膜結(jié)構(gòu)的特性及其發(fā)展概述

膜結(jié)構(gòu)的特性及其發(fā)展概述（一） 膜結(jié)構(gòu)的特性一、更自由的建筑形體塑造多變的支撐結(jié)構(gòu)和柔性膜材使建筑物造型更加多樣化，新穎美觀，同時(shí)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)之美，且色彩豐富，可創(chuàng)造更自由的建筑形體和更豐富的建筑語言。二、更好的經(jīng)濟(jì)效益膜建筑屋面重量僅為常規(guī)鋼屋面的1/30，這就降低了墻體和基礎(chǔ)的造價(jià)。同時(shí)膜建筑奇特的造型和夜景效果有明顯的“建筑可識性”和商業(yè)效應(yīng)，其價(jià)格效益比更高。三、 更短的施工周期膜工程中所有加工和制作依設(shè)計(jì)均可在工廠內(nèi)完成，在現(xiàn)場只進(jìn)行安裝作業(yè)。相比傳統(tǒng)建筑的施工周期，它幾乎要快一倍。四、 更低的能源損耗膜材有較高的反射性及較低的光吸收低，并且熱傳導(dǎo)性較低，這極大程度上阻止太陽能進(jìn)入室內(nèi)。另外，膜材的半透明性保證了適當(dāng)?shù)淖匀宦⑸涔庹彰魇覂?nèi)。五、 更大跨度的建筑空間由于自重輕，膜建筑可以不需要內(nèi)部支撐面大跨度覆蓋空間，這使人們可以列靈活、更有創(chuàng)意地設(shè)計(jì)和使用建筑空間。（二） 當(dāng)代膜結(jié)構(gòu)發(fā)展概述一、刖言為了迎接新世紀(jì)的來臨，人們試圖采用各種方式表示慶賀，建造一座建筑物不但以其形體引人注目，而且將作為標(biāo)志性建筑而長久地存在。在全世界眾多的紀(jì)念性建筑中，英國所建造的千年穹頂（MillenniumDome）尤為突出。當(dāng)2000年子夜的鐘聲敲響時(shí),在倫敦泰晤士河畔五彩繽紛焰火的照耀下，千年穹頂以它銀白色的圓頂迎接新的千禧年。這座直徑320m、以12根高山100m的桅桿所支承的圓球形屋頂采用了張力膜結(jié)構(gòu)。正是這座穹頂集中體現(xiàn)了20世紀(jì)建筑技術(shù)的精華，用它來迎接新世紀(jì)，的確是再恰當(dāng)不過了。雖然人們喜歡從最廣泛的意義出發(fā)，把鐵木構(gòu)架和帆布建成的大棚,甚至以枝條和獸皮搭成的帳篷都納入膜結(jié)構(gòu)的范圍，但從嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)受力的定義來說，膜結(jié)構(gòu)始于1970年日本大阪博覽會(huì)上一座氣承式膜結(jié)構(gòu)的美國館當(dāng)初這不過是臨時(shí)性的展覽建筑，但30年來膜結(jié)構(gòu)卻經(jīng)歷了巨大的變化。從膜結(jié)構(gòu)的跨度來看，近似橢圓形的美國館，兩個(gè)方向的跨度針別為140m和83.5m。以后東京后樂園的氣承式膜結(jié)構(gòu)，最大跨度達(dá)201m。而美國亞特蘭大的佐治亞穹頂，以橢圓形的屋頂覆蓋了240mxl92m的索膜結(jié)構(gòu)。從當(dāng)前的技術(shù)和材料條件看，完全有可能用膜結(jié)構(gòu)來修建1000m的大跨度建筑。從所覆蓋的面積來看，1981年沙特阿拉伯吉大機(jī)場候機(jī)大廳的傘形懸掛膜結(jié)構(gòu)的占地42萬m2，已令人嘆為觀止。而如今在沙特阿拉伯的米拿，為了庇護(hù)來往的朝圣者，正在分三期建設(shè)與吉大機(jī)場類似的膜結(jié)構(gòu)，總面積在100萬m2以上，堪稱帳篷之城”。膜結(jié)構(gòu)作為一種現(xiàn)代化的工程結(jié)構(gòu)，顯示了當(dāng)今建筑技術(shù)與科學(xué)的發(fā)展水平，也具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，在新的世紀(jì)中，膜結(jié)構(gòu)必將在建筑結(jié)構(gòu)中占有重要的地位。二、不定的形狀與形狀的確定膜結(jié)構(gòu)的突出特點(diǎn)之一就是它形狀的多樣性，曲面存在著無限的可能性。對于氣承式空氣膜結(jié)構(gòu)來說，充氣之后的曲面主要是圓球面或圓柱面，可能沒有太多的選擇余地。而對于以索或骨架支承的膜結(jié)構(gòu)，其曲面就可以隨著建筑師的想象力而任意變化。膜結(jié)構(gòu)形狀的千變?nèi)f化突出地表現(xiàn)在歷年各國舉行的博覽會(huì)上。在這些博覽會(huì)上，大大小小的展覽館，無不以新穎奇特的造型來吸引觀眾，而膜結(jié)構(gòu)就能用來達(dá)到這樣的目的。例如1985年在日本茨城縣舉行的國際科學(xué)技術(shù)博覽會(huì)，入口就是以五顏六色的膜材構(gòu)成的拱形大門。在眾多的展覽館中膜結(jié)構(gòu)尤為奪目，象火鳥館以鋼梁與索組成的骨架支承扁平的凹凸屋面。美國館以高聳的桅桿懸掛銀白色的屋面。電力館以中央塔架懸吊25個(gè)尖頂帳篷，夜晚通過燈光的反射宛如燃燒的火焰。其他象在候車亭、電話亭、走廊、廁所上也都出現(xiàn)了用膜材構(gòu)成形式各異的建筑小品，蔚為大觀。就形狀而言，對建筑師說來是至關(guān)重要的。采用一般結(jié)構(gòu)的建筑物，其形狀往往是先由建筑師確定。膜結(jié)構(gòu)則不同，首先它的變形比一般結(jié)構(gòu)要大一些，其次它的形狀是在施工過程中逐步形成的，有一個(gè)形狀確定的問題，需要結(jié)構(gòu)工程師的參與。要確定在初始荷載下結(jié)構(gòu)的初始形狀，即結(jié)構(gòu)體系在膜自重（有時(shí)還有索）與預(yù)應(yīng)力作用下的平衡位置。在初步設(shè)計(jì)階段，先按建筑要求設(shè)定大致的幾何外形，然后對膜面施加預(yù)應(yīng)力使之承受張力，其形狀也相應(yīng)改變，經(jīng)過不斷調(diào)整預(yù)應(yīng)力，最后就可得到理想的幾何外形和應(yīng)力分布狀態(tài)。懸索結(jié)構(gòu)中的索網(wǎng)與膜結(jié)構(gòu)一樣也有形狀確定問題，象1968年蒙特利爾博覽會(huì)的德國館和1972年慕尼黑奧運(yùn)會(huì)主體育場都有特殊的形狀需要確定，當(dāng)時(shí)只有借助于縮尺模型來解決。早期的膜結(jié)構(gòu)也往往采用這個(gè)方法，材料從最簡單的肥皂膜，一直到織物或鋼絲。由于在小比例模型上測量的誤差尚不足以保證曲面幾何形的正確性，故對足尺的建筑外形只能起參考作用。但這還不失為一種有效的手段，能為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)直觀的形象。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，膜結(jié)構(gòu)的形狀就更多地依靠計(jì)算機(jī)來確定。在膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論中還出現(xiàn)了專門的研究課題一一“找形”（formfinding）。為了尋求合理的幾何外形，這個(gè)過程通過計(jì)算機(jī)的幾次迭代，就可確定膜結(jié)構(gòu)的初始形狀。膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)的“先建筑、后結(jié)構(gòu)”做法，要求建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密結(jié)合。在設(shè)計(jì)過程中，建筑師和結(jié)構(gòu)工程師要坐在一起確定建筑物的形狀，并進(jìn)行必要的計(jì)算分析。這時(shí)，所設(shè)計(jì)建筑物的平面形狀、立面要求、支點(diǎn)設(shè)置、材料類型和預(yù)應(yīng)力大小都將成為互相制約的因素，一個(gè)完美的設(shè)計(jì)也就是上述矛盾統(tǒng)一的結(jié)果。三、從帳篷到永久性建筑過去人們習(xí)慣地把膜結(jié)構(gòu)看作是個(gè)帳篷，而帳篷只能算是一個(gè)臨時(shí)性建筑一一不夠牢固、不能防火、又不能保暖或隔熱。如今對采用膜結(jié)構(gòu)的帳篷卻要刮目相看了，其中的關(guān)鍵問題就是材料。當(dāng)初大阪博覽會(huì)上的美國館，由于是臨時(shí)性的展覽建筑，采用的膜材是涂覆聚氯乙烯（PVC）的玻璃纖維織物，算不上先進(jìn)，但在強(qiáng)度上也經(jīng)受了兩次速度高達(dá)每小時(shí)140km以上臺風(fēng)的考驗(yàn)。通過這個(gè)工程使設(shè)計(jì)者認(rèn)識到，需要一種強(qiáng)度更高、耐久性更好、不燃、透光和能自潔的建筑織物,70年代美國制造商開發(fā)的玻璃纖維織物即滿足了如上的要求。主要的改進(jìn)是涂覆的面層采用了聚四氟乙烯（PTFE,商品名稱Teflon一特氟?。＿@種材料于1973年首次應(yīng)用于美國加利福尼亞拉維思學(xué)院一個(gè)學(xué)生活動(dòng)中心的屋頂上。經(jīng)過20多年的考驗(yàn)，材料還保持著70-80%的強(qiáng)度，仍然透光并且沒有褪色，拉維恩學(xué)院膜結(jié)構(gòu)的使用經(jīng)驗(yàn)表明，涂覆PTEE面層的玻璃纖維織物，不但有足夠的強(qiáng)度承受張力，在使用功能上也具有很好的耐久性，從樂觀的估計(jì)來說，這種材料的使用年限將遠(yuǎn)不止當(dāng)初所估計(jì)的25年。與此同時(shí)，一種價(jià)格比較低、涂覆PVC的聚酯織物在性能上也有很大的改進(jìn)。制造商在原來的涂層外面再加一面層，比較成熟的有聚氟乙烯（PVF,商品名Tediar）和聚偏氟乙烯（PVDF）這種面層能保護(hù)織物抵抗紫外線1975年在美國密執(zhí)安州龐提亞克興建了平面尺寸為243.9X183m的“銀色穹頂”，這是第一次將氣承式膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用于永久性的大型體育館。其后在北美地區(qū)，類似的膜結(jié)構(gòu)就建了9座，其中象美國的明尼阿波利斯和加拿大溫哥華均位于北方地區(qū)。雖然象這樣的充氣結(jié)構(gòu)也發(fā)生過幾次不愉快的坍塌事故，但是膜結(jié)構(gòu)終于登堂入室，進(jìn)入永久性建筑的行列。日本在徘徊了10多年之后，也在1988年修建東京后樂園棒球場時(shí)采用了氣承式膜結(jié)構(gòu)。早期修建的膜結(jié)構(gòu)大多是開敞式或位于氣候溫和的地區(qū)，還沒有充份發(fā)揮膜材的圍護(hù)能力，那么在寒冷和多雪地區(qū)，將是對膜結(jié)構(gòu)作為永久性建筑的真正考驗(yàn)。1983年在加拿大加爾格里建成的林賽公園體育中心就是一個(gè)例證。在這座橢圓形的建筑中，游泳館和田徑館各占一半，以一根橫跨122m的格構(gòu)式鋼拱將兩者分開。在鋼拱與周邊圈梁之間的鋼索網(wǎng)支承著折線形的膜材屋面，采用涂覆PTEE的玻璃纖維織物，索網(wǎng)下設(shè)有纖維棉的保暖層，屋頂不但能防寒，還能透過4%的光線，這就足以在白天不用人工采光。此外在保暖層下面還有一層很薄的蒸氣絕緣層，能起吸音作用。位于號稱日本“雪國”的秋田縣，最深積雪可達(dá)150cm。1990年建造了“天空穹頂”體育館，其外形從球體截取，長邊為130m、短邊為100m。這座體育館的設(shè)計(jì)構(gòu)思來源于當(dāng)?shù)刂摹把└G洞”，但置身其中又有在戶外的感覺。屋蓋承重是正交的格構(gòu)式空間拱系，沿長方向采用空腹拱并設(shè)有鋼索，沿短方向采用鋼管拱。長向鋼索被用來對膜面施加張力，同時(shí)與骨架在屋面形成V形槽溝，以便于雪滑落。緊貼屋面的鋼管拱被用作輸送暖風(fēng)的通道，既起到融雪的作用，也解決了膜面的結(jié)露問題。膜材為單層玻璃纖維織物，透光率可達(dá)10%，在場中仰望屋頂，給人以通透明亮的感覺。在寒冷地區(qū)建造大跨度膜結(jié)構(gòu)，秋田“天空穹頂”是一個(gè)成功的范例。四、膜的交承一一空氣、索或骨架膜材屋面以什么支承，始終是膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有待于探索的問題。也許當(dāng)初是從氣球或橡皮艇受到的啟發(fā)，人們考慮以空氣為支承，就是向氣密性好的膜材所覆蓋的空間注入空氣，利用內(nèi)外空氣的壓力差使膜材受拉，結(jié)構(gòu)就具有一定的剛度來承重。早在第二次世界大戰(zhàn)后期，美國就曾用氣承式膜結(jié)構(gòu)建造了一些小直徑的雷達(dá)罩棚用于軍事目的，而大阪博覽會(huì)的美國館則是大跨度氣承式膜結(jié)構(gòu)的里程碑。在大阪博覽會(huì)上還出現(xiàn)了一種氣脹式膜結(jié)構(gòu)，即將膜材本身做成一個(gè)封閉體，注入空氣的壓力要比氣承式大得多。象富士館就是以輪胎狀的半圓形筒體組成50m直徑的圓頂，在節(jié)日廣場大跨度網(wǎng)架上，鋪設(shè)的屋面板是上下兩層，其為聚酯膜材，10.8m見方的充氣板。氣承式膜結(jié)構(gòu)用作大跨度體育館屋頂，建成之后由于在惡劣天氣時(shí)維護(hù)不當(dāng)，曾出現(xiàn)過好幾次事故,輕者屋面下癟重者膜材被撕裂，砸壞了下面的設(shè)施。這些事故雖然只造成一些財(cái)產(chǎn)的損失，并沒有人員傷亡，但在公共建筑中屋面出問題，還是引起了公眾的關(guān)注，甚至對氣承式膜結(jié)構(gòu)是否安全也產(chǎn)生了疑問。1986年以后，在美國建造的大型體育館就沒有采用過空氣膜結(jié)構(gòu)，對于有些已建成的體育館，其膜材將達(dá)到保證的使用年限，需改建時(shí)也不再考慮采用氣承式膜結(jié)構(gòu)。不過由于其造價(jià)低廉、安裝方便，中小跨度的健身房、網(wǎng)球館、倉庫等，氣承式膜結(jié)構(gòu)還是受到歡迎。對膜結(jié)構(gòu)能否用在永久性建筑上一向比較慎重的日本，卻在東京后樂園采用了氣承式膜結(jié)構(gòu)。它在構(gòu)造上與以前在美國建造的空氣膜結(jié)構(gòu)沒有什么差別，其主要特點(diǎn)是在屋頂上采用了先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，同時(shí)屋面膜材為雙層，其間有循環(huán)的熱空氣，以融化雪。這個(gè)號稱為機(jī)械、電子與土建相結(jié)合的智能建筑，確保了膜結(jié)構(gòu)的安全與體育館的正常運(yùn)行。然而，曾幾何時(shí)，昂貴的運(yùn)轉(zhuǎn)與維持費(fèi)用又使后樂園背上了沉重的經(jīng)濟(jì)包袱。近年來日本大量建造穹頂，而沒有繼續(xù)采用氣承式膜結(jié)構(gòu)。1997年日本熊本公園體育場主屋蓋采用了加勁索的雙層氣脹式膜結(jié)構(gòu)，使空氣再一次作為膜的支承。熊本穹頂融合了車輪型雙層圓形懸索和氣脹式膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，成為一種新型的雜交結(jié)構(gòu)。直徑107m的圓形屋頂宛如一朵浮云覆蓋著體育館，雙層膜之間的充氣量遠(yuǎn)小于要對整個(gè)室內(nèi)空間充氣的氣承式膜結(jié)構(gòu)。一旦漏氣，屋蓋還可由鋼索支承，不至于塌落。美國工程師蓋格(D.Geiger)是氣承式膜結(jié)構(gòu)的先驅(qū)者，他設(shè)計(jì)了大阪博覽會(huì)的美國館，其后又將改進(jìn)的玻璃纖維膜材用于“銀色穹頂”。由于氣承式膜結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過的多次事故，使他察覺到空氣支承的潛在缺陷，轉(zhuǎn)而尋求其他的支承方式。在此之前，美國的發(fā)明家和工程師富勒(B.Fuller)提出了“張拉整體(Tensegrity)”的概念即以連續(xù)的受拉鋼索為主，以不連續(xù)的壓桿為輔，組成一種結(jié)構(gòu)體系，然而他的概念始終沒有在工程中實(shí)現(xiàn)。蓋格創(chuàng)造性地把這個(gè)概念運(yùn)用到以索、膜與壓桿組成的“索穹頂”(cabledome)設(shè)計(jì)上，荷載從中心受拉環(huán)通過一系列幅射狀脊索，受拉環(huán)索與斜拉索傳到周圍的受壓圈梁上。索穹頂首先用在1986年韓國漢城奧運(yùn)會(huì)的體操館與擊劍館上，其直徑分別為120m與93m其后又得到了不斷的發(fā)展，跨度最大的是美國佛羅里達(dá)州的“太陽海岸穹頂”，直徑達(dá)210m。此外，美國李維(M.levy)也繼承了“張拉整體”的構(gòu)想，并采用了富勒的三角形網(wǎng)格，設(shè)計(jì)了雙曲拋物面的張拉整體穹頂，其代表作就是1996年在美國亞特蘭大舉行的奧運(yùn)會(huì)主館一一佐治亞穹頂，這個(gè)240mX192m的橢圓形索膜結(jié)構(gòu)成為世界上最大的室內(nèi)體育館。主要依靠索來支承膜的索穹頂是膜結(jié)構(gòu)體系的一大進(jìn)展。膜材也完全可以支承在平面或空間結(jié)構(gòu)上，如拱、網(wǎng)殼等，其材料可選用鋼、木或鋁合金。象日本秋田天空穹頂采用了鋼結(jié)構(gòu)的空間拱系，而位于同一地區(qū)的大館穹頂，178mX157m卵形平面上以雙向膠合木拱支承著雙層膜面。膜結(jié)構(gòu)還可以采用桅桿作為支承，賦予建筑立面以新的變化，第一個(gè)采用涂覆PTFE玻璃纖維織物的拉維思學(xué)生活動(dòng)中心屋頂由4個(gè)圓錐形的帳蓬組成，每一個(gè)圓錐體有一傾斜15度的桅桿，支承膜材的鋼索就由桅桿頂部幅射狀地伸向周圍的圈梁。英國千年穹頂