膜結(jié)構(gòu)(Membrane Structures)是20世紀(jì)中期開(kāi)展起來(lái)的一種新型建筑構(gòu)造方式，是由多種高強(qiáng)薄膜資料(PVC或Teflon)及增強(qiáng)構(gòu)件(鋼架、鋼柱或鋼索)經(jīng)過(guò)一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生一定的預(yù)張應(yīng)力以構(gòu)成某種空間外形，作為掩蓋構(gòu)造，并能接受一定的外荷載作用的一種空間構(gòu)造方式。膜構(gòu)造可分為充氣膜構(gòu)造和張拉膜構(gòu)造兩大類(lèi)。充氣膜構(gòu)造是靠室內(nèi)不時(shí)充氣，使室內(nèi)外產(chǎn)生一定壓力差(普通在10mm-30mm水柱之間)，室內(nèi)外的壓力差使屋蓋膜布遭到一定的向上的浮力，從而完成較大的跨度。張拉膜構(gòu)造則經(jīng)過(guò)柱及鋼架支承或鋼索張拉成型，其外型十分漂亮靈敏。
膜結(jié)構(gòu)所用膜資料由基布和涂層兩局部組成?；贾饕捎镁埘ダw維和玻璃纖維資料;涂層資料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材為聚酯纖維覆聚氯乙烯(PVC)和玻璃纖維覆聚聚四氟乙烯(Teflon)。PVC資料的主要特性是強(qiáng)度低、彈性大、易老化、徐變大、自潔性差，但價(jià)錢(qián)廉價(jià)，容易加工制造，顏色豐厚，抗折疊性能好。為改善其性能，可在其外表涂一層聚四氟乙烯涂層，進(jìn)步其抗老化和自潔才能，其壽命可到達(dá)15年左右。Teflon資料強(qiáng)度高、彈性模量大、自潔、耐久耐火等性能好，但它價(jià)錢(qián)較貴，不易折疊，對(duì)裁剪制造精度請(qǐng)求較高，壽命普通在30年以上，適用于永世建筑。
??世界上座充氣膜構(gòu)造建成于1946年，設(shè)計(jì)者為美國(guó)的沃爾特·勃德(W.Bird)，這是一座直徑為15m的充氣穹頂。1967年在德國(guó)斯圖加特召開(kāi)的屆國(guó)際充氣構(gòu)造會(huì)議，無(wú)疑給充氣膜構(gòu)造的開(kāi)展注入了興奮劑。隨后形形色色的充氣膜構(gòu)造建筑呈現(xiàn)在1970年大阪世界博覽會(huì)上。其中具有代表性的有蓋格爾設(shè)計(jì)的美國(guó)館(137m ×78m卵形)，以及川口衛(wèi)設(shè)計(jì)的香腸形充氣構(gòu)件膜構(gòu)造。后來(lái)人們認(rèn)70年大阪博覽會(huì)是把膜構(gòu)造系統(tǒng)地、商業(yè)性地向外界引見(jiàn)的開(kāi)端。大阪博覽會(huì)展現(xiàn)了人們能夠用膜構(gòu)造建造永世性建筑。而70年代初美國(guó)蓋格爾一勃格公司(Geiger-Berger Associates)開(kāi)發(fā)出的契合美國(guó)永世建筑標(biāo)準(zhǔn)的特氟隆(Teflon)膜資料為膜構(gòu)造普遍應(yīng)用于永世、半永世性建筑奠定了物質(zhì)根底。之后，用特氟隆資料做成的室內(nèi)充氣式膜構(gòu)造相繼呈現(xiàn)在大中型體育館中，如 1975年建成的密歇根州龐蒂亞克銀色穹頂(橢圓形 220 × 159m)，1988年建成的日本東京體育館(室內(nèi)凈面積4.6767m2)。
??張拉式膜結(jié)構(gòu)的先行者是德國(guó)的奧托(F.Otto)，他在 1955年設(shè)計(jì)的張拉膜構(gòu)造跨度在 25m左右，用于結(jié)合公園多功用展廳。由于張拉膜構(gòu)造是經(jīng)過(guò)邊境條件給膜材施加一定的預(yù)張應(yīng)力，以抵御外部荷載的作用，因而在一定初始條件(邊境條件和應(yīng)力條件)下，其初始外形確實(shí)定、在外荷載作用下膜中應(yīng)力散布與變形以及怎樣用二維的膜資料來(lái)模仿三維的空間曲面等一系列復(fù)雜的問(wèn)題，都需求有計(jì)算來(lái)肯定，所以張拉膜構(gòu)造的開(kāi)展離不開(kāi)計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和新算法的提出。目前國(guó)外一些先進(jìn)的膜構(gòu)造設(shè)計(jì)制造軟件已十分完善，人們能夠經(jīng)過(guò)圖形顯現(xiàn)看到各種初始條件和外荷載作用下的外形與變形，并能計(jì)算任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，使找形(初始外形剖析)、裁剪和受力剖析集成一體化，使得膜構(gòu)造的設(shè)計(jì)大為煩瑣，它不但能剖析整個(gè)施工過(guò)程中各個(gè)不同構(gòu)造的穩(wěn)定性和膜中應(yīng)力，而且能準(zhǔn)確計(jì)算由于調(diào)理索或柱而產(chǎn)生的次生應(yīng)力，完整能夠防止各種不利荷載工況產(chǎn)生的不測(cè)結(jié)果。因而計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛開(kāi)展為張拉膜構(gòu)造的應(yīng)用開(kāi)拓了寬廣的前景。而特氟隆膜資料的研制勝利也極大地推進(jìn)了張拉膜構(gòu)造的應(yīng)用。比擬的有沙特阿拉伯吉達(dá)國(guó)際航空港、沙特阿拉伯利雅得體育館、加拿大林德塞公園水族館、英國(guó)溫布爾登室內(nèi)網(wǎng)球館、美國(guó)新丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)等。
??膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括體形設(shè)計(jì)、初始均衡外形剖析、荷載剖析、裁剪剖析等四大問(wèn)題。經(jīng)過(guò)體形設(shè)計(jì)肯定建筑平面外形尺寸、三維外型、凈空體量，肯定各控制點(diǎn)的坐標(biāo)、構(gòu)造方式，選用膜材和施工計(jì)劃。初始均衡外形剖析就是所謂的找形剖析。由于膜資料自身沒(méi)有抗壓和抗彎剛度，抗剪強(qiáng)度也很差，因而其剛度和穩(wěn)定性需求靠膜曲面的曲率變化和其中預(yù)張應(yīng)力來(lái)進(jìn)步，對(duì)膜構(gòu)造而言，任何時(shí)分不存在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，因而膜曲面外形終必需滿足在一定邊境條件、一定預(yù)應(yīng)力條件下的力學(xué)均衡，并以此為基準(zhǔn)停止荷載剖析和裁剪剖析。目前膜構(gòu)造找形剖析的辦法主要有動(dòng)力松弛法、力密度法以及有限單元法等。膜構(gòu)造思索的荷載普通是風(fēng)載和雪載。在荷載作用下膜資料的變形較大，且隨著外形的改動(dòng)，荷載散布也在改動(dòng)，因而要準(zhǔn)確計(jì)算構(gòu)造的變形和應(yīng)力要用幾何非線性的辦法停止。荷載剖析的另一個(gè)目的是肯定索、膜中初始預(yù)張力。在外荷載作用下膜中一個(gè)方向應(yīng)力增加而另一個(gè)方向應(yīng)力減少，這就請(qǐng)求施加初始張應(yīng)力的水平要滿足在不利荷載作用下應(yīng)力不致減少到零，即不呈現(xiàn)皺褶。由于膜資料比擬輕柔，自振頻率很低，在風(fēng)荷載作用下極易產(chǎn)生風(fēng)振，招致膜資料毀壞，假如初始預(yù)應(yīng)力施加過(guò)高，膜材徐變加大，易老化且強(qiáng)度儲(chǔ)藏少，對(duì)受力構(gòu)件強(qiáng)度請(qǐng)求也高，增加施工裝置難度。因而初始預(yù)應(yīng)力確實(shí)定要經(jīng)過(guò)荷載計(jì)算來(lái)肯定。經(jīng)過(guò)找形剖析而構(gòu)成的膜構(gòu)造通常為三維不可展空間曲面，如何經(jīng)過(guò)二維資料的裁剪，張拉構(gòu)成所需求的三維空間曲面，是整個(gè)膜構(gòu)造工程中關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題，這正是裁剪剖析的主要內(nèi)容。