及 強 呂 斌

摘要：膜結(jié)構(gòu)作為一種新型的建筑結(jié)構(gòu)體系在上世紀(jì)70年代受到人們的普遍關(guān)注，并在大空間建筑中得到廣泛的應(yīng)用。本文以漫談的方式概述膜結(jié)構(gòu)的起源。發(fā)展。性能，應(yīng)用及其對建筑理念的影響。

關(guān)鍵詞：膜結(jié)構(gòu)網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)纜索膜結(jié)構(gòu)穹項大空間

0引言

所謂膜結(jié)構(gòu)是指積極地利用膜狀材料并在結(jié)構(gòu)與建筑設(shè)計上能充分表現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)的特點的結(jié)構(gòu)形式。膜結(jié)構(gòu)的材料特性決定了它獨特的結(jié)構(gòu)形態(tài)以及建筑形態(tài)。就其對建筑造型的空間形態(tài)的影響來看，空間造型表現(xiàn)出一種輕逸感，建筑擺脫了沉重的結(jié)構(gòu)構(gòu)架，使人們從深沉厚重的建筑審美感覺中解放出來，并且逐漸接納前者，如今輕的表現(xiàn)傾向于向大空間構(gòu)架方向發(fā)展?！拜p”以成為建筑審美的一大特點是建筑技術(shù)的體現(xiàn)，而支撐這種輕盈的膜材或膜面的構(gòu)造也應(yīng)具有輕量感。用大空間構(gòu)架來表現(xiàn)輕的感覺是一種世界流行的趨勢。在歐美及世界各國的建筑師都采用獨特的手法以獲得這種輕的效果。對”輕”的追求已成為某些類型建筑設(shè)計的理念。

1發(fā)展過程

膜結(jié)構(gòu)真正在世界范圍內(nèi)發(fā)展起來的標(biāo)志應(yīng)是1970年的日本大阪的萬國博覽會，此前，在歐洲膜結(jié)構(gòu)已經(jīng)較為廣泛的應(yīng)用到了建筑設(shè)計中，但是并沒有在全球的范圍內(nèi)普及。其中的原因很多。首先，膜結(jié)構(gòu)是一種新型的高技術(shù)含量的建筑結(jié)構(gòu)。發(fā)展中國家及落后國家沒有能力支持其技術(shù)的開發(fā)與研究更談不上應(yīng)用到建筑設(shè)計當(dāng)中去。其二；作為永久性的建筑材料，必須是不燃的，而且，對建筑材料的強度和耐久性也有很高的要求。而原來的膜結(jié)構(gòu)在防火，荷載等方面都存在技術(shù)上的缺陷與不足。因此，它無法成為永久性的建筑材料而只能用于臨時性質(zhì)的建筑中。很長的一段時間內(nèi)，膜結(jié)構(gòu)只適用于類似博覽會建筑等特殊建筑中。但是，建筑師，結(jié)構(gòu)工程師們卻被這種新型結(jié)構(gòu)的魅力所折服，這激發(fā)了它們研究膜結(jié)構(gòu)的熱情。之后，通過若干次博覽會膜結(jié)構(gòu)得到了近一步的研究，膜材料也經(jīng)過多次試驗，逐步確立了膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。這時期進行了大量的膜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析。借助電子計算機對膜結(jié)構(gòu)的形態(tài)及膜材料的非線性特征作了大量的研究，對膜面皺折，形狀及結(jié)合處的分析已經(jīng)是很普及了。終于在1982年。由美國開發(fā)了一種新型的材料PTFE織成的玻璃纖維膜，并通過不燃性的試驗使之在美國被獲得批準(zhǔn)使用，由于這種新材料的出現(xiàn)。在80年代的后半期，美國建了很多膜結(jié)構(gòu)的體育館，空氣穹頂?shù)慕ㄖ徒似咦?。充分體現(xiàn)了膜結(jié)構(gòu)的功能優(yōu)勢。

2膜結(jié)構(gòu)的性能

膜結(jié)構(gòu)材料是由氟化乙烯樹脂織成的玻璃纖維布具有不燃性、耐久性與不易受污染的特點，用途極為廣泛。用PVC材料制成的纖維布則更為經(jīng)濟，目前也在廣泛使用。

膜結(jié)構(gòu)最大的特點和優(yōu)勢在于它的良好的透光性，使內(nèi)部空間非常明亮，這樣就避免了大空間人工光源照明對資源的浪費。而且，自然光的質(zhì)量要好與人工光源。其次，膜結(jié)構(gòu)是一種輕型的限定結(jié)構(gòu)，擺脫了厚重的建筑實體，給人輕盈漂逸的視覺審美享受這些都是其他的結(jié)構(gòu)所不能比擬的，再有，它的靈活性也較好，施工與調(diào)配都很方便。但是，膜結(jié)構(gòu)也有明顯的缺陷。采光好就意味著隔音效果將太打折扣。因此，膜結(jié)構(gòu)注定不能應(yīng)用于所有的建筑類型。所以，在建筑地段的選擇上避免選在市中心及居民區(qū)。以免將噪聲泄漏出去。其次，隔熱也是一個棘手的問題，增加室內(nèi)空間的明亮度不可避免的要受到熱量的侵襲。因此，采光與隔熱就形成了一對矛盾。此外，膜結(jié)構(gòu)的自重輕，穩(wěn)定性與承受荷載的能力也是一個問題。但是，這些問題可通過附和結(jié)構(gòu)解決。如膜結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)附和而成的膜鋼結(jié)構(gòu)，與鋼纜附和而成的鋼纜膜結(jié)構(gòu)等。通過將兩種結(jié)構(gòu)材料的結(jié)合使雙方的性能優(yōu)勢均得以體現(xiàn)。最后，形成性能優(yōu)良的新型結(jié)構(gòu)體系。

3膜結(jié)構(gòu)在實際工程中的衍生實例

3.1空氣膨脹式膜結(jié)構(gòu)

實例：宮士組展覽館

70年大阪萬國博覽會富士組展示館，是距今為止實現(xiàn)的世界上最大規(guī)模的空氣膨脹式膜結(jié)構(gòu)。這個用布制成的建筑物具有外徑50米的圓形平面，沿著周圍并排樹立著16根空氣膨脹式拱形膜體，形成一個完整的立體結(jié)構(gòu)。拱形膜體是用PVA纖維即維尼綸這種材料制成的帆布，充入空氣吹鼓而成。充氣拱的斷面直徑是4米，斷面內(nèi)的氣壓在通常氣候條件下比室外氣壓高800帕，在暴風(fēng)的氣候條件下比室外高25000帕。

拱形膜的下端是由厚度6毫米的鐵板做成的直徑3.85米，高度1.1米的圓筒形柱腳，錨入混凝土基礎(chǔ)。由橫向束帶結(jié)合而成的16根充氣拱群，成為本館的主體結(jié)構(gòu)。

3.2空氣支撐膜結(jié)構(gòu)

實例：第12屆世界蘭花博覽會展示館

本設(shè)計采用網(wǎng)格與膜組合的結(jié)構(gòu)方案。此建筑在膜結(jié)構(gòu)方面，根據(jù)構(gòu)件承受張力的等級，設(shè)計了用鋼絲繩形成大網(wǎng)絡(luò)，用合成纖維繩形成小網(wǎng)絡(luò)和氣密薄膜這三類要素，得到了最經(jīng)濟、合理、不需要立體裁剪的結(jié)構(gòu)方案。

第一穹頂?shù)钠矫媸侵睆?5米的圓形，屋頂?shù)男螤畲笾率乔蛐慕菫?0度的球最高高度是19.5米。本穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)是索加強空氣膜結(jié)構(gòu)，利用最大間距為5米的兩個方向的鋼絲繩，對網(wǎng)進行加強。上述網(wǎng)的內(nèi)部，張拉的平面是勾形玉墜形狀，平面的最大寬度為40米。各斷面大體呈半圓形，最高高度約為地上19.5米。本結(jié)構(gòu)是索加強空氣膜結(jié)構(gòu)，利用斷面方向約間隔5米配置的鋼絲繩，對一個方向進行加強。魚網(wǎng)狀的合成樹脂纖維網(wǎng)孔形成結(jié)構(gòu)外皮。在網(wǎng)孔內(nèi)，配置0.1米厚的氯乙烯空氣密封薄膜，確保氣壓差。

第二穹頂另外，沿頂部脊線也配置了鋼絲繩。鋼索之間，與第一穹頂相同，同樣是利用漁網(wǎng)狀的合成樹脂纖維網(wǎng)孔和氣密薄膜構(gòu)成網(wǎng)孔和膜的組合結(jié)構(gòu)。

3.3空氣膜結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定索

實例：東京充氣棒球館

此建筑結(jié)構(gòu)分為上下兩部分其中下部及周邊結(jié)構(gòu)為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)合體。屋頂結(jié)構(gòu)為空氣膜結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定索。在這里，我只介紹含有膜結(jié)構(gòu)的屋頂結(jié)構(gòu)部分。索是直徑800毫米的結(jié)構(gòu)用鋼絞線束。膜材料厚0.8毫米是阻燃材料。膜材料的預(yù)期使用年限是25-30年。為使屋頂具有防眩，保溫，融雪功能的系統(tǒng)，在膜結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)設(shè)置袋狀懸垂玻璃纖維布，形成二重屋頂。屋頂透光率為百分之六。

3.4鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)及雙層空氣膜結(jié)構(gòu)

實例：熊本縣民綜合公園室內(nèi)運動廣場

本建筑的結(jié)構(gòu)由①中央的雙層空氣膜結(jié)構(gòu)；②周邊的環(huán)形衍架、組合柱、網(wǎng)格膜、外圍框架；③基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)三部分組成。

在這里，我們暫且只關(guān)注膜結(jié)構(gòu)部分。鋼索約束補強的雙層空氣膜結(jié)構(gòu)，綜合了以鋼索單層空氣膜結(jié)構(gòu)和輪幅式雙層鋼索結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)點，是重量輕且穩(wěn)定性能好的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可由圖來表示。一般結(jié)構(gòu)依靠對鋼索施加預(yù)張力來增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，本結(jié)構(gòu)中上表鋼索靠空氣壓力產(chǎn)生張力，下表鋼索則靠氣壓和中央環(huán)等的自重來產(chǎn)生張力從而支持屋頂整體，構(gòu)成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。

膜結(jié)構(gòu)是一種全新的建筑結(jié)構(gòu)形式，它集建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、精細化工與材料科學(xué)、計算機技術(shù)等為一體，具有很高技術(shù)含量。其曲面可以隨著建筑師的設(shè)計需要任意變化，結(jié)合整體環(huán)境，建造出標(biāo)志性的形象工程。