最新当代膜结构发展概述

当代膜结构发展概述

‘当代膜结构发展概述

•简介：当代膜结构发展概述，从不定的形

状与形状的确定，从帐篷到永久性建

筑，膜的交承——空气、索或骨架三个方面来阐述的！

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一、前言

•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。

虽然人们喜欢从最广泛的意义出发，把铁木构架和帆布建成的大棚,甚至以枝条和兽皮搭成的帐篷都纳入膜结构的范围,但从严格的结构受力的定义来说,

膜结构始于1970年日本大阪博览会上一座气承式膜结构的美国馆。当初这不过是临时性的展览建筑，但30年来膜结构却经历了巨大的变化。

从膜结构的跨度来看，近似椭圆形的美国馆，两个方向的跨度针别为 140m 和 83.5m。以后东京后乐园的气承式膜结构，最大跨度达201m。而美国亚特兰大的佐治亚穹顶，以椭圆形的屋顶覆盖了 240mxl92m的索膜结构。从当前的技术和材料条件看，完全有可能用膜结构来修建 1000m的大跨度建筑。从所覆盖的面积来看，1981年沙特阿拉伯吉大机场候机大厅的伞形悬挂膜结构的占地42万m2，已令人叹为观止。而如今在沙特阿拉伯的米拿，为了庇护来往的朝圣者，正在分三期建设与吉大机场类似的膜结构，总面积在100万m2以上，堪称” 帐篷之城”。

膜结构作为一种现代化的工程结构，显示了当今建筑技术与科学的发展水平，也具有巨大的发展潜力，在新的世纪中，膜结构必将在建筑结构中占有重要的地位。

•二、不定的形状与形状的确定

膜结构的突出特点之一就是它形状的多样性，曲面存在着无限的可能性。对于气承式空气膜结构来说，充气之后的曲面主要是圆球面或圆柱面，可能没有太多的选择余地。而对于以索或骨架支承的膜结构，其曲面就可以随着建筑师的想象力而任意变化。

膜结构形状的千变万化突出地表现在历年各国举行的博览会上。在这些博览会上，大大小小的展览馆，无不以新颖奇特的造型来吸引观众，而膜结构就

能用来达到这样的目的。例如1985年在日本茨城县举行的国际科学技术博览会，入口就是以五颜六色的膜材构成的拱形大门。在众多的展览馆中膜结构尤为夺目，象火鸟馆以钢梁与索组成的骨架支承扁平的凹凸屋面。美国馆以高耸的桅杆悬挂银白色的屋面。电力馆以中央塔架悬吊25个尖顶帐篷，夜晚通过灯光的反射宛如燃烧的火焰。其他象在候车亭、电话亭、走廊、厕所上也都出现了用膜材构成形式各异的建筑小品，蔚为大观。

•就形状而言，对建筑师说来是至关重要的。采用一般结构的建筑物，其形状往往是先由建筑师确定。膜结构则不同，首先它的变形比一般结构要大一些，其次它的形状是在施工过程中逐步形成的，有一个形状确定的问题，需要结构工程师的参与。要确定在初始荷载下结构的初始形状，即结构体系在膜自重（有时还有索）与预应力作用下的平衡位置。

在初步设计阶段，先按建筑要求设定大致的几何外形，然后对膜面施加预应力使之承受张力，其形状也相应改变，经过不断调整预应力，最后就可得到理想的几何外形和应力分布状态。

悬索结构中的索网与膜结构一样也有形状确定问题，象1968年蒙特利尔博览会的德国馆和1972年慕尼黑奥运会主体育场都有特殊的形状需要确定，当时只有借助于缩尺模型来解决。早期的膜结构也往往采用这个方法，材料从最简单的肥皂膜，一直到织物或钢丝。由于在小比例模型上测量的误差尚不足以保证曲面几何形的正确性，故对足尺的建筑外形只能起参考作用。但这还不失为一种有效的手段，能为设计者提供一个直观的形象。随着计算机技术的不断进步，膜结构的形状就更多地依靠计算机来确定。在膜结构设计理论中还出现了专门的研究课题——“找形”（formfinding）。为了寻求合理的几何外形，这个过程通过计算机的几次迭代，就可确定膜结构的初始形状。

膜结构设计打破了传统的“先建筑、后结构”做法，要求建筑设计与结构设计紧密结合。在设计过程中，建筑师和结构工程师要坐在一起确定建筑物的形状，并进行必要的计算分析。这时，所设计建筑物的平面形状、立面要求、支点设置、材料类型和预应力大小都将成为互相制约的因素，一个完美的设计也就是上述矛盾统一的结果。

•三、从帐篷到永久性建筑

•过去人们习惯地把膜结构看作是个帐篷，而帐篷只能算是一个临时性建筑——不够牢固、不能防火、又不能保暖或隔热。如今对采用膜结构的帐篷却要刮目相看了，其中的关键问题就是材料。

•当初大阪博览会上的美国馆，由于是临时性的展览建筑，采用的膜材是涂覆聚氯乙烯（PVC）的玻璃纤维织物,算不上先进,但在强度上也经受了两次速度高达每小时140km以上台风的考验。通过这个工程使设计者认识到,需要一种强度更高、耐久性更好、不燃、透光和能自洁的建筑织物,70年代美国制造商开发的玻璃纤维织物即满足了如上的要求。主要的改进是涂覆的面层采用了聚四氟乙烯（PTFE,商品名称Teflon一特氟隆）。这种材料于1973年首次应用于美国加利福尼亚拉维思学院一个学生活动中心的屋顶上。经过20多年的考验,材料还保持着70-80%的强度,仍然透光并且没有褪色，拉维恩学院膜结构的使用经验表明,涂覆PTEE 面层的玻璃纤维织物,不但有足够的强

度承受张力，在使用功能上也具有很好的耐久性，从乐观的估计来说,这种材料的使用年限将远不止当初所估计的25年。

与此同时，一种价格比较低、涂覆PVC的聚酯织物在性能上也有很大的改进。制造商在原来的涂层外面再加一面层，比较成熟的有聚氟乙烯（PVF,商品名Tediar）和聚偏氟乙烯（PVDF），这种面层不但能保护织物抵抗紫外线,而且大大地改进了自洁性，这样就把聚酯织物的使用年限提高到15年；得以在永久性建筑中使用。

1975年在美国密执安州庞提亚克兴建了平面尺寸为 243.9X183m的“银色穹顶”，这是第一次将气承式膜结构应用于永久性的大型体育馆。其后在北美地区，类似的膜结构就建了9座，其中象美国的明尼阿波利斯和加拿大的温哥华均位于北方地区。虽然象这样的充气结构也发生过几次不愉快的坍塌事故，但是膜结构终于登堂入室，进入永久性建筑的行列。日本在徘徊了 10多年之后，也在1988年修建东京后乐园棒球场时采用了气承式膜结构。

早期修建的膜结构大多是开敞式或位于气候温和的地区，还没有充份发挥膜材的围护能力，那么在寒冷和多雪地区，将是对膜结构作为永久性建筑的真正考验。1983年在加拿大加尔格里建成的林赛公园体育中心就是一个例证。在这座椭圆形的建筑中，游泳馆和田径馆各占一半，以一根横跨122m的格构式钢拱将两者分开。在钢拱与周边圈梁之间的钢索网支承着折线形的膜材屋面，采