包单护层或双护层的高密度聚乙烯而形成，在重要工程中宜优先考虑采用。
2) 目前桥梁等设计中钢索的抗拉能力是以容许承载力来表达的，采用单一安全系数K。本规程按国家标准《建筑结构设计统一标准》GB50068采用的以概率理论为基础的极限状态设计方法，以多项系数代替了单一的安全系数。两者相比，可以认为过去的单一的安全系数K中包含了钢索分项系数x、永久荷载和可变荷载分项系数X、X。由于目前尚无足够的试验数据来直接统计X值，在制订本规程时只能按照过去采用的K值结合膜结构所受荷载的特点来反推X值。膜结构中钢索的安全系数K取2.5，如恒荷载标准值取X，活荷载标准值取X，可求得X=1.8。表4.2.3中的抗拉强度设计值即由X1.8并取整而得出。由于钢索在桥梁和悬索结构中是重要承重构件，在传统上都采用了比较大的安全系数，因此换算所得的X要比一般钢筋混凝土结构的相应值大。
结构计算
3. 一般规定
1) 膜结构的初始形态确定、荷载效应分析、裁剪设计是相互影响、相互制约的过程需要反复调整。同时还要考虑施工过程的实现，如施工工艺、初始预张力等问题。 初始形态分析主要是确定满足一定初始应力分布的膜结构在自平衡状态下的几何形状。荷载效应分析主要是将空间膜曲面适当剥分并展开为平面，计算确定预张力影响下膜材的裁剪下料图。
2) 膜结构的计算分析方法很多，目前得到公认并被广泛应用的主要有三种：非线性有限元法、动力松弛法和力密度法。
3) 非线性有限元法是将膜结构进行有限元离散，采用大μ移小应变的几何非线性有限元方法对膜结构进行分析，得到的结构的位移和内力。
4) 动力松弛法是将膜结构离散为节点和节点间的连接单元，通过对各节点施加激振力使之产生振动，然后逐步跟踪各点的振动过程直至最终求得结构平衡状态。
5) 力密度法是将膜结构离散为由结点和杆件组成的索网结构，在给定的几何拓扑、支座位置和力密度值（即索力与索长之比）下，通过求解结点坐标的线性方程组来确定结构的变形。
6) 膜结构中的索、膜构件只能承受拉力、不能承受压力和弯矩作用，对外荷载的抵抗主要通过变形来实现，因而膜结构在外荷载作用下变形较大，计算时应考虑结构的几何非线性。膜材是非线性材料，其应力应变曲线在应力较大时变化较大，但通常设计应力比断裂强度小的多，此时可近似认为膜材是线弹性的。
7) 由于支承结构变形对膜结构内力分布影响较大，故膜结构设计时宜考虑膜与支承结构协同工作。对于骨架支承式膜结构，由于支承结构为钢性体系（如钢桁架、拱或网架等），变形较小，故计算时可将膜与钢性骨架连接处近似视为固定支承边界。对于其他形式的膜结构，计算时应将膜与支承体系一起进行整体分析。
8) 膜结构自重较小，地震对结构的影响也较小，故设计时可不考虑地震作用，单地震对支承结构（包括骨架支承式膜结构的承重骨架）的影响应予考虑。
4. 初始形态分析
1) 在膜结构初始平衡曲面内预张力是自相平衡的。膜结构的平衡曲面可分为两类：等应力曲面和非等力曲面。等应力曲面是指膜面内预张力均匀分布，此时膜面面积最小（即最小曲面）。非等应力曲面是指膜面内预张力不均匀分布单自相平衡。膜结构初始形态分析宜首先寻找应力均匀的最小曲面，在最小曲面不存在的情况下再寻找应力不均匀的平衡曲面。
2) 膜结构的形态分析实际上是确定结构中预张力大小和分布的过程。预张力值的设定应保证膜材在正常使用形态下不会因温度、徐变和荷载作用等而发生松弛，并应保证膜材在极端气候条件下最大应力小于设计应力，同时应考虑结构张拉的实现和安装方便。
3) 本条给出的初始预张力最小值，是参考国内外膜材应力应变试验结果和工程经验提出的。
5. 荷载效应分析
1) 当膜结构在荷载作用下产生较大应力或变形时，应返回初始形态确定阶段对膜结构进行调整。通常可调整初始预张力大小和分布、调整结构外形或增加加强数量等。
2) 膜结构自重较小，属风敏感结构，在风荷载作用下易产生较大的变形和振动。对膜结构风振过程的研究，目前尚处于起步阶段，可借鉴的资料较少。膜结构形态各异，很难用统一的风振动力系数来描述，因此对形象负复杂、跨度较大或重要的建筑物，必须进行风振动力分析或进行气弹性模型风洞试验，以确定风荷载动力影响。对较常用的骨架支承式膜结构和整体张拉式伞形和鞍形膜结构，本规程采用风振系数来考虑结构在风荷载作用下可能的最大影响应与平均风响应之比，便于工程设计应用。
3) 迄今，我国膜结构设计都参照国外规范采用单一安全系数设计方法。
4) 各国对安全系数K的取值不尽相同：大多数国家都按短期荷载和长期荷载取值，其值分别在3~4和6~8的范围内。如美国的安全系数取3~8；日本临时（短期）荷载下取4，持久（长期）荷载下取8.我国今年来在工程设计中也分别采用4与8.计算结构抗力时所采用的材料强度值则与膜材强度平均值较为接近。本规程根据国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068的要求给出的膜材强度标准值比过去采用的强度平均值降低约15%。
5) 对于体育场看台挑蓬一类的整体张拉式膜结构，其整体位移可定义为内环的最大位移；对于索系支承式膜结构，其整体位移可定义为跨中最大位移。膜结构在荷载效应分析时的膜单元，是指由柔性索边界或钢性边界围起的一片膜。膜单元名义尺寸，对于三角形膜单元可定义为最小变长的2/3;对于四边形膜单元可定义为通过最大位移点的边界间的最小跨度。
6) 出现松弛将降低膜结构的刚度，在风荷载作用下易发生剧烈振动，甚至导致膜材撕裂。此外松弛还将影响结构的美观和排水性能。因此，应尽量避免膜材在正常使用状态（第一类荷载效应组合）下出现松弛。
7) 索是膜结构中的重要受力构件，一旦处于受压状态，就有可能导致结构变为机动体，因此规定，索在第一类荷载效应组合下均应处于受拉状态。
6. 裁剪分析
1) 裁剪分析的目的是确定裁剪线和裁剪片，以便在并拢张拉后实现初始状态下的膜曲面，所以，裁剪分析应根据初始状态的膜曲面和预张力进行。通过初始形态分析可以确定膜曲面的形状。该曲面是由一定幅宽的膜材，经过裁剪程膜片，并相互连接后张拉而成。膜曲面上的膜片间的连接线为裁剪线。裁剪膜片是待求平面，而膜曲面上的膜片是空间的，并且在裁剪线确定后是已知的，所以确定平面裁剪膜片的关键是如何将已知的空间膜片展开成平面裁剪膜片。实际生成的曲面和形态分析所得的曲面之间的误差，取决于空间膜片展开成平面的精度。由于膜曲面上的空间裁剪片具有预张力，所以确定平面裁剪片时还必须考虑预张力释放后的几何尺寸改变。
2) 膜材的裁剪线可采用测地线法、平面相交法或其他有效的方法确定。测地线法是指在膜结构初始预应力平衡曲面上寻找测地线作为裁剪线。测地线指曲面上两点之间距离最短的线。对于可展曲面，展开平面上的测地线为直线；对于不可展曲面，展开平面上的测地线接近直线。平面相交法是指在膜结构初始预应力平衡曲面上，用一组平面按一定规律与曲面相交，并将各交线作为裁剪线。测地线线法得到的膜片宽度较为接近，节省膜材，单在曲面上形成的热合线美观性和视觉性效果较差。平面相交法可根据需要得到具有美观性和一定视觉效果的裁剪线。裁剪分析时应综合考虑经济性和美观性两个因素后确定裁剪。
3) 由于膜材在裁剪线处断开，故此处易产生应力集中。如果裁剪线处剪应力较大会影响膜材的受力性能，所以应尽量做到裁剪线与膜材纤维正交，使主应力方向与纤维方向一致，避免裁剪线受剪。
4) 膜结构曲面的形成与初始预张力作用有关，裁剪时必须考虑膜材应力释放后的弹力回缩。通常根据初始预张力大小和所用膜材的性能，通过修正裁剪膜片几何尺寸（沿径向和纬向回缩）来消除膜内预张力的影响。
7. 空气支承膜结构计算要点
1) 空气支承膜结构是通过保持内部气压来维持结构形状并抵抗外荷载的。同时，内压又是作用在结构上的荷载，应与其他荷载一起参与组合。内压是结构设计中的一个可变参数，可以根据外荷载的情况加压或减压，以调整结构的刚度和强度。最大工作内压是指当结构处于不利的外界环境时，如由于积水（雪）造成膜的凹陷，由设计人员为操作人员确定的可以使用的最大内压。确定最大工作内压应考虑材料的设计强度、外界荷载类型等多种影响因素。
2) 最小工作内压是指在正常气候和使用条件下，保持结构稳定所需的最小压力值。当恒荷载被分散到一定的影响区域时，最小工作内压应超过单位面积上恒荷载的最大值。
3) 正常工作内压是由设计人员确定的一个压力范围，在正常工作内压下，结构在常遇荷载作用下能够保持稳定。正常工作压力应根据使用情况和进出情况，在最小工作内压至最大工作内压之间变化。在公共聚会场所，为保证环境的舒适度，应适当减小出入口处的风速和作用在门上的压力，工作内压不宜超过287Pa。对主要用于仓储的场所，当车辆进出时工作内压值可以取大一些，以保证结构的稳定性。
4) 锚固体系应根据结构的性质（临时性、办临时性或永久性）选择。基础锚固体系在拉力或浮力作用下易产生短期和长期徐变，从而使上部结构体系和基础锚固体系间产生不确定的附加荷载作用。应认真设计空气支承膜结构的所有锚固构件。
5) 出入口处的门框与周边的膜应分别设计，以保证门框不受到膜结构变形的影响。此外门框与膜的连接，应做到在门框结构受荷载变形时不会使周边的膜产生过大的应力。
连接构造
6.1 一般规定
6.1.7 膜结构中的金属连接件直接与膜材相连，易受外界影响而锈蚀，不但易污染膜材，影响美观。而且往往会引起截面削弱而产生安全隐患，因此，全部金属连接件均应进行防腐处理。
6.1.8 膜材对缺陷比较敏感。若膜材中存在小孔、裂纹等缺陷，膜材强度将有较大降低。在膜材与支承骨架相连处的毛刺 、尖角、尖点将使该处出现应力集中。对膜材涂层的擦伤也会影响膜材的使用寿命。
6.2 膜材的连接
6.2.1 膜结构的空间曲面是由许多平面膜材经裁剪设计搭界而成，膜材幅宽较小，因此膜片间需经接缝连接。膜材接缝的连接应根据不同膜材选用不同的方式。粘结结合耐久性较差，不宜采用。缝合和机械连接方式易造成截面削弱，使用时应予注意。膜材的主要受力接缝宜采用热合方法连接。
6.2.5 当膜面跨度较大时可采用拉索进行加强。常用的拉索主要有钢丝拉束、钢绞线、钢丝绳等。为美观与防腐需要也可采用镀锌钢丝绳、不锈钢缆绳、钢棒等。不论采用何种钢索都应满足结构受力的轻度要求。
6.3 膜材与支承骨架、钢索、边缘构件的连接
6.3.2 膜材与钢索可以单边或双边连接。简单的连接方法是将钢索穿入与膜材热合的边套中。对重要工程，可采用铝合金或不锈钢夹板和连接件来连接膜材与钢索。
6.3.3 当膜材直接连接于钢性边界上时，应尽量避免出现直角或锐角的边界形状，以减少安装难度，并避免产生应力集中。
6.4 钢索及其端部连接
夹具是节点中用以固定钢索的主要部件，可采用铝合金、不锈钢、热镀锌钢等材料。夹具主要通过高强螺栓等用上下两块夹板钢索夹紧。
钢索锚固是膜结构中传力的重要环节。压接式连接件是握裹式锚具中的主要形式。通常采用铝合金或其他高强材料做成索套，在高压下压成形，主要用于直径较小的柔性钢索。浇铸式连接件分冷铸和热铸两种。冷铸锚具是将铁屑和环氧树脂搅拌后浇铸入锚杯，与钢丝凝固后形成毛塞。热铸锚具是采用低熔点的合金进行浇铸，早期采用的是铅锌合金，现在通常采用巴氏合金，这种锚具主要用于锚固高强钢丝束。
制作
膜材的裁剪、热合是膜结构加工制作过程的重要环节，应严格按照裁剪设计图纸和工艺文件进行，无设计变更文件时不得随意更改。一般来讲，P类和G类膜材的热合设备不能混用。目前，我国尚无膜结构加工制作人员的统一培训、考核标准，各企业应自行组织培训和考核。
即使是同一品牌、同一型号的膜材，对不同的生产批次，一般也有不同程度的色差和不均质。因此，建议同一工程使用同一批号的膜材。
易褪色物品或有害于膜材的化学溶剂，对膜材会有一定损伤，应分开存放。
灰尘会造成热合设备在膜材热合时打火、烧焦或击穿膜材，因此，整个加工制作过程应保持清洁。
有些膜材的表面涂层，如不经处理而直接搭接热合，连接强度将会受到影响，因此，鼻血将表面涂层打磨后方可热合。此时，应注意打磨不得损伤膜材，一面影响热合处的拉伸强度。
7.0.7 由于G类膜材的变形性能弱于P类膜材，故对前者热合后膜单元的尺寸偏差要严格控制。
7.0.8 受热合温度影响，膜材可能会收缩变形，因此应注意工艺要求，以保证热合后均匀平整。
7.0.10 包装时，P类膜材可以采用折叠方式，G类膜材宜采用卷装方式。为便于膜单元现安装，折叠或卷装的顺序宜与施工时的展开方向相反。
7.0.12 钢丝绳下料前应进行预张拉，以消除非弹性变形。热挤聚烯高强钢丝束和钢绞线，在出场时一般已进行过预张拉。
膜结构设计时，图纸中标注的钢索长度一般为预张拉后尚无尺寸，在索制作时应予注意。
安装
钢构件、拉索安装
现场应具备的安装条件包括：支撑结构已完成施工，混凝土达到设计强度要求；具备构件堆放和组对场地；具备吊车出入通道和支吊场地等。
膜结构是一种整体空间结构体系，支撑位置的准确性会直接影响结构体系中的内力分布。为使工程与设计假定相一致，必须严格控制支撑结构和预埋件的尺寸偏差。
膜单元安装
为使膜单元保持清洁，应避免土建施工时引起的扬尘和外装饰工程中使用的涂料对膜面造成污染。膜结构安装时应注意安全，除8.2.6条指出的安装时的气象条件外，对保证安全的设施、施工人员的安全装备和注意事项，应由施工单位制定具体的措施。
膜单元在地面或高空作业平台上展开前，应先清洁地面或平台并铺设保护膜。在空中展开或吊装膜单元时，应避免吊点受力过大造成膜材撕裂。
所采取的临时固定措施应能抵抗施工期间可能发生的强风，还应使膜面不积水。
施加预张力
设置可调部件是为了适应制作和安装误差。可调部件上应有设计位置的标示。
确定施力位置时应注意以下各点：通过该点应能将力均匀传递至周边各点，不致有死角；受力部件的力值不宜过大；便于整个结构体系安装；掌握施力机具的人员易于操作。
确定施力点位移量时应注意便于索膜安装，要适当留有余量，以消除整个结构体系积累的误差。
在施力点检测力值是检查工程施工结果与设计假定吻合程度的重要手段，但目前尚不能普遍实行，只能对有代表性的施力点进行力值抽检。
工程验收
膜结构、钢构件、索等在制作、安装过程中均可能出现尺寸偏差，膜面还可能出现局部褶皱，如经设计、制作、安装方协商，认为不影响安全使用，可以不作处理。
目前国内外尚无能够准确量测膜面张力的仪器，此项规定不要求强制执行，但要求 进行过程控制，并左经验判断。
膜结构工程中施加预张力是一个关键性的施工环节，其施加过程和施加数值均应包含在施工现场质量检验记录中。
空气支撑膜结构与常规结构不同之处在于必须充气才能使用，因此，验收前必须进行充气系统的测试。
围护和保养
膜结构竣工后要十分重视围护和保养，以保证正常使用，这与一般建筑物是不同的。 在竣工后的一段时间内，制作安装单位应负责检查和围护，并向使用单位提供保养围护手册。膜结构的长期维修和保养应有专人负责。
空气支撑膜结构应始终保持设计的工作内压，其目的是保证建筑结构的稳定性，并防止在大风或积雪下过度变形
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