膜結(jié)構(gòu)在建筑中的運用

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、制作簡易、安裝快捷、節(jié)能、易于、使用安全等優(yōu)點，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)濟效益高等特 點，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，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，且具豐富的表現(xiàn)力，所以造價 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，因利用氣壓來支撐，及 鋼索作為輔助材，無需任何梁，柱支撐，可得更大的空間，施工快捷，經(jīng)濟效益高， 但需維持進(jìn)行24小時送風(fēng)機運轉(zhuǎn)，在持續(xù)運行及機器維護費用的成本上 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)建筑體系無法實現(xiàn)的設(shè)計方案。（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)大跨的特點設(shè)計和組織結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)件，將其輕盈和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)特性 有機地統(tǒng)一起來。（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，這對于建筑節(jié)能十分重要。對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。膜材的透光性及對光色的選擇可以通過涂層的顏色或是面層顏色來調(diào)節(jié)。通過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百分點，膜屋面對于人眼來說依然是發(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產(chǎn)生變形。膜結(jié)構(gòu) 通過變形來適應(yīng)外荷載，在此過程中荷載作用方向上的膜面曲率半徑會減小，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)自然的柔性特點可以激發(fā) 人們的建筑

6、設(shè)計靈感。不同的膜材的柔性程序也不相同，有的膜材柔韌性極佳，不會因折疊而產(chǎn)生 脆裂或是破損，這樣的材料是有效實現(xiàn)可移動、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)的獨特曲面外形使其具有強烈的雕塑感。膜面通過張力達(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。無論室內(nèi)還是室外這種雕塑般的質(zhì)感都令人激動。張拉膜結(jié)構(gòu)可使建筑師設(shè)計出各種張力自平衡、復(fù)雜且生動的空間形式。在 一天內(nèi)隨著光線的變化，雕塑般的膜結(jié)構(gòu)通過光與影而呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。日出 和日落時，低入射角度的光線將突現(xiàn)屋頂?shù)那屎透〉裥Ч?，太陽位于遠(yuǎn)地點時， 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)過設(shè)計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)有的各國規(guī)范和指南設(shè)計的的輕型張拉膜結(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，其危險性也較傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)小。 膜結(jié)構(gòu)發(fā)生撕裂時，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 危險性會更小。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)荷載情況來進(jìn)行設(shè)計和調(diào)整。設(shè)計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，其可以滿足從簡單遮陽結(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立意得以表達(dá)，張拉膜結(jié)構(gòu)的獨特外形體現(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)計是結(jié)構(gòu)與外形的有機融合，使其顯得了類拔萃， 同時與自然環(huán)境、歷史及現(xiàn)代的城市景觀有機結(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)境的補充和焦點。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)計者

9、為美國的沃爾特勃德 （W.Bird），這是一座直徑為15的充氣穹頂。1967年在德國斯圖加特召開的第 一屆國際充氣結(jié)構(gòu)會議，無疑給充氣膜結(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年大阪世界博覽會上。其中具有代表性的有蓋格 爾設(shè)計的美國館（137mX7m8卵形），以及川口衛(wèi)設(shè)計的香腸形充氣構(gòu)件膜結(jié)構(gòu)。 后來人們認(rèn)為70年大阪博覽會是把膜結(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年代初美國蓋格爾- 勃格公司（Geiger-Berger Associates）開發(fā)出的符合美國永久建筑規(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)的先行者是德國的奧托（F.Otto），他在1955年設(shè)計的張 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模擬三維的空間曲面

11、等一系列復(fù)雜的問題， 都需要有計算來確定，所以張拉膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展離不開計算機技術(shù)的進(jìn)步和新算法 的提出。目前國外一些先進(jìn)的摸結(jié)構(gòu)設(shè)計制作軟件已非常完善，人們可以通過圖 形顯示看到各種初始條件和外荷載作用下的形狀與變形，并能計算任一點的應(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) 計大為簡便，它不但能分析整個施工過程中各個不同結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和膜中應(yīng)力， 而且能精確計算由于調(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)生的不測后果。因此計算機技術(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、英國溫布爾登室內(nèi)網(wǎng)球館、美國新丹佛國際機場等。膜結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中最新發(fā)展起來的一種形式，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，膜結(jié)構(gòu)在國外已逐漸應(yīng)用于體育建筑、商場、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)計選型中的一個主要方案。成為化纖 紡織品應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。近年來在中國建筑 結(jié)構(gòu)中也有長足的進(jìn)展。大阪 萬國博覽會中的美國館采用了氣承式空氣膜結(jié)構(gòu)。

13、這個擬橢圓形、軸線尺寸為 140mX83.5m的展覽館是世界上第一個大跨度的膜結(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)，大阪萬國博覽 會的展覽館標(biāo)志著膜結(jié)構(gòu)時代的開始。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。從跨度來說，美國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。從面積來說，沙特阿拉伯吉大機場候機大廳的懸掛膜 結(jié)構(gòu)占地42萬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 運會的體操館與擊劍館，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、實例分析上海萬人體育場為迎接1997年9月第八屆全國運動會，上海建造了八萬人體育場。該體育 場由上海建筑設(shè)計研究院與美國Weidinger Associates公司聯(lián)合設(shè)計，看臺罩 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)被我國各界人士的認(rèn)可，拉開了膜結(jié)構(gòu)建筑在我 國廣泛應(yīng)用的帷幕。體育場膜結(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288.4m，南北寬2

15、74.4m，內(nèi)圈東西長150m，南北長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短、高度不一的32棉徑向懸挑鋼桁和環(huán)向鋼桁架組成， 每兩個徑向懸挑桁架之間為一個獨立的膜單元，徑向懸挑桁架上面設(shè)置排水槽。 根據(jù)徑向桁架的長度不同，膜單位由一個、兩個或三個傘狀單體組成，整個體育 場罩篷共由59個大小不等的傘狀膜單體組成，每個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SHEERFILL產(chǎn)品。建成后的八萬人體育場為美麗

16、的 上海增加了一道亮麗的風(fēng)景。英國倫敦的千年穹頂英國倫敦的千年穹頂是世界各國為了迎接新千年的到來而興建的一系列千 禧建筑中最為著名的作品。它造型獨特，氣魄宏偉，輝煌一時，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。它是英國旅游協(xié)會評出 的2000年度英國最受歡迎的收費觀光景點，被譽為“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，是英國政府 為迎接21世紀(jì)而興建的標(biāo)志性建筑。這個工程原先只考慮建成臨時性的，后經(jīng) 研究，這項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)施的長期投資來 說都具有很大價值，1997年英國工黨

17、政府上臺后，決定建成一個占地73公頃、 總造價達(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 地，以及購物商場、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 則通過間距25m的斜拉吊索與系索為桅桿所支撐，吊索與拉索同時對桅桿起穩(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)計中的一個關(guān)鍵問 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)必須面對清除這些難點，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個錨固點上，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世紀(jì)到來的慶典，在建造過程中受到了不少贊 揚與批評，但最終的結(jié)構(gòu)還是顯示了美好的形象。秦皇島體育場 呵體育場可容納觀眾 35000 人，該體育場挑篷木用了膜結(jié)構(gòu)，其水平投影 為一橢圓（圖2）,長軸（南北向）246m，短軸（東西向）230m（圖中豎軸）。挑篷結(jié)構(gòu) 沿東一西軸對稱，西看臺主席臺的挑篷前緣標(biāo)高是36. 4m，東看臺的挑篷前緣標(biāo)高是32m，南北看臺的挑篷前緣標(biāo)高都是20. 6m，整個體育場膜面呈馬鞍型， 具有強烈的動感和曲線美。結(jié)構(gòu)形式及特點：整個膜結(jié)構(gòu)挑篷由24個基本張拉 單元組成，每個張拉