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建筑膜结构
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发布日期：2011-12-24 |
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膜结构是建筑结构中发展起来的一种形式，它以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。自从1970年代以来， 膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中。 膜结构已成为结构设计选型中的一个主要方案。成为化纤纺织品应用的一个重要领域。近年来在中国建筑 结构中也有长足的进展。 大阪万国博览会中的美国馆采用了气承式空气 膜结构。这个拟椭圆形、轴线尺寸为 140m×83.5m的展览馆是世界上个大跨度的 膜结构，而且是采用了聚氯乙烯(PVC)涂层的玻璃纤维织物。作为一种真正的现代工程结构，大阪万国博览会的展览馆标志着 膜结构时代的开始。自此以后， 膜结构在世界范围内得到了迅猛的发展。从跨度来说,美国庞提亚克的"银色穹顶"气承式空气 膜结构的平面有234.9m×183m,开始采用聚四氟乙烯(PTFE)涂层的玻璃纤维织物，类似的大型体育馆在北美就建了九座。从面积来说,沙特阿拉伯吉大机场候机大厅的悬挂膜结构占地42万m2。作为 膜结构一种新形式，索穹顶于1988年首先用在汉城奥运会的体操馆与击剑馆，其后又在一些体育建筑中得到推广。千年穹顶以其独特的 膜结构，显示了当今建筑技术与材料科学的发展水平。
中国膜结构 中国现代空间结构的发展受到了西方国家先进技术的影响。近几年来，在 膜结构应用上显示了活跃的趋势。虽然一开始工程规模不大，但已逐渐扩展到更大的面积和跨度。所采用的技术与材料在某种程度
南宁澳海蓝湾 上还要依靠国外，但预计会有更多的工程依靠自己的力量来完成。 在过去十年中，中国的许多城市都在筹划建设新的体育设施。由于其重量很轻的优点， 膜结构往往被采用。体育建筑可以说是 膜结构在中国应用的突破口。1997年之前，只建造了少量的小型与中型的 膜结构，同年在上海举行的第七届全国运动会， 膜结构被用在主体育场的看台挑篷，总面积达36100m2。这是中国次将膜材制成的屋顶用在大面积的性建筑上，具有深远的影响。当时涂PTFE的玻璃纤维膜材和工程安装还借助于国外的力量。在上海体育场成功的建成后，虽然它的价格仍高于传统的结构，又出现了一些膜结构屋顶的体育场。 颐中体育场坐落在山东省的滨海城市青岛，这是中国个靠自己力量设计与施工的大型膜结构体育场，外包尺寸为266m×180m，可容纳6万观众。悬挑40m的屋盖是一个包括膜、索和钢支承结构的典型张拉体系，整个屋盖由70个锥形索膜单元组成，总面积为30000m2。 环顾整个中国大地，新的体育中心正在一个接一个的规划， 膜结构成为覆盖主体育场的优选，估计已有十多个体育场采用。在大城市中有上海(虹口区足球场)、武汉、郑州和广州，在中小城市有烟台、威海和芜湖。另一个适宜采用 膜结构的对象是室内体育馆，在中国还刚开始。在华北的秦皇岛体育馆是个采用双层膜的工程，其平面呈椭圆形，长短轴各为112m与98m。最近的一个实例是成都的水上乐园。这个有20000m2的大型建筑用来作为死海漂浮运动。一系列拱形钢桁架跨越115m，上覆以PVC聚酯织物。
膜结构曾被用于覆盖一些室内或室外的演出设施。大部分是由钢框架支承的张拉膜结构。建成的实例有：长沙世界之窗剧场(3500m2)、深圳欢乐谷中心表演场(5800m2)、广州海洋世界海豚馆（2840m2）和天津泰丰风雨剧场(1000m2)等。世界之窗剧场建成于1998年，是早期采用PVC覆面膜材的工程之一。
由于图内和国际上交流的扩展，需要许多新型的会议与展览建筑。1999年在深圳召开了中国高新技术成果交易会，有两个面积为2400m2的馆采用了膜屋盖，显示了其轻质与透光的突出优点。在海南省的小镇博鳌，由于有全世界重要人物参加的一系列高层会议在此举行而闻名。主会场即采用了膜结构，施工工期十分紧迫，4000m2的膜屋盖在40天内完工。在广西壮族自治区首府南宁建造了国际会议展览中心。一个以膜材覆盖的钢穹顶位于多功能大厅上空成为整个建筑物的焦点。钢结构内外两边采用双层的PTFE玻璃纤维织物覆盖。膜结构还可用来覆盖各种不同的小型建筑，如加油站、收费站、服务中心、大门入口以及遮阳设施等。虽然每个工程的面积只有几百平方米，但工程的数量很多，把全国的工程加起来，膜的数量就很可观了。
中国膜材十年仍未突破
膜结构只有在材料问题得到解决之后才得以大量推广应用，因此关键问题是要提供满足功能要求、耐久性好与经济的膜材。用于膜结构有二种主要建筑织物，即涂敷聚四氟乙烯（PTFE）的玻璃纤维织物和涂敷聚乙烯（PVC）的聚酯织物。PTFE玻璃纤维织物具有强度高、半透明、耐火不燃以及自洁性好等优点。虽然材料的保证年限是25年，但按照实际使用的经验，其期望的使用寿命将会更长。玻璃纤维膜材的缺点是价格较贵。PVC聚酯织物与玻璃纤维织物相比，其强度等性能稍差，使用年限也较短，但价格却很便宜，大约在1/5左右。加了改进其性能可在涂层外再加一层面层，聚偏氟乙烯（PVF）或聚偏二氟乙烯（PVDF）。这种面层能保护织物抵抗紫外线的侵蚀，并改进其自洁性。
目前国内有好多厂家都能生产有PVC涂层聚酯织物，但其性能尚未能完全达到建筑织物的要求，作为建筑用的性材料尚需进一步提高。据悉最近有些公司正在试制有PVDF面层的聚酯织物和PTFE玻璃纤维织物，外观与性能都大有改进。
近一段时间来,国外媒体表现出了对中国建筑设计前所未有的关注。2005年12月23日的美国《商业周刊》评选出了中国十大新建筑奇迹,包括北京奥体主会场、国家游泳中心、北京首都国际机场、上海世界金融中心、国家大剧院、中央电视台、上海崇明东滩生态城、当代MOMA、长城脚下的公社、东海大桥(上海)。其中地处北京的建筑就有七家之多。“中国正逐步成为当今有创意性建筑和工程设计的舞台。”中国建筑事业的发展,正在为今日最建筑及工艺技术创造一个舞台。报道首先分析了中国新建筑崛起的经济原因和外部环境。文章说,当全球瞩目北京2008年奥运会时,不单是世界上最快以及实力的运动员们正在为争取荣誉而加紧努力,新一代的创新建筑也正在北京的土地上拔地而起。由于蒸蒸日上的经济的强大支持,世界上的航空港、有节能环保的建筑及世界上的室外观光台等将很快一一落户中国。文章列举评选结果说,2008年以前完工的国家游泳中心(水立方)、国家体育场(鸟巢)、国家大剧院等中国公众十分熟悉的知名场馆更理所当然地进入了“十大”之列。从对它们的评价与介绍中可以看到评选者对追求环保、自然的推崇。比如被称为“水立方”的国家游泳中心,是节能环保型的建筑。游泳池内的水将由太阳能加热,泳池的双重过滤装置可实现水的再利用,就连多余的雨水也将被收集和储存在地下的水池中。复杂的工程系统和弯曲的钢结构使得外部结构像一个泡沫,这种独特的结构设计使得“水立方”几乎经得起任何地震的袭击。文章介绍“鸟巢”时写道,为让北京奥运会主会场这个有着91000个座位的、可能是至今的环保型体育场获得自然通风,建筑师从自然中获得了灵感,独创了一个未完全密封,但同样能为观众和运动员遮风挡雨的外壳。体育场的外观犹如一个由枝条编织而成的鸟巢;而其内部,从休息室到饭店,每一个分开的空间都是一个独立的单元,从而使自然空气的流通成为可能。文章指出,作为全国流行色彩的城市,北京吸引了很多知名建筑大师成就事业。入选的北京“长城脚下的公社”,是由12名亚洲杰出建筑师设计建造的当代建筑艺术作品。北京“当代MOMA”的设计表明了环保创新技术在住宅中应用和它所代表的建筑发展新趋势,堪称大型可持续发展住宅建筑的典范。它采用世界上的地源热泵系统,将用来帮助这个由第20层的咖啡馆、干洗店等系列服务设施连接起来的8幢建筑组成的小区，采用最为节能的方式保持恒湿恒温,这是这座建筑的一大亮点。住宅单元还有一大亮点,就是可再利用废水,将厨房和洗脸盆的废水过滤,卫生间循环利用。
（一）、前言
为了迎接新世纪的来临，人们试图采用各种方式表示庆贺，建造一座建筑物不但以其形体引人注目，而且将作为标志性建筑而长久地存在。在全世界众多的纪念性建筑中，英国所建造的千年穹顶（Millennium Dome）尤为突出。当2000年子夜的钟声敲响时,在伦敦泰晤士河畔五彩缤纷焰火的照耀下，千年穹顶以它银白色的圆顶迎接新的千禧年。这座直径 320m、以 12根高山100m的桅杆所支承的圆球形屋顶采用了张力膜结构。正是这座穹顶集中体现了20世纪建筑技术的精华，用它来迎接新世纪，的确是再恰当不过了。
虽然人们喜欢从最广泛的意义出发，把铁木构架和帆布建成的大棚,甚至以枝条和兽皮搭成的帐篷都纳入膜结构的范围,但从严格的结构受力的定义来说,膜结构始于1970年日本大阪博览会上一座气承式膜结构的美国馆。当初这不过是临时性的展览建筑，但30年来膜结构却经历了巨大的变化。
从膜结构的跨度来看，近似椭圆形的美国馆，两个方向的跨度针别为 140m和 83.5m。以后东京后乐园的气承式膜结构，跨度达201m。而美国亚特兰大的佐治亚穹顶，以椭圆形的屋顶覆盖了 240mxl92m的索膜结构。从当前的技术和材料条件看，完全有可能用膜结构来修建 1000m的大跨度建筑。从所覆盖的面积来看，1981年沙特阿拉伯吉大机场候机大厅的伞形悬挂膜结构的占地42万m2，已令人叹为观止。而如今在沙特阿拉伯的米拿，为了庇护来往的朝圣者，正在分三期建设与吉大机场类似的膜结构，总面积在100万m2以上，堪称 帐篷之城.膜结构作为一种现代化的工程结构，显示了当今建筑技术与科学的发展水平，也具有巨大的发展潜力，在新的世纪中，膜结构必将在建筑结构中占有重要的地位。
（二）、不定的形状与形状的确定
膜结构的突出特点之一就是它形状的多样性，曲面存在着无限的可能性。对于气承式空气膜结构来说，充气之后的曲面主要是圆球面或圆柱面，可能没有太多的选择余地。而对于以索或骨架支承的膜结构，其曲面就可以随着建筑师的想象力而任意变化。
膜结构形状的千变万化突出地表现在历年各国举行的博览会上。在这些博览会上，大大小小的展览馆，无不以新颖奇特的造型来吸引观众，而膜结构就能用来达到这样的目的。例如1985年在日本茨城县举行的国际科学技术博览会，入口就是以五颜六色的膜材构成的拱形大门。在众多的展览馆中膜结构尤为夺目，象火鸟馆以钢梁与索组成的骨架支承扁平的凹凸屋面。美国馆以高耸的桅杆悬挂银白色的屋面。电力馆以中央塔架悬吊25个尖顶帐篷，夜晚通过灯光的反射宛如燃烧的火焰。其他象在候车亭、电话亭、走廊、厕所上也都出现了用膜材构成形式各异的建筑小品，蔚为大观。
就形状而言，对建筑师说来是至关重要的。采用一般结构的建筑物，其形状往往是先由建筑师确定。膜结构则不同，首先它的变形比一般结构要大一些，其次它的形状是在施工过程中逐步形成的，有一个形状确定的问题，需要结构工程师的参与。要确定在初始荷载下结构的初始形状，即结构体系在膜自重（有时还有索）与预应力作用下的平衡位置。在初步设计阶段，先按建筑要求设定大致的几何外形，然后对膜面施加预应力使之承受张力，其形状也相应改变，经过不断调整预应力，最后就可得到理想的几何外形和应力分布状态。
悬索结构中的索网与膜结构一样也有形状确定问题，象1968年蒙特利尔博览会的德国馆和1972年慕尼黑奥运会主体育场都有特殊的形状需要确定，当时只有借助于缩尺模型来解决。早期的膜结构也往往采用这个方法，材料从最简单的肥皂膜，一直到织物或钢丝。由于在小比例模型上测量的误差尚不足以保证曲面几何形的正确性，故对足尺的建筑外形只能起参考作用。但这还不失为一种有效的手段，能为设计者提供一个直观的形象。随着计算机技术的不断进步，膜结构的形状就更多地依靠计算机来确定。在膜结构设计理论中还出现了专门的研究课题--找形（formfinding）。为了寻求合理的几何外形，这个过程通过计算机的几次迭代，就可确定膜结构的初始形状。
膜结构设计打破了传统的先建筑、后结构做法，要求建筑设计与结构设计紧密结合。在设计过程中，建筑师和结构工程师要坐在一起确定建筑物的形状，并进行必要的计算分析。这时，所设计建筑物的平面形状、立面要求、支点设置、材料类型和预应力大小都将成为互相制约的因素，一个完美的设计也就是上述矛盾统一的结果。
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