浅析膜结构建筑体系

浅析膜结构建筑体系

——21世纪的建筑结构形式

林于钫

会计系财务管理2班学号：FNM08095 e-Mail：FNM08095@

摘要：随着科学技术、结构设计理论、高强材料的迅速发展，为建筑师们提供了丰富的想象空间，同时也为新颖结构体系的出现创造了条件。本文对被称为“21世纪的建筑”——膜结构建筑体系作了关于其起源、发展、应用情况、特点、形式、有关认识以及成功工程实例的浅析，显示了当今建筑技术与科学的发展水平，及其巨大的发展潜力。

关键字：膜结构建筑体系、充气式膜结构、张拉式摸结构、骨架式膜结构

引：“21世纪的建筑”

Millennium Dome 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。

（一）起源、发展及当前使用情况

1917年有一位名为兰彻斯特的美国人建议利用新发明的电力鼓风机将膜布吹胀，作野战医院。像许多专利申请案一样，这只是一种构思，而没有真正成为使用的产品。

1946年，有一位名为华特·贝尔德的人为美国军方做了一个直径15m圆形充气的雷达罩，可以保护雷达不受气候侵袭，又可让电波无阻的通过，从而使相隔了19年的专利付诸实用。

膜结构(Membrane)是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式，是由多种高强薄膜材料(PVC或Teflon)及加强构件(钢架、钢柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状,作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。

世界上第一座充气膜结构建成于1946年，设计者为美国的沃尔特·勃德（W.Bird），这是一座直径为15的充气穹顶。1967年在德国斯图加特召开的第一届国际充气结构会议，无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂。随后各式各样的充气膜结构建筑出现在1970年大阪世界博览会上。其中具有代表性的有盖格尔设计的美国馆（137m×7m8卵形），以及川口卫设计的香肠形充气构件膜结构。后来人们认为70年大阪博览会是把膜结构系统地、商业性地向外界介绍的开始。20世纪70年代以后，高强、防水、透光且表面光洁、易清洗、抗老化的建筑膜材料的出现，加之当代电子、机械和化工技术的飞速发展，索膜建筑结构已大量用于滨海旅游、博览会、文艺、体育等大空间的公共建筑上。英国泰晤士河畔的千年穹顶是膜结构体系的标志性建筑，为世界瞩目。

张拉形式膜结构的先行者是德国的奥托（F.Otto），他在1955年设计的张拉膜结构跨度在25m左右，用于联合公园多功能展厅。张拉膜结构的发展离不开计算机技术的进步和新算法的提出。它不但能分析整个施工过程中各个不同结构的稳定性和膜中应力，而且能精确计算由于调节索或柱而产生的次生应力，完全可以避免各种不利荷载式况产生的不测后果。而特氟隆摸材料的研制成功也极大地推动了张拉膜结构的应用。比较著名的有沙特阿拉伯吉达国际航空港、沙特阿拉伯利雅得体育馆、加拿大林德塞公园水族馆、英国温布尔登室内网球馆、美国新丹佛国际机场等。

在中国，80年代末期，我国学者开始关注国际上膜结构的发展；1994年，我国第一个膜结构专业公司成立，此后，膜结构在我国迅速应用起来；1995年，在北京顺义建成的北京顺义武警招待所游泳馆充气膜结构是目前我国能见到的为数不多的充气膜结构；1997年建造的上海八万人体育场是由64榀径向悬挑桁架和环向次桁架组成的空间结构作为骨架，屋面共有57个由8根拉索和一根立柱覆以膜材组成的伞状单体，膜的覆盖面积2.89万平方米。这是我国首次将膜结构大面积应用到永久建筑上。

膜结构应用领域

文化设施--展览中心、剧场、会议厅、博物馆、植物园、水族馆等

体育设施--体育场、体育馆、健身中心、游泳馆、网球馆、篮球馆等

商业设施--商场、购物中心、酒店、餐厅、商店门头（挑檐）、商业街等

交通设施--机场、火车站、公交车站、收费站、码头、加油站、天桥连廊等

工业设施--工厂、仓库、科研中心、处理中心、温室、物流中心等

景观设施--建筑入口、标志性小品、步行街、停车场等

（二）特点、形式

膜结构具有如下特点：

①多变的支撑结构和柔性膜材使建筑物造型更加多样化，新颖美观。同时体现结构之美。且色

彩丰富；膜建筑屋面重量仅为常规钢屋面的1／30，这就降低了墙体和基础的造价，同时膜建筑奇特的造型和夜景效果有明显的"建筑可识性"和商业效应，其价格效益比更高；②膜工程中所有加工和制作依设计均可在工厂内完成，在现场只进行安装作业，与传统建筑的施工周期相比，它几乎要快一倍；③膜材有较高的反射性及较低的光吸收率，并且热传导性较低，这极大程度上阻止太阳能进入室内。另外。膜材的半透明性可以充分利用自然光；④由于自重轻，膜建筑可以不需要内部支撑面大跨度覆盖空间，这使人们可以更灵活、更有创意地设计和使用建筑空间。

膜结构由以下三种形式：

①充气式膜结构：通过空气压力支撑膜体来覆盖建筑空间。它形体单一，运用较少；②张拉式膜结构：通过钢索与膜材共同受力形式稳定曲面来覆盖建筑空间，它是索膜建筑的代表和精华，具有高度的形体可塑性和结构灵活性；③骨架式膜结构：通过自身稳定的骨架体系支撑膜体来覆盖建筑空间，骨架体系决定建筑形体，膜体为覆盖物。同国际先进水平相比，中国在膜结构方面有相当大的差距。但近年来在理论研究方面已做了不少工作。也开始出现一些实际的工程项目。如上海八万人体育场的看台挑篷是用钢骨架支承的膜结构。是我国首次在大型建筑上采用膜结构，但所用膜材是进口的，设计、施工安装也由外国公司进行。

上海八万人体育场

（三）工程实例

1、美国丹佛机场候机大厅----膜结构里程碑

美国科罗拉多州的丹佛国际机场打破了传统模式，在候机大厅上采用了膜结构，这座矗立在洛山矶旁的帐篷形建筑，为在大跨度公共建筑上应用张拉结构树立了典范。由于结构工程师与建筑师的共同策划，丹佛机场候机大厅屋盖在缩短施工工期、节约能源与降低造价上充分显示了膜结构的优点，满足了业主的要求。透明的膜材屋盖加上周围的玻璃墙使整个大厅光线充足。屋盖由两层上下相距60cm的织物组成，其内层作为隔热与吸音用。双层屋盖的透明度约为7％，此外玻璃墙也透光，从而在白天大部分情况下不需人工照明。其结果是大大降低了能量消耗与运转费用。整个膜材屋面面积有35000平方米而不需设置伸缩缝，这是由于织物体系的柔性能轻易地吸收温度变形而不影响膜的应力水平。丹佛国际机场屋盖在设计中采用了最新的技术，建造时采用了先进的材料，使这个建筑成为一个重要的里程碑。