5．9　张拉结构和膜结构

张拉结构是由一系列受拉的直线形或曲线形索及相应构件所组成的承重结构，属于承受张拉力的结构。索一般采用高强度钢丝组成的钢绞线、钢丝束，也可采用圆钢筋制成；索通过锚具固定在支承结构上，通过索的拉伸承受外荷载，能跨越很大的跨度。索结构可充分利用钢材的强度，用料经济、施工方便，可做成多样的外形、造型美观。但设计中必须采取构造措施，以便保证屋盖结构在风和地震作用下具有足够的刚度和稳定性。

膜结构则是用多种高强薄膜材料和加强构件（如钢架、张拉式钢索）通过一定方式使其内部产生一定的预拉应力，形成一种作为屋盖结构的空间形状并能承受一定的外荷载的空间结构形式。膜结构可分为气承式膜结构和张拉式膜结构。在薄膜覆盖的空间内充气，利用内外气压差来承受荷载，并与钢索共同形成结构，称为气承式膜结构；将薄膜与索张紧在刚性或柔性的边缘构件上（也可能悬挂或支承在若干独立支点上），通过张拉建立预应力，获得确定的形状，称为张拉式膜结构。薄膜材料主要有玻璃纤维布、塑料薄膜、金属编织物等，其中用得最多的是玻璃纤维布，其表面可涂聚四氟乙烯等类涂料，以增加耐久性和防火性。薄膜材料之间可用熔接、粘接或缝合3种方法连接。气承式或张拉式膜结构均属于张拉结构，和悬索结构相似，它具有质量轻、构造简单、施工方便、造型灵活等优点（缺点是隔热、防火性较差），在大跨和超大跨建筑中极具应用前景，在发达国家已获得较大发展，在我国的应用也越来越多。

北京工人体育馆建成于1961年，是我国早期张拉结构的代表作，可容纳15　000名观众。圆形屋顶采用车辐式双层悬索体系，直径94m（图5．50）。屋盖形如自行车车轮，上下层各72根钢索锚于内环和外环上，内环受拉，为直径16mm、高11m的钢环；外环受压，用截面为2m×2m的钢筋混凝土制作。上下索均施加预应力以保证结构的刚度。北京工人体育馆无论从结构跨度还是技术水平来看，当时都居世界领先地位。

目前，世界上张拉结构和悬索结构中跨度最大的是美国亚特兰大乔治亚穹顶（Georgia　Dome）［图5．51（a）］。该建筑物是1992年亚特兰大奥运会的主体育馆，平面为椭圆形（193m×240m），是一种以双曲抛物面为基本单元的新型索穹顶结构，整个屋盖周边支承在一个预应力环上，预应力环是一个宽7．9m、高1．5m的预应力混凝土环梁。乔治亚穹顶由于采用了新型的张拉膜屋顶，其合理的受力体系使结构屋面的用钢量非

图5．50　北京工人体育馆

（a）剖面；（b）平面示意

常少，不足30kg／m²。图5．51（b）、（c）是乔治亚穹顶的屋顶平面图和屋顶结构剖面图。

图5．51　美国亚特兰大乔治亚穹顶

（a）外观图；（b）屋顶平面图；（c）屋顶结构剖面图(www.daowen.com)

图5．52　水立方

（a）外观图；（b）骨架空间结构图；（c）WP多面体组合

国家游泳中心是2008年北京奥运会的新场馆［图5．52（a）］，建筑体型简单，为177m×177m×30m的方盒子状。但这个外表面布满水泡的方盒子却是一种全新的结构体系，是空间网架结构和膜结构大家族中的新成员。“水泡”是轻盈的，而支承这种“轻盈体”的却是一个造型独特的大力士——“新型多面体空间网格结构”（观众看台及室内建筑仍由钢筋混凝土结构构筑）。这种多面体空间网格结构的屋盖厚7m、墙厚5．4m，屋面和外墙的填充单元是由十二面体和十四面体组合而成的异型网格或称WP多面体（weaire－phelan）［图5．52（c）］，按一定角度斜切成水泡状网格组成。其上弦、下弦用方钢管，腹杆用圆钢管，节点为焊接空心球节点。图5．52（b）所示的骨架空间网格内外均用透明的ETFE（聚氟乙烯）充气膜膜枕覆盖。整个建筑外观晶莹剔透，这种结构称为“水立方”（Water　Cube）。水立方是世界上面积最大、功能要求最复杂的膜结构体系。水立方的钢架结构是由2万多根杆件和6　000多个节点组成，是根据细胞排列形式和肥皂泡天然结构设计而成，这种新型的多面体空间网格结构是首次由中国人实现的，它是空间网格结构中的新形式，填补了世界建筑结构史上的空白。

1985年建成的沙特阿拉伯利雅得体育场（图5．53），外径288m，其看台挑篷由24个连在一起的形状相同的单支柱帐篷式索－膜结构单元组成。每个单元悬挂于中央支柱，外缘通过边缘索张紧在若干独立的锚固装置上，内缘则绷紧在直径为133m的中央索环上。

我国也不乏膜结构工程实例，其中规模大、影响力强的是1997年建成的上海八万人体育场［图5．54（a）］，其看台挑篷为大型钢管空间结构，由径向64榀大悬挑主桁架和2～4道环向次桁架组成［图5．54（b）］，屋面为钢骨架支承的膜结构，膜为进口高技术材料（Sheerfill）。屋面平面投影呈椭圆形，长轴288．4m、短轴274．4m，中间有敞开的椭圆形孔（长轴215m，短轴150m），总覆盖面积36　100m²，最大悬挑长度73．5m，最短悬挑长度21．6m，当时为国内跨度最大、悬挑长度最长和覆盖面积最大的体育场，也是我国首次在大型永久性建筑上采用膜结构。

图5．53　沙特阿拉伯利亚得体育馆

图5．54　上海八万人体育场

（a）外立面；（b）主次桁架和环梁布置示意