基于力学美的膜结构建筑设计

基于力学美的膜结构建筑设计

【摘要】论文首先对膜结构的建筑特点进行了较为系统的分析，继而分析了三种比较典型的膜结构建筑的结构型式，通过张拉膜结构、骨架支承式膜结构、充气膜结构及他们的特征分析可以看出基于基于力学美的膜结构建筑设计不仅要充分结合材料的优势及结构本身的特点，还要考虑到建筑与人的审美的统一，建筑与自然环境的融合问题。

【关键词】力学美；膜结构；建筑设计

Abstract Firstly, the architectural characteristics of the membrane structure for a more systematic analysis, and then analyzed three typical membrane structure, the structure, through the tensioned membrane structure, membrane structure supporting skeleton, inflatable membrane structure and their based on the characteristic analysis we can see a film based on the mechanical structure of the United States not only to fully integrate architectural design material advantages and characteristics of the structure itself, but also take into account the architecture and the aesthetic unity of the integration of architecture and natural environment issues.

Keywords mechanics America; membrane structure; architectural design

0 引言

膜结构建筑是一种典型而具有明显特点的结构形式，这种结构是用轻质的高强度且柔性很好的一种薄膜材料与支撑体系形结合而形成的具有一定刚度的稳定曲面，这个曲面可以承受一定的荷载，并能覆盖巨大的空间。而这种结构所具有的特性也与其特殊的材料密切相关。基于此论文对基于力学美的膜结构建筑的设计进行了研究。

1 膜结构的建筑特点分析

具体来说膜结构建筑具有以下几个特点。首先，膜结构建筑具有非常好的空间延展性。据研究发现，通常来说建筑物的跨度越大，采用膜结构优势越明显，越具有经济性。其次，膜结构的本身的材质比较轻，再加上支撑膜材料的钢杆、钢架与钢索相比钢筋混泥土也轻很多，所以膜结构建筑总的来说比较轻，这样非常有利于建筑的施工及建设[1]。第三，膜材料由于具有很强的柔性，所以可以在工厂生产的时候就预制成卷状的，这样非常有利于材料的运输。第四，膜结构建筑由于建筑材料具有较好的延展性及柔软性，所以建筑结构可以采用多种的组合形式，结构丰富，再加上膜材料的颜色也比较多样，所以膜结构建筑具有更强的艺术表现力及感染力。另外，膜材料本身就是一种装修材料，所以采用膜材料

建筑可以减少很多装修费用，甚至可以不进行二次装修。由于膜材料具有很好的透光性，所以可以降低建筑的白天的照明费用，所以膜材料相对而言具有很好的经济性。

2膜结构建筑的结构型式分析

通过上面的分析可以看出，膜结构属于空间结构体系。与以往的建筑结构存在本质上的区别，膜结构是新兴的结构体系，即没有钢筋、木头、砖及钢筋混泥土的夯实结构，也不同于网架、薄壳及悬挂结构[2]。一般来说，从膜结构的构造和受力特点可以将膜结构分为张拉膜结构、充气膜结构以及框式膜结构三类。下面对这三类结构模式进行一个较为详细的分析。

2.1 张拉膜结构及其特征分析

张拉膜结构是通过建筑的边界条件给膜材料施加一定的预张应力而形成的一种结构类型。当然，整个结构的形成仅仅靠自身的张拉力是不够的，还需要一些支撑杆及拉索的共同作用才能将整个结构支撑起来形成一个完整的结构体系。由此可以看出张拉膜结构体系的组成要素主要是支承柱、张拉索和覆盖的膜材料这三个部分组成[3]。一般来说充分的张拉索主要分布在膜的边沿以及脊线和谷线的地方，而膜材料主要是通过张拉索才得到膜材得到充分的张拉，不仅保证了结构体系的形成，同时也使得膜体强大的结构作用得到了充分的利用。由于张拉索具有非常强的灵活性和可塑性，所以可以充分实现建筑的设计想法及效果。再加上由织物纤维材料制造而成的建筑膜材料能很好地受光。因此在阳光的照射下，建筑物内部将可以通过折射或漫反射使建筑物内充满自然漫射光，这种光的强度不强，给人一种非常温暖舒服的感觉。另外，无强反差的着光面与阴影面的具有明显的区分，所以室内的空间视觉环境不仅非常的开阔，而且给人一种和谐的感觉，使身临其境的人充分感受到与自然的和谐地融为一体的美妙的感受。不仅如此，当夜晚来临的时候，建筑物内的闪亮的灯光透过膜屋盖照亮夜空，使整个建筑物的造型完全地展现在世人面前，显现出梦幻般神奇的视觉效果。

2.2骨架支承式膜结构及其特征分析

骨架支承式膜结构是以膜材料绷紧在刚性的骨架、网壳、拱架等固体结构上所形成的一种膜材料建筑类型，这种建筑结构具有非常突出的刚性美[4]。通过对这一结构型式的界定可以看出，刚性骨架、网壳或拱架结构是膜结构体系的主要的受力构件，而膜材料只是局部范围内的张拉式的承力单元。因为膜材料只是一种覆盖材料。从目前的膜材料建筑来看，骨架支承式膜结构的应用还是比较广泛的，而且运用也比较早。日本1990年建成的秋田天穹穹顶就是一个球面穹顶，这穹顶的主要承重结构就是一系列平行排列的格构式钢拱架，沿短边方向为钢管支撑，穹顶上一层膜材料用设在两拱中间的钢索向下拉紧，并在屋面上形成V 形的沟槽。整个建筑十分漂亮，线条清晰，结构轻盈，光线通透明亮。

2.3 充气膜结构及其特征分析