膜結(jié)構(gòu)起源于20世紀(jì)中期，21世紀(jì)成為最具代表性的建筑形式之一，代表案例包括北京奧運(yùn)會(huì)“水立方”、國(guó)家大劇院等。它是由高強(qiáng)度柔性薄膜材料(如PVC、PTFE、ETFE)與輔助支撐體系(鋼索、鋼架或氣壓系統(tǒng))結(jié)合，通過預(yù)張應(yīng)力形成穩(wěn)定空間曲面的一種建筑結(jié)構(gòu)形式。其打破了傳統(tǒng)直線建筑風(fēng)格，以曲面造型實(shí)現(xiàn)剛?cè)岵?jì)的美學(xué)效果。主要分為‌充氣膜結(jié)構(gòu)‌(靠氣壓差維持形態(tài))和‌張拉膜結(jié)構(gòu)‌(靠索網(wǎng)與支柱施加預(yù)應(yīng)力)兩大類。它的受力原理是通過預(yù)應(yīng)力張拉使膜材產(chǎn)生張力，形成穩(wěn)定曲面，抵抗外部荷載(如風(fēng)、雪、自重)。

　　膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，其中就包含建筑領(lǐng)域、景觀與商業(yè)、工業(yè)與環(huán)保，以及其他場(chǎng)景。在建筑領(lǐng)域中，主要包含體育場(chǎng)館(如北京奧運(yùn)會(huì) “水立方”(ETFE 膜結(jié)構(gòu))、上海八萬人體育場(chǎng)看臺(tái)罩棚)文化設(shè)施(博物館、劇場(chǎng)的異形屋頂，如廣州大劇院膜結(jié)構(gòu)外立面)、交通樞紐(機(jī)場(chǎng)航站樓、地鐵站出入口，如深圳寶安機(jī)場(chǎng)T3航站樓)。在景觀與商業(yè)中，常見的有公園涼亭、步行街遮陽棚、藝術(shù)裝置、商場(chǎng)入口雨棚、展覽展廳臨時(shí)建筑等。在工業(yè)與環(huán)保中，主要包含工業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)中大跨度膜結(jié)構(gòu)倉(cāng)庫(kù)(耐候性強(qiáng)，施工周期短)，環(huán)保工程中污水池加蓋(防異味擴(kuò)散，膜材耐腐蝕)、垃圾填埋場(chǎng)覆蓋等。在其他場(chǎng)景中，多見于臨時(shí)性建筑，如演唱會(huì)舞臺(tái)頂棚、救災(zāi)帳篷，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域方面，有溫室大棚(透光性好，調(diào)節(jié)溫濕度)等。

　　膜結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)與施工方面有諸多要點(diǎn)。首先是設(shè)計(jì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中包含力學(xué)分析，通過有限元軟件(如ANSYS)計(jì)算膜面張力分布，確保荷載下不產(chǎn)生褶皺或撕裂;找形設(shè)計(jì)，根據(jù)建筑造型需求，確定膜面初始形態(tài)(如馬鞍形、雙曲面)，需兼顧受力合理性;剪裁設(shè)計(jì)是將三維膜面展開為二維裁剪片，考慮材料熱脹冷縮及張拉后的變形量(誤差需控制在1%以內(nèi))。然后是施工流程方面，其中包含基礎(chǔ)與支架安裝，也就是澆筑混凝土基礎(chǔ)，安裝鋼結(jié)構(gòu)骨架或索網(wǎng);膜材的加工，其是在工廠按裁剪圖焊接膜片(熱熔焊接或高頻焊接)，進(jìn)行水密性測(cè)試;現(xiàn)場(chǎng)張拉是將膜材吊裝到位，通過鋼索或千斤頂逐步張拉至設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力值;細(xì)節(jié)處理是密封邊緣接縫，安裝排水槽、檢修通道等附屬設(shè)施。最后必須要兼顧的是安全與技術(shù)難點(diǎn)，需考慮風(fēng)荷載下的膜面振動(dòng)(如設(shè)置減震裝置)，還有防火要求，膜材需達(dá)到B1級(jí)以上防火標(biāo)準(zhǔn)(如PTFE膜材為不燃材料)。

　　膜結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)的建筑特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)有很多。如其‌大跨度無柱空間‌，自重輕(僅為傳統(tǒng)建材的1/30)，可通過預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)或氣壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)百米級(jí)無支撐覆蓋，創(chuàng)造開闊的無遮擋空間，顯著提升空間利用率;其藝術(shù)造型自由‌，可突破傳統(tǒng)直線建筑限制，以曲面形態(tài)融合造型學(xué)與色彩學(xué)，可塑造任意曲線造型，兼具結(jié)構(gòu)受力美感與現(xiàn)代藝術(shù)表現(xiàn)力;還有膜材的透光節(jié)能性‌，使其透光率達(dá)90%以上，白天減少照明能耗，夜間配合燈光形成景觀照明，降低長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本;其還具有自潔性，表面防護(hù)涂層通過雨水自然沖刷保持清潔，減少維護(hù)需求;安全性‌也有保障，其阻燃材料滿足防火標(biāo)準(zhǔn)，柔性結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)性強(qiáng)，極端天氣下穩(wěn)定性高;PTFE膜材壽命超30年，耐候性適應(yīng)多種氣候環(huán)境，擁有超高的耐久性;膜結(jié)構(gòu)在‌建造與環(huán)保效率也有極大優(yōu)勢(shì)，其施工便捷‌，膜材與鋼結(jié)構(gòu)工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)組裝縮短工期30%-50%;材料可循環(huán)利用‌，ETFE等材料可回收，符合綠色建筑標(biāo)準(zhǔn);由于其短期建筑成本較低，且透光性節(jié)約長(zhǎng)期能源消耗，大跨度設(shè)計(jì)可減少立柱和基礎(chǔ)造價(jià)，其具有超高的經(jīng)濟(jì)性。

　　膜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型細(xì)分下有骨架式、張拉式、充氣式和復(fù)合式四種結(jié)構(gòu)形式。其中骨架式膜結(jié)構(gòu)是以鋼框架、鋁合金框架或其他剛性結(jié)構(gòu)(如桁架、網(wǎng)架)作為骨架，膜材覆蓋在骨架上，通過連接件固定，它的受力方式主要是膜材，膜材主要承受自重及外部荷載(如風(fēng)、雪)，骨架承擔(dān)主要的抗彎、抗壓荷載，其造型特點(diǎn)是骨架造型決定膜面形態(tài)，多為規(guī)則幾何形狀(如拱、傘形)，膜面平整度高，適合對(duì)造型精度要求較高的場(chǎng)景，適用于中小型建筑(如商業(yè)設(shè)施、景觀小品)、體育館看臺(tái)、收費(fèi)站等，對(duì)跨度要求不高時(shí)經(jīng)濟(jì)性較好;張拉式膜結(jié)構(gòu)是由膜材、鋼索和支柱(或錨點(diǎn))共同組成，通過張拉鋼索在膜材中引入預(yù)張力，形成穩(wěn)定的曲面結(jié)構(gòu)，它的受力方式是利用膜材的抗拉性能和鋼索的張力平衡外部荷載，結(jié)構(gòu)整體呈柔性狀態(tài)，可通過調(diào)整張力分布實(shí)現(xiàn)復(fù)雜造型，它的造型特點(diǎn)是其膜面可形成自由曲面(如馬鞍形、雙曲面)，造型輕盈靈動(dòng)，富有藝術(shù)感，是大跨度建筑的首選類型，其類型也可細(xì)分為索穹頂(Cable Dome)和脊谷式(Ridge and Valley)，索穹頂是以環(huán)形鋼索和徑向鋼索構(gòu)成索網(wǎng)，膜材覆蓋其上，典型案例為美國(guó)丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓，脊谷式是通過脊索和谷索形成高低起伏的膜面，如上海八萬人體育場(chǎng)罩棚;張拉式膜結(jié)構(gòu)適用于大型體育場(chǎng)館(如奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)館)、展覽館、機(jī)場(chǎng)航站樓等大跨度公共建筑;充氣式膜結(jié)構(gòu)(Inflatable Membrane Structure)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是依靠室內(nèi)外氣壓差(充氣)使膜材膨脹形成結(jié)構(gòu)剛度，分為氣壓式和氣承式兩種，其中氣壓(Inflatable Tube Structure)事物原理是通過向膜材制成的管狀構(gòu)件內(nèi)充氣，形成剛性骨架，再組合成整體結(jié)構(gòu)(如充氣拱門)，氣承式(Air-supported Structure)的原理是將膜材固定于建筑周邊，通過持續(xù)送風(fēng)使室內(nèi)氣壓高于室外(通常壓差約10-30Pa)，膜面在氣壓作用下向上隆起，形成大跨度無柱空間，氣壓差是其主要支撐力，膜材僅承受拉力，無需額外骨架，適用于臨時(shí)建筑(如展覽大棚、體育訓(xùn)練館)、倉(cāng)儲(chǔ)空間等，施工速度快，但需持續(xù)供氣，維護(hù)成本較高(如北京奧運(yùn)會(huì)沙灘排球場(chǎng)曾采用氣承式結(jié)構(gòu));最后是復(fù)合式膜結(jié)構(gòu)(Composite Membrane Structure)也是最不常見的結(jié)構(gòu)類型，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將上述兩種或多種結(jié)構(gòu)形式結(jié)合，如 “骨架 + 張拉”“張拉 + 充氣”，兼具不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，部分大跨度場(chǎng)館以剛性骨架作為主要支撐，局部采用張拉索膜優(yōu)化造型，或在氣承式結(jié)構(gòu)中加入鋼索增強(qiáng)穩(wěn)定性。

　　膜結(jié)構(gòu)具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的、可持續(xù)性的發(fā)展趨勢(shì)。其新材料的研發(fā)有納米涂層膜材(提升自潔性與耐候性)，光伏膜材(集成太陽能電池，實(shí)現(xiàn)建筑發(fā)電)，智能化應(yīng)用可結(jié)合傳感器監(jiān)測(cè)膜面應(yīng)力，實(shí)時(shí)調(diào)整預(yù)應(yīng)力。BIM技術(shù)全程優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工流程。綠色環(huán)保方向，加大可回收膜材(如熱塑性ETFE)的推廣。還有與生態(tài)建筑結(jié)合(如透光膜結(jié)構(gòu)溫室與垂直綠化結(jié)合)等。‌