索膜结构是20世纪中叶发展起来的一种新型建筑结构形式，是一种建筑与结构完美结合的结构体系。其曲面可以随着建筑师的设计需要任意变化，结合整体环境，建造出标志性的形象工程。20世纪90年代以来，索膜结构在中国也得到了飞速的发展，已经建成了数十个大型膜结构体育建筑、文化娱乐建筑、商业建筑、交通运输建筑和标志性建筑（图1）。

图1 中国上海八万人体育场

索膜结构具有自洁性、透光性、大跨度、轻量结构、防火性和耐久性好、安装复杂等特点。索膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。张拉式膜结构则通过支承结构或钢索张拉成型，其造型非常优美灵活。

充气膜结构又分为气承式膜结构和气肋式膜结构两种（图2）。气承式膜结构依靠室内外压力差形成和维持稳定膜面形态并承受外荷载作用。气肋式膜结构是向特定形状的封闭气囊内充入一定压力的气体以形成具有一定刚度和形状的构件，再由这些构件相互连接形成建筑空间。

图2 中国北京市民冰雪体育中心

21世纪以来，采用近乎全透明无基材膜材ETFE的气肋（枕）式膜结构因其特殊的建筑光学效果得到了相当程度的应用，应用实例之一是为2008年北京夏季奥体会建造的中国国家游泳中心（俗称水立方，图3）。

图3 中国国家游泳中心

张拉膜结构的应用远多于充气膜结构。张拉膜结构以钢索、钢结构构件等为边界，通过张拉边界或顶升飞柱等手段给膜面施加张力、维持设计的形状并承受荷载。张拉膜结构的基本外形有马鞍形（图4）、圆锥形（伞形，图5）、拱支承形（图6）、脊谷式等（图7）。应用于实际工程的张拉膜结构常常是这些基本外形的组合。

图4 马鞍形膜结构图5 圆锥形膜结构图6 拱支撑形膜结构图7 脊谷式膜结构

拉索与锚具。膜结构的拉索可采用热挤聚乙烯高强钢丝拉索、钢绞线或钢丝绳，也可根据具体情况采用钢棒等。拉索的锚接可采用浇铸式（冷铸锚、热铸锚）、压接式或机械式锚具。膜结材料可分为无基材薄膜材料和基材涂层类膜材两大类。膜结构建筑中最常用的膜材料基材主要为PVC膜材料和PTFE膜材料（俗称特富龙）。

作为一种柔性结构，索膜材料本身在自然状态下不具有保持固有形状和承载的能力，只有对膜材和索施加了一定的预应力后结构体系才获得承载所必需的刚度和形状。因此，索膜建筑设计与传统结构的设计过程有很大差别，它需要建筑设计与结构设计紧密结合，寻求满足建筑功能要求的理想几何外形和合理的应力状态。

索膜结构的设计包括初始状态确定（俗称找形）、荷载分析和裁剪分析。对于结构工程师而言，初始形态设计和荷载分析是其关注的焦点。裁剪分析是一项更为专业的工作，不属于传统结构工程师的工作范畴。

索膜结构初始状态的确定包含几何（形）和合理的应力状态（态）两个方面。随着计算机软硬件技术的快速发展，有限单元法已经成为结构分析包括索膜结构初始状态分析的主流方法。

索膜结构的初始状态一旦确定之后，需要进一步作荷载效应分析，以得到膜面在外部荷载作用下的应力状态，同时判断膜面是否会出现松弛、褶皱、应力集中等不利情况。膜结构在外荷载作用下，通过膜面曲率的变化和膜面应力重分布，达到新的平衡状态。这一过程具有明显的大位移几何非线性特点，所以对该类柔性结构的有限元计算需要考虑结构的几何非线性，其工作状态的荷载效应分析要采用非线性有限单元法。

索膜结构的膜面是预应力状态下的光滑空间曲面，索膜结构裁剪分析的目的就是将空间曲面展开为无应力、平面且有幅宽限制的下料图，且膜面接缝符合建筑美观要求，膜材用料经济。索膜结构裁剪分析的内容包括：裁剪线布置、空间膜曲面展开成平面膜面、应变补偿，并根据以上结果得到裁剪片施工图纸。

索膜结构制作中，膜面的制作是控制的重点。膜面制作主要分为膜材原匹检查、裁剪、研磨、热合、收边、打孔、成品检查等过程。其中，裁剪、研磨、热合、收边是关键。①裁剪，加工制作场地应平整，加工环境应满足一定的温度和湿度要求。以设计制作的裁剪资料（裁剪图）为基准，标出在膜板加工时必要的记号（折叠宽度、熔接宽度等）。切割膜材应避开膜材原料上的瑕疵点。②研磨，对需要研磨的膜材，在研磨前后使用微分卡控制研磨深度。③热合，当日使用的所有热合机均实行开机试验，根据当日所加工的膜材特性，通过调控机械的温度和操作时间进行取样，实现对膜片的均匀熔接和提高膜片剥离试验的强度，从而控制当日热合的合格程度和工艺稳定性。④收边，是膜体热合的后道工序，收边后的尺寸根据图纸要求进行确认。

主要分为安装前的复测、施加预张力、膜面的保管、搁置平台搭设、膜面的检查、绳网拉设、膜面安装、周边固定、提升膜面、调整及张拉膜面等步骤。其中，施加预张力、膜面安装、周边固定、调整及张拉膜面是关键。

对于通过集中施力点施加预张力的膜结构，在施加预张力前应将支座连接板和所有可调部件调节到位。应由设计单位与施工单位共同选定有代表性的施力点，每一施力位置使用的施力机具，其施力标定值不宜小于设计施力值的2倍。施加预张力应分步进行，各步的间隔时间宜大于24小时。

膜面安装前应确保必须施焊完毕、相关区域内构件的涂装工作必须结束，必须在无雨雪或工作风速较小的气候条件下进行膜面的铺展。膜单元展开前，应采取必要的措施防止膜材受到污染或损伤。就位后，先在搁置平台上将膜面横向展开，并将灰色夹具按一定间隔与膜面上的孔位相连接（一般每隔2米安装一个灰色夹具），再用腈纶绳与夹具相连接，最后利用绳索紧绳机向铺展方向牵引膜面。

将膜面拉至离安装位置80厘米左右时，用钢丝绳紧绳机替换下绳索紧绳机并安装夹具（夹具数量可根据膜面松紧程度决定），再用钢丝绳紧绳机将膜面向膜结构支架处牵引。膜结构支架上的螺栓间距与膜布上的孔位是相匹配的，当膜布拉到其安装位置后即可用螺栓把膜面固定在膜结构支架上。膜面固定时部分孔位可能与支架上的螺栓位置不一致，须要求现场开孔。开孔时用美工刀或冲头，严禁使用榔头直接敲击膜布进行开孔。当膜面周边固定好后，拆除所有夹具并松开绳网。

膜面的张拉是通过张拉结构索使膜面达到设计的应力。张拉时，在结构对称点上用千斤顶或捯链对钢索施力。张拉过程中随时用应力测试仪进行膜面应力的测试，并根据现场安装指导人员的指示随时停止膜面张拉工作。