膜結(jié)構(gòu)在建筑中的運(yùn)用

1、膜結(jié)構(gòu)建筑及其造型分析摘要：膜結(jié)構(gòu)是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式，在世界各地受到廣泛應(yīng)用。從結(jié)構(gòu)上可以分為：骨架式膜結(jié)構(gòu)，張拉式膜結(jié)構(gòu)，充氣式膜結(jié)構(gòu)3種形式。膜結(jié)構(gòu)還擁有 輕質(zhì)、透光性、柔性、雕塑感、安全性、功能性、極具表現(xiàn)力等特性，有廣闊的 應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:膜結(jié)構(gòu)；分類；特性；發(fā)展方向關(guān)鍵詞:膜結(jié)構(gòu)；分類；特性；發(fā)展方向正文:一、刖言膜結(jié)構(gòu)是用高強(qiáng)度柔性薄膜材料經(jīng)受其它材料的拉壓作用而形成的穩(wěn)定曲 面，能承受一定外荷載的空間結(jié)構(gòu)形式。其造型自由、輕巧、柔美，充滿力量感， 阻燃、制作簡(jiǎn)易、安裝快捷、節(jié)能、易于、使用安全等優(yōu)點(diǎn)，因而使它在世界各 地受到廣泛應(yīng)用。二、膜結(jié)構(gòu)建筑形式的分類從結(jié)構(gòu)上分可分為：

2、骨架式膜結(jié)構(gòu)，張拉式膜結(jié)構(gòu)，充氣式膜結(jié)構(gòu)3種形式。（一）骨架式膜結(jié)構(gòu)（Frame Supported Structure）以鋼構(gòu)或是集成材構(gòu)成的屋頂骨架，在其上方張拉膜材的構(gòu)造形式,下部支 撐結(jié)構(gòu)安定性高，因屋頂造型比較單純，開口部不易受限制，且經(jīng)濟(jì)效益高等特 點(diǎn)，廣泛適用于任何大，小規(guī)模的空間。（二）張拉式膜結(jié)構(gòu)（Tension Suspension Structure）以膜材、鋼索及支柱構(gòu)成，利用鋼索與支柱在膜材中導(dǎo)入張力以達(dá)安定的 形式。除了可實(shí)踐具創(chuàng)意，創(chuàng)新且美觀的造型外，也是最能展現(xiàn)膜結(jié) 構(gòu)精神的構(gòu) 造形式.近年來(lái)，大型跨距空間也多采用以鋼索與壓縮材構(gòu)成鋼索網(wǎng)來(lái)支撐上部 膜材的形式。

3、因施工精度要求高，結(jié)構(gòu)性能強(qiáng)，且具豐富的表現(xiàn)力，所以造價(jià) 略高于骨架式膜結(jié)構(gòu)。（三）充氣式膜結(jié)構(gòu)（Pneumatic Structure）充氣式膜結(jié)構(gòu)是將膜材固定于屋頂結(jié)構(gòu)周邊，利用送風(fēng)系統(tǒng)讓室內(nèi)氣壓上升 到一定壓力后，使屋頂內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，以抵抗外力，因利用氣壓來(lái)支撐，及 鋼索作為輔助材，無(wú)需任何梁，柱支撐，可得更大的空間，施工快捷，經(jīng)濟(jì)效益高， 但需維持進(jìn)行24小時(shí)送風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在持續(xù)運(yùn)行及機(jī)器維護(hù)費(fèi)用的成本上 較高。三、結(jié)構(gòu)的特性膜結(jié)構(gòu)作為一種建筑體系所具有的特性主要取決于其獨(dú)特的形態(tài)及膜材本 身的性能。恰由于此，用膜結(jié)構(gòu)可以創(chuàng)造出傳統(tǒng)建筑體系無(wú)法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案。（一）輕質(zhì)：張力結(jié)構(gòu)自重小

4、的原因在于它依靠預(yù)應(yīng)力形態(tài)而非材料來(lái)保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定 性。從而使其自重比傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)的小得多，但卻具有良好的穩(wěn)定性。建筑師可 以利用其輕質(zhì)大跨的特點(diǎn)設(shè)計(jì)和組織結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)件，將其輕盈和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)特性 有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)。（二）透光性：透光性是現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)最被廣泛認(rèn)可的特性之一。膜材的透光性可以為建筑提 供所需的照度，這對(duì)于建筑節(jié)能十分重要。對(duì)于一些要求光照多且亮度高的商業(yè) 建筑等尤為重要。通過(guò)自然采光與人工采光的綜合利用，膜材透光性可為建筑設(shè) 計(jì)提供更大的美學(xué)創(chuàng)作空間。夜晚，透光性將膜結(jié)構(gòu)變成了光的雕塑。膜材透光性是由它的基層纖維、涂層及其顏色所決定的。標(biāo)準(zhǔn)膜材的光譜透 射比在10%20%之間，有的膜材

5、的光譜透射比可以達(dá)到40%，而有的膜材則是不 透光的。膜材的透光性及對(duì)光色的選擇可以通過(guò)涂層的顏色或是面層顏色來(lái)調(diào)節(jié)。通過(guò)膜材和透光保溫材料的適當(dāng)組合，可以使含保溫層的多層膜具有透光性。 即使光譜透射只有幾個(gè)百分點(diǎn)，膜屋面對(duì)于人眼來(lái)說(shuō)依然是發(fā)亮和透光的，具有 輕型屋面的觀感。（三）柔性：張拉膜結(jié)構(gòu)不是剛性的，其在風(fēng)荷載或雪荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生變形。膜結(jié)構(gòu) 通過(guò)變形來(lái)適應(yīng)外荷載，在此過(guò)程中荷載作用方向上的膜面曲率半徑會(huì)減小，直 全能更有效抵抗該荷載。張拉結(jié)構(gòu)的靈活性使其可以產(chǎn)生很大的位移而不發(fā)生永久性變形。膜材的彈 性性能和預(yù)應(yīng)力水平?jīng)Q定了膜結(jié)構(gòu)的變形和反應(yīng)。適應(yīng)自然的柔性特點(diǎn)可以激發(fā) 人們的建筑

6、設(shè)計(jì)靈感。不同的膜材的柔性程序也不相同，有的膜材柔韌性極佳，不會(huì)因折疊而產(chǎn)生 脆裂或是破損，這樣的材料是有效實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)、可展開結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)和前提。（四）雕塑感：張拉膜結(jié)構(gòu)的獨(dú)特曲面外形使其具有強(qiáng)烈的雕塑感。膜面通過(guò)張力達(dá)到自平 衡。負(fù)高斯膜面高低起伏具有的平衡感使體型較大的結(jié)構(gòu)看上去像擺脫了重力的 束縛般輕盈地飄浮于天地之間。無(wú)論室內(nèi)還是室外這種雕塑般的質(zhì)感都令人激動(dòng)。張拉膜結(jié)構(gòu)可使建筑師設(shè)計(jì)出各種張力自平衡、復(fù)雜且生動(dòng)的空間形式。在 一天內(nèi)隨著光線的變化，雕塑般的膜結(jié)構(gòu)通過(guò)光與影而呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。日出 和日落時(shí)，低入射角度的光線將突現(xiàn)屋頂?shù)那屎透〉裥Ч?，太?yáng)位于遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)， 膜結(jié)構(gòu)的流線型邊

7、界在地面上投入彎彎曲曲的影子。利用膜材的透光性和反射性， 經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的人工燈光也可使膜結(jié)構(gòu)成為光的雕塑。（五）安全性：按照現(xiàn)有的各國(guó)規(guī)范和指南設(shè)計(jì)的的輕型張拉膜結(jié)構(gòu)具有足夠的安全性。輕 型結(jié)構(gòu)在地震等水平荷載作用下能保持很好的穩(wěn)定性。由于輕型結(jié)構(gòu)自重較輕，即使發(fā)生意外坍塌，其危險(xiǎn)性也較傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)小。 膜結(jié)構(gòu)發(fā)生撕裂時(shí)，若結(jié)構(gòu)布置能保證桅桿、梁等剛性支承構(gòu)件不發(fā)生坍塌，其 危險(xiǎn)性會(huì)更小。膜結(jié)構(gòu)的柔性使其在任一荷載作用下均以最有利的形態(tài)承載。當(dāng)然，結(jié)構(gòu)的 布置和形狀要根據(jù)荷載情況來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整。設(shè)計(jì)要確何膜面與其輔助結(jié)構(gòu)協(xié) 調(diào)工作，以避免力在膜面或輔助結(jié)構(gòu)上集中而達(dá)結(jié)構(gòu)破壞的臨界值。（六）功能：

8、由于張拉膜結(jié)構(gòu)的自身特性，其可以滿足從簡(jiǎn)單遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)到功能復(fù)雜的大型 建筑等許多不同的建筑功能要求，并且對(duì)于有些功能要求只有它才是最為適合的。（七）極具表現(xiàn)力的建筑形態(tài)：具有特定功能的建筑都可通過(guò)立意得以表達(dá)，張拉膜結(jié)構(gòu)的獨(dú)特外形體現(xiàn)了 建筑自身的自然美感。這些建筑形態(tài)本身和與其相協(xié)調(diào)的傳統(tǒng)建筑一起構(gòu)成了令人興致盎然的地 面標(biāo)志性建筑。優(yōu)秀的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)與外形的有機(jī)融合，使其顯得了類拔萃， 同時(shí)與自然環(huán)境、歷史及現(xiàn)代的城市景觀有機(jī)結(jié)合。輕型結(jié)構(gòu)可以看成是大型的雕塑作品，可為其周邊空間增添活力，成為周圍 環(huán)境的補(bǔ)充和焦點(diǎn)。四、膜結(jié)構(gòu)的歷史與發(fā)展方向世界上第一座充氣膜結(jié)構(gòu)建成于1946年，設(shè)計(jì)者

9、為美國(guó)的沃爾特勃德 （W.Bird），這是一座直徑為15的充氣穹頂。1967年在德國(guó)斯圖加特召開的第 一屆國(guó)際充氣結(jié)構(gòu)會(huì)議，無(wú)疑給充氣膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展注入了興奮劑。隨后各式各樣 的充氣膜結(jié)構(gòu)建筑出現(xiàn)在1970年大阪世界博覽會(huì)上。其中具有代表性的有蓋格 爾設(shè)計(jì)的美國(guó)館（137mX7m8卵形），以及川口衛(wèi)設(shè)計(jì)的香腸形充氣構(gòu)件膜結(jié)構(gòu)。 后來(lái)人們認(rèn)為70年大阪博覽會(huì)是把膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)地、商業(yè)性地向外界介紹的開始。 大阪博覽會(huì)展示了人們可以用膜結(jié)構(gòu)建造永久性建筑。而70年代初美國(guó)蓋格爾- 勃格公司（Geiger-Berger Associates）開發(fā)出的符合美國(guó)永久建筑規(guī)范的特氟 ?。═eflon）膜材料為膜

10、結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于永久、半永久性建筑奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。 之后，用特氟隆材料做成的室內(nèi)充氣式膜結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)在大中型體育館中，如 1975年建成的密歇根州龐蒂亞克“銀色穹頂”（橢圓形220X 159m），1988年 建成的日本東京體育館（室內(nèi)凈面積4，6767廿）。張拉形式膜結(jié)構(gòu)的先行者是德國(guó)的奧托（F.Otto），他在1955年設(shè)計(jì)的張 拉膜結(jié)構(gòu)跨度在25m左右，用于聯(lián)合公園多功能展廳。由于張拉膜結(jié)構(gòu)是通過(guò)邊 界條件給膜材施加一定的預(yù)張應(yīng)力，以抵抗外部荷載的作用，因此在一定初始條 件（邊界條件和應(yīng)力條件）下，其初始形狀的確定、在外荷載作用下膜中應(yīng)力分 布與變形以及怎樣用二維的摸材料來(lái)模擬三維的空間曲面

11、等一系列復(fù)雜的問(wèn)題， 都需要有計(jì)算來(lái)確定，所以張拉膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展離不開計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和新算法 的提出。目前國(guó)外一些先進(jìn)的摸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作軟件已非常完善，人們可以通過(guò)圖 形顯示看到各種初始條件和外荷載作用下的形狀與變形，并能計(jì)算任一點(diǎn)的應(yīng)力 狀態(tài)，使找形（初始形狀分析）、裁剪和受力分析集成一體化，使得膜結(jié)構(gòu)的設(shè) 計(jì)大為簡(jiǎn)便，它不但能分析整個(gè)施工過(guò)程中各個(gè)不同結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和膜中應(yīng)力， 而且能精確計(jì)算由于調(diào)節(jié)索或柱而產(chǎn)生的次生應(yīng)力，完全可以避免各種不利荷載 式?jīng)r產(chǎn)生的不測(cè)后果。因此計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展為張拉膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用開辟了廣 闊的前景。而特氟隆摸材料的研制成功也極大地推動(dòng)了張拉膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。比較 著

12、名的有沙特阿拉伯吉達(dá)國(guó)際航空港、沙特阿拉伯利雅得體育館、加拿大林德塞 公園水族館、英國(guó)溫布爾登室內(nèi)網(wǎng)球館、美國(guó)新丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)等。膜結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中最新發(fā)展起來(lái)的一種形式，它以性能優(yōu)良的織物為材料， 或是向膜內(nèi)充氣，由空氣壓力支撐膜面，或是利用柔性鋼索或剛性支撐結(jié)構(gòu)將面 繃緊，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結(jié)構(gòu)體系。自從1970年 代以來(lái)，膜結(jié)構(gòu)在國(guó)外已逐漸應(yīng)用于體育建筑、商場(chǎng)、展覽中心、交通服務(wù)設(shè) 施等大跨度建筑中。膜結(jié)構(gòu)已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型中的一個(gè)主要方案。成為化纖 紡織品應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。近年來(lái)在中國(guó)建筑 結(jié)構(gòu)中也有長(zhǎng)足的進(jìn)展。大阪 萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)中的美國(guó)館采用了氣承式空氣膜結(jié)構(gòu)。

13、這個(gè)擬橢圓形、軸線尺寸為 140mX83.5m的展覽館是世界上第一個(gè)大跨度的膜結(jié)構(gòu)，而且是首次采用了聚氯 乙烯（PVC）涂層的玻璃纖維織物。作為一種真正的現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)，大阪萬(wàn)國(guó)博覽 會(huì)的展覽館標(biāo)志著膜結(jié)構(gòu)時(shí)代的開始。自此以后，膜結(jié)構(gòu)在世界范圍內(nèi)得到了 迅猛的發(fā)展。從跨度來(lái)說(shuō)，美國(guó)龐提亞克的銀色穹頂氣承式空氣 膜結(jié)構(gòu)的平面 有234.9mX183m，開始采用聚四氟乙烯(PTFE)涂層的玻璃纖維織物，類似的大型 體育館在北美就建了九座。從面積來(lái)說(shuō)，沙特阿拉伯吉大機(jī)場(chǎng)候機(jī)大廳的懸掛膜 結(jié)構(gòu)占地42萬(wàn)m2。作為膜結(jié)構(gòu)一種新形式，索穹頂于1988年首先用在漢城奧 運(yùn)會(huì)的體操館與擊劍館，其后又在一些體育建

14、筑中得到推廣。千年穹頂以其獨(dú)特 的膜結(jié)構(gòu)，顯示了當(dāng)今建筑技術(shù)與材料科學(xué)的發(fā)展水平。五、實(shí)例分析上海萬(wàn)人體育場(chǎng)為迎接1997年9月第八屆全國(guó)運(yùn)動(dòng)會(huì)，上海建造了八萬(wàn)人體育場(chǎng)。該體育 場(chǎng)由上海建筑設(shè)計(jì)研究院與美國(guó)Weidinger Associates公司聯(lián)合設(shè)計(jì)，看臺(tái)罩 篷采用了膜結(jié)構(gòu)，膜材料為進(jìn)口玻璃纖維織物涂敷聚四氟乙烯涂層(PTFE )材料， 為組合式膜結(jié)構(gòu)體系。這是膜結(jié)構(gòu)首次在我國(guó)應(yīng)用于大型永久性建筑，標(biāo)志著膜 結(jié)構(gòu)建筑作為一種新的建筑結(jié)構(gòu)被我國(guó)各界人士的認(rèn)可，拉開了膜結(jié)構(gòu)建筑在我 國(guó)廣泛應(yīng)用的帷幕。體育場(chǎng)膜結(jié)構(gòu)罩篷整體為馬鞍形空間曲面，平面投影呈橢圓 形，外圈東西長(zhǎng)288.4m，南北寬2

15、74.4m，內(nèi)圈東西長(zhǎng)150m，南北長(zhǎng)213m。罩篷 西部最高62.3m，懸挑73.5m，東部高41.2m，懸挑46m，南北高31.8m，懸挑22.9m。 馬鞍形空間造型是由長(zhǎng)短、高度不一的32棉徑向懸挑鋼桁和環(huán)向鋼桁架組成， 每?jī)蓚€(gè)徑向懸挑桁架之間為一個(gè)獨(dú)立的膜單元，徑向懸挑桁架上面設(shè)置排水槽。 根據(jù)徑向桁架的長(zhǎng)度不同，膜單位由一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)傘狀單體組成，整個(gè)體育 場(chǎng)罩篷共由59個(gè)大小不等的傘狀膜單體組成，每個(gè)傘狀膜單體由一飛柱系統(tǒng)(八 根拉索和一根壓桿)支撐，通過(guò)飛柱支撐系統(tǒng)向膜體內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力，膜覆蓋面積 約為36000m2。膜材料為美國(guó)SHEERFILL產(chǎn)品。建成后的八萬(wàn)人體育場(chǎng)為美麗

16、的 上海增加了一道亮麗的風(fēng)景。英國(guó)倫敦的千年穹頂英國(guó)倫敦的千年穹頂是世界各國(guó)為了迎接新千年的到來(lái)而興建的一系列千 禧建筑中最為著名的作品。它造型獨(dú)特，氣魄宏偉，輝煌一時(shí)，引起了人們的極 大關(guān)注，許多人稱它是20世紀(jì)90年代產(chǎn)生的鴻篇巨作。它是英國(guó)旅游協(xié)會(huì)評(píng)出 的2000年度英國(guó)最受歡迎的收費(fèi)觀光景點(diǎn)，被譽(yù)為“倫敦的明珠”。千年穹頂 (Millennium Dome)位于倫敦東部泰晤士河畔的格林威治半島上，是英國(guó)政府 為迎接21世紀(jì)而興建的標(biāo)志性建筑。這個(gè)工程原先只考慮建成臨時(shí)性的，后經(jīng) 研究，這項(xiàng)工程不論是從周圍市區(qū)的復(fù)興，或是建筑交通基礎(chǔ)設(shè)施的長(zhǎng)期投資來(lái) 說(shuō)都具有很大價(jià)值，1997年英國(guó)工黨

17、政府上臺(tái)后，決定建成一個(gè)占地73公頃、 總造價(jià)達(dá)12.5億美元的大型綜合性展覽建筑。其中包括一系列展示與演出的場(chǎng) 地，以及購(gòu)物商場(chǎng)、餐廳、酒吧等，在1999年12月31日揭幕。千年穹頂直徑 320m，周圈大于1000m，有12根穿出屋面高達(dá)100m的桅桿，屋蓋采用圓球形的 張力膜結(jié)構(gòu)。膜面支承在72根輻射狀的鋼索上，其截面為2X0 32,這些鋼索 則通過(guò)間距25m的斜拉吊索與系索為桅桿所支撐，吊索與拉索同時(shí)對(duì)桅桿起穩(wěn)定 作用。另外還設(shè)有四圈索桁架將鋼索聯(lián)成網(wǎng)狀。膜結(jié)構(gòu)屋面設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn) 題是要避免雨雪所形成的坑洼，千年穹頂?shù)拇蟛糠治菝娑急容^平坦，因此膜面的 支承結(jié)構(gòu)必須面對(duì)清除這些難點(diǎn)，將

18、周圍的索抬高于膜面，使雨水能流到排水管。 輻射向索在周圈與懸鏈索相連并固定在24個(gè)錨固點(diǎn)上，頂部則與12根 48鋼 索組成的拉環(huán)連接，拉環(huán)直徑為30m，中設(shè)天窗供穹頂通風(fēng)用。桅桿為梭型鋼管 格構(gòu)柱，桅桿沿直徑200m的圓周設(shè)置，支承在由四根桿組成的四角錐形底座上。 一些細(xì)鋼索從高10m的底座引出，因而不妨礙展出。千年穹頂?shù)哪げ脑炔捎靡?聚酯為基材的織物，以后考慮使用年限長(zhǎng)改用涂聚四氟乙烯的玻璃纖維織物，為 了防止結(jié)露，又增加了能隔音、隔熱的內(nèi)層，但內(nèi)部裝修尚未完工，這層膜材已 出現(xiàn)了被玷污的痕跡，影響美觀。因此在工程中更換了不同生產(chǎn)商的膜材料。千 年穹頂產(chǎn)生于全世界范圍為迎接對(duì)世紀(jì)到來(lái)的慶典，在建造過(guò)程中受到了不少贊 揚(yáng)與批評(píng)，但最終的結(jié)構(gòu)還是顯示了美好的形象。秦皇島體育場(chǎng) 呵體育場(chǎng)可容納觀眾 35000 人，該體育場(chǎng)挑篷木用了膜結(jié)構(gòu)，其水平投影 為一橢圓（圖2）,長(zhǎng)軸（南北向）246m，短軸（東西向）230m（圖中豎軸）。挑篷結(jié)構(gòu) 沿東一西軸對(duì)稱，西看臺(tái)主席臺(tái)的挑篷前緣標(biāo)高是36. 4m，東看臺(tái)的挑篷前緣標(biāo)高是32m，南北看臺(tái)的挑篷前緣標(biāo)高都是20. 6m，整個(gè)體育場(chǎng)膜面呈馬鞍型， 具有強(qiáng)烈的動(dòng)感和曲線美。結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)：整個(gè)膜結(jié)構(gòu)挑篷由24個(gè)基本張拉 單元組成，每個(gè)張拉