隨著建筑幕墻行業向大跨度、異形化、高性能方向發展，復雜空間結構與膜結構憑借其輕質、透光、造型靈活的技術優勢，近年來在體育場館、會展中心、商業綜合體、交通樞紐等地標性建筑中得到了廣泛應用。本文結合工程實踐，從材料特性、結構類型、施工難點及典型案例等方面，探討膜結構在復雜空間建筑中設計施工一體化的關鍵技術與發展趨勢。
膜結構的核心價值源于材料性能與結構形式的協同創新。行業實踐中，膜材料可根據建筑功能、環境荷載、防火要求分為三大類，對應三種主流結構類型，覆蓋絕大多數幕墻應用場景。
（一）核心膜材料的分類與基本特性
膜材料的選擇直接決定幕墻工程的性能、壽命與美學效果，三類核心材料的技術參數與適用場景如下：
1. ETFE薄膜
俗稱“軟玻璃”，由四氟乙烯顆粒加熱擠壓而成，厚度范圍100μm~400μm，單層自重僅0.175kg/m2~0.7kg/m2，透光率與玻璃相當（可通過定制顏色、印花點調節透光率）。其核心優勢在于柔性優異（可實現雙曲面、單曲面等復雜造型）、自潔抗污（表面平滑抗粘，易清洗）、耐候性強（抗紫外線，使用壽命超 20年）、耐化學腐蝕（耐受強酸強堿，包括硫酸）。適用于大跨度采光頂和透明立面。
ETFE薄膜屬于難燃材料，防火等級為B1級（B-s1,d0,t2 級），遇明火縮卷融化無滴落物，離火后火焰熄滅，適用于地標建筑、商業天幕、交通樞紐等場景。
2. PTFE（網格）織物膜
以玻璃纖維為基材，表面涂覆聚四氟乙烯樹脂而成；其核心特性為透光節能（可通過調整膜面網格開孔率實現遮陽與透光平衡，降低室內能耗）、柔軟可塑性（適配異形立面造型）、自潔耐腐（涂層穩定性強，長期使用表面潔凈），無需額外防水設計，適用于建筑外立面、室內吊頂等場景。
▲ PTFE膜生產流程
3. PVDF（PVC）膜
性價比高，耐候性與力學性能略遜于ETFE、PTFE膜，主要適用于工業環保、臨時建筑等對材料性能要求較低的場景。
（二）膜結構的主要類型
膜結構的形式需結合建筑功能與荷載條件設計，行業內主流類型分為三類：
1. 骨架支撐式膜結構
膜材覆蓋于剛性骨架（鋼構、空間網格）表面，骨架承擔主要荷載，膜材僅作為圍護結構，張拉后形成穩定屋面。適用于大跨度體育場館、會展中心等對結構剛度要求較高的場景。
2. 索系張拉式膜結構
通過預應力鋼索或邊索對膜材施加張力，形成穩定曲面，膜面為純受拉狀態，無剛性支撐構件。造型輕盈通透，適用于商業連廊、景觀小品等對美學性要求較高的場景。
3. 氣囊/氣枕式膜結構
依靠氣壓差（內壓＞外壓）維持形態，可設計為單層、雙層或多層氣枕，滿足不同保溫、隔熱、隔音需求。適用于商業天幕、采光頂等需平衡性能與造型的場景，尤其適配玻璃難以實現的復雜曲面。
膜結構的技術價值需通過工程實踐落地驗證。以下結合三個典型案例，探討膜結構在不同場景下的應用邏輯與一體化技術路徑。
案例一：ETFE單層膜結構在地標建筑中的應用——西安絲綢之路愛之塔
1. 項目背景與設計理念
該項目為“一帶一路”十周年獻禮工程，位于西安（絲綢之路東方起點），定位為商業地標，膜材面積15100㎡，采用復雜空間鋼結構 + ETFE透明膜體系。
設計以“芭蕾舞者”為原型，通過要素剝離與抽象重組，形成“莫比烏斯環 + 裙擺 + 絲帶 + 塔身”的整體造型：塔高139.21m，裙擺直徑64.5m；夜幕燈光融入“舞動”“生長”“綻放”理念，強化地標辨識度。
▲ 塔身組成分析
2. 核心技術難點與解決方案
項目高度超100m，且位于高風壓地區，采用ETFE單層膜作為裙擺和飄帶飾面，需解決高空結構荷載計算與封閉空間ETFE防火兩大核心問題：
? 結構計算與強度校核
依據《膜結構技術規程》、《索結構技術規程》，采用多荷載工況組合對裙擺膜、絲帶膜及鋼索體系進行一體化計算分析。結果表明，在恒載、活載、風壓及風吸等荷載組合下，膜材最大應力與鋼索破斷力均滿足規范安全要求，確保了結構在百米高空及高風壓環境下的安全性。
? 封閉空間防火解決方案
針對ETFE膜B1級防火特性，在氣枕屋面增設消防熔斷系統：采用電熱絲外包 PTFE 膜（玻璃纖維基材，不燃絕緣），火災時60秒內形成排煙通道；多邊形氣枕僅保留底邊不設熔斷裝置，其余邊界聯動消防控制系統自動熔斷，解決封閉空間排煙散熱問題。
▲ 消防熔斷系統工作原理
? 節點設計與精度控制
裙擺頂部分膜節點采用“鋁蓋板 + 防水膜 + 鋼天溝”構造，兼顧防水與美觀；底部分膜節點通過圓鋼管繃膜與膜反包設計，隱藏節點提升視覺效果。鋼構件采用數控彎弧加工（誤差≤1cm），膜面雙向彎曲裁剪（精度達毫米級），地面預拼裝后整體吊裝，確保高空安裝精度。
3. 實施效果
膜面與鋼結構融合度高，裙擺、絲帶造型流暢，夜景燈光與“絲路”主題呼應，既滿足地標建筑的功能需求，又實現“剛柔并濟”的美學效果。
▲ 項目實景與夜景效果
項目名稱：西安絲綢之路-愛之塔
項目規模：ETFE膜展開面積15100㎡；
項目地點：陜西省咸陽市秦都區西咸新區灃西新城
業主單位：西咸新區絲路歡樂世界旅游發展有限公司
設計單位：青島北洋建筑設計院
總承包單位：陜西建工第五建設集團有限公司
膜結構設計施工：浙江萬豪空間結構集團有限公司
案例二：ETFE氣囊氣枕結構在商業天幕中的應用——杭州博多森谷
1. 項目背景與設計理念
項目位于杭州余杭，為中庭商業天幕，膜材面積12000㎡，采用復雜空間鋼結構 + PTFE網格膜 + ETFE鍍點膜 + ETFE透明氣枕膜體系。
設計靈感源于西湖龍井茶山，茶山單元之間采用鋼索弱連接，傳力清晰、造型輕盈，適配商業空間人員密集、功能復合的特點。
2. 原方案問題與優化方案
原方案在結構體系上存在不足，如立柱過多、屋面剛度偏弱、傳力路徑不清晰，制約了建筑創意的表達與使用功能。項目團隊通過一體化優化，形成以下解決方案：
? 結構體系優化
將“茶山”作為獨立穩定單元，采用單層網殼 + 雙層網殼組合體系，通過撐桿連接，提升整體剛度；摒棄純鋼索設計，采用鋼構 + 鋼索混合布置，受力更合理，同時簡化構件布局，還原“茶山”自然形態。
▲ 結構方案優化對比
? 積水問題專項解決
原方案中單層ETFE區域易積水（形成“水袋子”，排水后殘留積灰），改為ETFE透明氣枕：雨水沿氣枕硬邊界匯入排水系統，徹底解決積水問題；氣枕采用三角、四邊形組合，適配“茶山”曲面造型。
▲ 積水問題解決方案對比
? 膜材與節點細節設計
膜面分六層設計：上層3層ETFE綠膜（從淺到深漸變），下層3層PTFE吊頂膜（同色系漸變），模擬茶山層次；節點采用120×90小水槽、EPDM通長密封，結合可調設計避免膜材褶皺，且所有節點隱藏處理（天幕最低處距地僅3-4m，細節美觀性要求高）。
同時設置空氣通道與通風口，改善人員密集區域的悶熱問題，提升商業空間舒適度。
▲ ETFE綠膜顏色分布與節點細節
▲ PTFE吊頂膜顏色分布與節點細節
3. 實施效果
“茶山”造型還原度高，膜面無積水、無褶皺，節點隱藏性好，通風效果佳，既滿足商業天幕的采光、美學需求，又保障人員使用體驗。
▲ 項目實景效果
項目名稱：杭州博多森谷中庭天幕
項目規模：用鋼量689T，ETFE+PTFE網格織物膜面積12000㎡；
項目地點：浙江省杭州市余杭區良渚新城
業主單位：浙江博多控股集團
設計單位：GOA大象設計
鋼·膜結構設計施工：浙江萬豪空間結構集團有限公司
案例三：PTFE網格織物膜在建筑立面中的應用——紹興國際會議中心
1. 項目背景與設計理念
項目位于紹興柯橋，為大型會展建筑，膜材面積13750㎡，采用鋼結構主體 + 玻璃幕墻（內立面）+PTFE網格膜（外立面）的雙層幕墻體系。
原設計采用穿孔鋁板，但因傳統燈籠異形旋轉造型難以實現，改為PTFE網格膜，滿足遮陽、防玻璃反光、室內外視線通透三大核心需求，同時降低室內能耗。
2. 核心技術方案
? 雙層幕墻體系設計
內立面玻璃幕墻承擔圍護功能，外立面PTFE網格膜承擔遮陽與造型功能：通過調整膜面網格開孔率，阻擋陽光直射與玻璃反光，同時維持室內外視線通透，間接降低空調能耗；幕墻平面為100m×70m橢圓，鋼構骨架劃分為30榀，膜片劃分為80片，確保造型精度。
▲ 雙層幕墻體系構成
? 結構分析與節點驗證
采用一體化建模進行非線性分析，結構應力比最大值0.97，滿足承載力要求。針對凸出、內凹結構優化節點設計（如頂膜圓管、通長鋼板固定），膜單元拼縫采用“背靠背”處理，提升立面完整性；制作視覺樣板檢驗膜邊界、焊縫、燈光效果，確保落地質量。
▲ 典型節點構造分析
? 工業化實施路徑
鋼構件工廠加工編號，經地面預拼裝定位后進場；PTFE膜材專業加工，現場同步安裝鋼構與膜單元，利用全站儀全點位實測指導膜面裁剪，避免現場調整誤差。
▲ 膜單元安裝現場圖
3. 實施效果
外立面傳統燈籠造型清晰，遮陽與透光平衡，室內能耗降低約15%，膜面與玻璃幕墻銜接自然，滿足會展建筑的功能需求與地域文化表達。
▲ 項目實景效果
項目名稱：紹興國際會議中心
項目規模：二次鋼構用鋼量460T，PTFE網格織物膜展開面積13750㎡；
項目地點：浙江省紹興市柯橋區
業主單位：紹興市柯橋區開發經營集團有限公司
設計單位：同濟設計院
總承包單位：浙江精工綠筑有限公司
膜結構設計施工：浙江萬豪空間結構集團有限公司
從上述案例可見，“設計 - 生產 - 施工”一體化是膜結構工程成功的核心保障。結合行業實踐，一體化技術路徑應聚焦以下三大要點：
一、一體化協同設計
膜材為柔性受張拉材料，其受力狀態與鋼結構緊密關聯。需通過同步一體化建模，整合膜面與主結構的受力分析，明確傳力路徑：一方面可優化結構形態，減少主結構冗余荷載（如愛之塔通過同步建模降低鋼材用量約8%）；另一方面可提升膜面與鋼結構的融合性，避免后期施工調整，保障建筑美學效果。
二、一體化加工生產
膜面連接節點、爪件、二次鋼構等構件精度要求高（毫米級膜裁剪、厘米級鋼構加工），若主鋼結構與二次結構分屬不同單位生產，易產生誤差疊加。需在工廠內同步建模、出圖、生產：如紹興項目將鋼構骨架、膜節點在同一工廠加工，預拼裝后再進場，減少現場調整量，提升施工效率。
三、一體化施工安裝
膜結構施工需與鋼結構緊密協同：一方面通過地面預拼裝消化主鋼結構的變形、下撓誤差（如博多森谷天幕通過預拼裝消除鋼構累計誤差約5mm）；另一方面利用全站儀全點位實測數據指導膜面裁剪，確保膜單元安裝精度；同時推進鋼結構與膜結構同步施工，避免工序脫節導致的質量隱患。
綜上所述，復雜空間結構與膜結構正持續推動幕墻行業向大跨度、輕量化、高性能方向發展。設計施工一體化是保障其工程實現“質量、效率與經濟性”統一的核心路徑。展望未來，隨著高性能膜材（如改性ETFE）、BIM與數字化施工等一體化技術的深度融合，以及綠色低碳理念的全面貫徹，膜結構將在提升建筑品質、降低環境影響方面發揮更關鍵的作用，為建筑行業的高質量與可持續發展提供堅實支撐。
作者：浙江萬豪空間結構集團有限公司董事長、中國鋼結構協會空間結構分會專家 張委
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