复杂空间结构与膜结构——建筑设计施工一体化实践与探索

随着建筑幕墙行业向大跨度、异形化、高性能方向发展，复杂空间结构与膜结构凭借其轻质、透光、造型灵活的技术优势，近年来在体育场馆、会展中心、商业综合体、交通枢纽等地标性建筑中得到了广泛应用。本文结合工程实践，从材料特性、结构类型、施工难点及典型案例等方面，探讨膜结构在复杂空间建筑中设计施工一体化的关键技术与发展趋势。

膜结构的核心价值源于材料性能与结构形式的协同创新。行业实践中，膜材料可根据建筑功能、环境荷载、防火要求分为三大类，对应三种主流结构类型，覆盖绝大多数幕墙应用场景。

（一）核心膜材料的分类与基本特性

膜材料的选择直接决定幕墙工程的性能、寿命与美学效果，三类核心材料的技术参数与适用场景如下：

1. ETFE薄膜

俗称“软玻璃”，由四氟乙烯颗粒加热挤压而成，厚度范围100μm~400μm，单层自重仅0.175kg/m²~0.7kg/m²，透光率与璃相当（可通过定制颜色、印花点调节透光率）。其核心优势在于柔性优异（可实现双曲面、单曲面等复杂造型）、自洁抗污（表面平滑抗粘，易清洗）、耐候性强（抗紫外线，使用寿命超 20年）、耐化学腐蚀（耐受强酸强碱，包括硫酸）。适用于大跨度采光顶和透明立面。

ETFE薄膜属于难燃材料，防火等级为B1级（B-s1,d0,t2 级），遇明火缩卷融化无滴落物，离火后火焰熄灭，适用于地标建筑、商业天幕、交通枢纽等场景。

2. PTFE（网格）织物膜

以玻璃纤维为基材，表面涂覆聚四氟乙烯树脂而成；其核心特性为透光节能（可通过调整膜面网格开孔率实现遮阳与透光平衡，降低室内能耗）、柔软可塑性（适配异形立面造型）、自洁耐腐（涂层稳定性强，长期使用表面洁净），无需额外防水设计，适用于建筑外立面、室内吊顶等场景。

▲ PTFE膜生产流程

3. PVDF（PVC）膜

性价比高，耐候性与力学性能略逊于ETFE、PTFE膜，主要适用于工业环保、临时建筑等对材料性能要求较低的场景。

（二）膜结构的主要类型

膜结构的形式需结合建筑功能与荷载条件设计，行业内主流类型分为三类：

1. 骨架支撑式膜结构

膜材覆盖于刚性骨架（钢构、空间网格）表面，骨架承担主要荷载，膜材仅作为围护结构，张拉后形成稳定屋面。适用于大跨度体育场馆、会展中心等对结构刚度要求较高的场景。

2. 索系张拉式膜结构

通过预应力钢索或边索对膜材施加张力，形成稳定曲面，膜面为纯受拉状态，无刚性支撑构件。造型轻盈通透，适用于商业连廊、景观小品等对美学性要求较高的场景。

3. 气囊/气枕式膜结构

依靠气压差（内压＞外压）维持形态，可设计为单层、双层或多层气枕，满足不同保温、隔热、隔音需求。适用于商业天幕、采光顶等需平衡性能与造型的场景，尤其适配玻璃难以实现的复杂曲面。

膜结构的技术价值需通过工程实践落地验证。以下结合三个典型案例，探讨膜结构在不同场景下的应用逻辑与一体化技术路径。

案例一：ETFE单层膜结构在地标建筑中的应用——西安丝绸之路爱之塔

1. 项目背景与设计理念

该项目为“一带一路”十周年献礼工程，位于西安（丝绸之路东方起点），定位为商业地标，膜材面积15100㎡，采用复杂空间钢结构 + ETFE透明膜体系。

设计以“芭蕾舞者”为原型，通过要素剥离与抽象重组，形成“莫比乌斯环 + 裙摆 + 丝带 + 塔身”的整体造型：塔高139.21m，裙摆直径64.5m；夜幕灯光融入“舞动”“生长”“绽放”理念，强化地标辨识度。

▲ 塔身组成分析

2. 核心技术难点与解决方案

项目高度超100m，且位于高风压地区，采用ETFE单层膜作为裙摆和飘带饰面，需解决高空结构荷载计算与封闭空间ETFE防火两大核心问题：

• 结构计算与强度校核

依据《膜结构技术规程》、《索结构技术规程》，采用多荷载工况组合对裙摆膜、丝带膜及钢索体系进行一体化计算分析。结果表明，在恒载、活载、风压及风吸等荷载组合下，膜材最大应力与钢索破断力均满足规范安全要求，确保了结构在百米高空及高风压环境下的安全性。

• 封闭空间防火解决方案

针对ETFE膜B1级防火特性，在气枕屋面增设消防熔断系统：采用电热丝外包 PTFE 膜（玻璃纤维基材，不燃绝缘），火灾时60秒内形成排烟通道；多边形气枕仅保留底边不设熔断装置，其余边界联动消防控制系统自动熔断，解决封闭空间排烟散热问题。

▲ 消防熔断系统工作原理

• 节点设计与精度控制

裙摆顶部分膜节点采用“铝盖板 + 防水膜 + 钢天沟”构造，兼顾防水与美观；底部分膜节点通过圆钢管绷膜与膜反包设计，隐藏节点提升视觉效果。钢构件采用数控弯弧加工（误差≤1cm），膜面双向弯曲裁剪（精度达毫米级），地面预拼装后整体吊装，确保高空安装精度。

3. 实施效果

膜面与钢结构融合度高，裙摆、丝带造型流畅，夜景灯光与“丝路”主题呼应，既满足地标建筑的功能需求，又实现“刚柔并济”的美学效果。

▲ 项目实景与夜景效果

项目名称：西安丝绸之路-爱之塔

项目规模：ETFE膜展开面积15100㎡；

项目地点：陕西省咸阳市秦都区西咸新区沣西新城

业主单位：西咸新区丝路欢乐世界旅游发展有限公司

设计单位：青岛北洋建筑设计院

总承包单位：陕西建工第五建设集团有限公司

膜结构设计施工：浙江万豪空间结构集团有限公司

案例二：ETFE气囊气枕结构在商业天幕中的应用——杭州博多森谷

1. 项目背景与设计理念

项目位于杭州余杭，为中庭商业天幕，膜材面积12000㎡，采用复杂空间钢结构 + PTFE网格膜 + ETFE镀点膜 + ETFE透明气枕膜体系。

设计灵感源于西湖龙井茶山，茶山单元之间采用钢索弱连接，传力清晰、造型轻盈，适配商业空间人员密集、功能复合的特点。

2. 原方案问题与优化方案

原方案在结构体系上存在不足，如立柱过多、屋面刚度偏弱、传力路径不清晰，制约了建筑创意的表达与使用功能。项目团队通过一体化优化，形成以下解决方案：

• 结构体系优化

将“茶山”作为独立稳定单元，采用单层网壳 + 双层网壳组合体系，通过撑杆连接，提升整体刚度；摒弃纯钢索设计，采用钢构 + 钢索混合布置，受力更合理，同时简化构件布局，还原“茶山”自然形态。

▲ 结构方案优化对比

• 积水问题专项解决

原方案中单层ETFE区域易积水（形成“水袋子”，排水后残留积灰），改为ETFE透明气枕：雨水沿气枕硬边界汇入排水系统，彻底解决积水问题；气枕采用三角、四边形组合，适配“茶山”曲面造型。

▲ 积水问题解决方案对比

• 膜材与节点细节设计

膜面分六层设计：上层3层ETFE绿膜（从浅到深渐变），下层3层PTFE吊顶膜（同色系渐变），模拟茶山层次；节点采用120×90小水槽、EPDM通长密封，结合可调设计避免膜材褶皱，且所有节点隐藏处理（天幕最低处距地仅3-4m，细节美观性要求高）。

同时设置空气通道与通风口，改善人员密集区域的闷热问题，提升商业空间舒适度。

▲ ETFE绿膜颜色分布与节点细节

▲ PTFE吊顶膜颜色分布与节点细节

3. 实施效果

“茶山”造型还原度高，膜面无积水、无褶皱，节点隐藏性好，通风效果佳，既满足商业天幕的采光、美学需求，又保障人员使用体验。

▲ 项目实景效果

项目名称：杭州博多森谷中庭天幕

项目规模：用钢量689T，ETFE+PTFE网格织物膜面积12000㎡；

项目地点：浙江省杭州市余杭区良渚新城

业主单位：浙江博多控股集团

设计单位：GOA大象设计

钢·膜结构设计施工：浙江万豪空间结构集团有限公司

案例三：PTFE网格织物膜在建筑立面中的应用——绍兴国际会议中心

1. 项目背景与设计理念

项目位于绍兴柯桥，为大型会展建筑，膜材面积13750㎡，采用钢结构主体 + 玻璃幕墙（内立面）+PTFE网格膜（外立面）的双层幕墙体系。

原设计采用穿孔铝板，但因传统灯笼异形旋转造型难以实现，改为PTFE网格膜，满足遮阳、防玻璃反光、室内外视线通透三大核心需求，同时降低室内能耗。

2. 核心技术方案

• 双层幕墙体系设计

内立面玻璃幕墙承担围护功能，外立面PTFE网格膜承担遮阳与造型功能：通过调整膜面网格开孔率，阻挡阳光直射与玻璃反光，同时维持室内外视线通透，间接降低空调能耗；幕墙平面为100m×70m椭圆，钢构骨架划分为30榀，膜片划分为80片，确保造型精度。

▲ 双层幕墙体系构成

• 结构分析与节点验证

采用一体化建模进行非线性分析，结构应力比最大值0.97，满足承载力要求。针对凸出、内凹结构优化节点设计（如顶膜圆管、通长钢板固定），膜单元拼缝采用“背靠背”处理，提升立面完整性；制作视觉样板检验膜边界、焊缝、灯光效果，确保落地质量。

▲ 典型节点构造分析

• 工业化实施路径

钢构件工厂加工编号，经地面预拼装定位后进场；PTFE膜材专业加工，现场同步安装钢构与膜单元，利用全站仪全点位实测指导膜面裁剪，避免现场调整误差。

▲ 膜单元安装现场图

3. 实施效果

外立面传统灯笼造型清晰，遮阳与透光平衡，室内能耗降低约15%，膜面与玻璃幕墙衔接自然，满足会展建筑的功能需求与地域文化表达。

▲ 项目实景效果

项目名称：绍兴国际会议中心

项目规模：二次钢构用钢量460T，PTFE网格织物膜展开面积13750㎡；

项目地点：浙江省绍兴市柯桥区

业主单位：绍兴市柯桥区开发经营集团有限公司

设计单位：同济设计院

总承包单位：浙江精工绿筑有限公司 

膜结构设计施工：浙江万豪空间结构集团有限公司

从上述案例可见，“设计 - 生产 - 施工”一体化是膜结构工程成功的核心保障。结合行业实践，一体化技术路径应聚焦以下三大要点：

一、一体化协同设计

膜材为柔性受张拉材料，其受力状态与钢结构紧密关联。需通过同步一体化建模，整合膜面与主结构的受力分析，明确传力路径：一方面可优化结构形态，减少主结构冗余荷载（如爱之塔通过同步建模降低钢材用量约8%）；另一方面可提升膜面与钢结构的融合性，避免后期施工调整，保障建筑美学效果。

二、一体化加工生产

膜面连接节点、爪件、二次钢构等构件精度要求高（毫米级膜裁剪、厘米级钢构加工），若主钢结构与二次结构分属不同单位生产，易产生误差叠加。需在工厂内同步建模、出图、生产：如绍兴项目将钢构骨架、膜节点在同一工厂加工，预拼装后再进场，减少现场调整量，提升施工效率。

三、一体化施工安装

膜结构施工需与钢结构紧密协同：一方面通过地面预拼装消化主钢结构的变形、下挠误差（如博多森谷天幕通过预拼装消除钢构累计误差约5mm）；另一方面利用全站仪全点位实测数据指导膜面裁剪，确保膜单元安装精度；同时推进钢结构与膜结构同步施工，避免工序脱节导致的质量隐患。

综上所述，复杂空间结构与膜结构正持续推动幕墙行业向大跨度、轻量化、高性能方向发展。设计施工一体化是保障其工程实现“质量、效率与经济性”统一的核心路径。展望未来，随着高性能膜材（如改性ETFE）、BIM与数字化施工等一体化技术的深度融合，以及绿色低碳理念的全面贯彻，膜结构将在提升建筑品质、降低环境影响方面发挥更关键的作用，为建筑行业的高质量与可持续发展提供坚实支撑。

作者：浙江萬豪空间结构集团有限公司董事长、中国钢结构协会空间结构分会专家   张委

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