薄膜结构面面观

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　　摘要：膜结构作为一种新型的建筑结构体系在上世纪70年代受到人们的普遍关注，并在大空间建筑中得到广泛的应用。本文以漫谈的方式概述膜结构的起源。发展。性能，应用及其对建筑理念的影响。
　　关键词：膜结构　网膜结构　缆索膜结构　穹项　大空间
　　
　　0　引言
　　
　　所谓膜结构是指积极地利用膜状材料并在结构与建筑设计上能充分表现膜结构的特点的结构形式。膜结构的材料特性决定了它独特的结构形态以及建筑形态。就其对建筑造型的空间形态的影响来看，空间造型表现出一种轻逸感，建筑摆脱了沉重的结构构架，使人们从深沉厚重的建筑审美感觉中解放出来，并且逐渐接纳前者，如今轻的表现倾向于向大空间构架方向发展。“轻”以成为建筑审美的一大特点是建筑技术的体现，而支撑这种轻盈的膜材或膜面的构造也应具有轻量感。用大空间构架来表现轻的感觉是一种世界流行的趋势。在欧美及世界各国的建筑师都采用独特的手法以获得这种轻的效果。对”轻”的追求已成为某些类型建筑设计的理念。
　　
　　1　发展过程
　　
　　膜结构真正在世界范围内发展起来的标志应是1970年的日本大阪的万国博览会，此前，在欧洲膜结构已经较为广泛的应用到了建筑设计中，但是并没有在全球的范围内普及。其中的原因很多。首先，膜结构是一种新型的高技术含量的建筑结构。发展中国家及落后国家没有能力支持其技术的开发与研究更谈不上应用到建筑设计当中去。其二；作为永久性的建筑材料，必须是不燃的，而且，对建筑材料的强度和耐久性也有很高的要求。而原来的膜结构在防火，荷载等方面都存在技术上的缺陷与不足。因此，它无法成为永久性的建筑材料而只能用于临时性质的建筑中。很长的一段时间内，膜结构只适用于类似博览会建筑等特殊建筑中。但是，建筑师，结构工程师们却被这种新型结构的魅力所折服，这激发了它们研究膜结构的热情。之后，通过若干次博览会膜结构得到了近一步的研究，膜材料也经过多次试验，逐步确立了膜结构的设计方法。这时期进行了大量的膜结构的结构分析。借助电子计算机对膜结构的形态及膜材料的非线性特征作了大量的研究，对膜面皱折，形状及结合处的分析已经是很普及了。终于在1982年。由美国开发了一种新型的材料PTFE织成的玻璃纤维膜，并通过不燃性的试验使之在美国被获得批准使用，由于这种新材料的出现。在80年代的后半期，美国建了很多膜结构的体育馆，空气穹顶的建筑就建了七座。充分体现了膜结构的功能优势。
　　
　　2　膜结构的性能
　　
　　膜结构材料是由氟化乙烯树脂织成的玻璃纤维布具有不燃性、耐久性与不易受污染的特点，用途极为广泛。用PVC材料制成的纤维布则更为经济，目前也在广泛使用。
　　膜结构最大的特点和优势在于它的良好的透光性，使内部空间非常明亮，这样就避免了大空间人工光源照明对资源的浪费。而且，自然光的质量要好与人工光源。其次，膜结构是一种轻型的限定结构，摆脱了厚重的建筑实体，给人轻盈漂逸的视觉审美享受这些都是其他的结构所不能比拟的，再有，它的灵活性也较好，施工与调配都很方便。但是，膜结构也有明显的缺陷。采光好就意味着隔音效果将太打折扣。因此，膜结构注定不能应用于所有的建筑类型。所以，在建筑地段的选择上避免选在市中心及居民区。以免将噪声泄漏出去。其次，隔热也是一个棘手的问题，增加室内空间的明亮度不可避免的要受到热量的侵袭。因此，采光与隔热就形成了一对矛盾。此外，膜结构的自重轻，稳定性与承受荷载的能力也是一个问题。但是，这些问题可通过附和结构解决。如膜结构与钢结构附和而成的膜钢结构，与钢缆附和而成的钢缆膜结构等。通过将两种结构材料的结合使双方的性能优势均得以体现。最后，形成性能优良的新型结构体系。
　　
　　3　膜结构在实际工程中的衍生实例
　　
　　3.1　空气膨胀式膜结构
　　实例：宫士组展览馆
　　70年大阪万国博览会富士组展示馆，是距今为止实现的世界上最大规模的空气膨胀式膜结构。这个用布制成的建筑物具有外径50米的圆形平面，沿着周围并排树立着16根空气膨胀式拱形膜体，形成一个完整的立体结构。拱形膜体是用PVA纤维即维尼纶这种材料制成的帆布，充入空气吹鼓而成。充气拱的断面直径是4米，断面内的气压在通常气候条件下比室外气压高800帕，在暴风的气候条件下比室外高25000帕。
　　拱形膜的下端是由厚度6毫米的铁板做成的直径3.85米，高度1.1米的圆筒形柱脚，锚入混凝土基础。由横向束带结合而成的16根充气拱群，成为本馆的主体结构。
　　3.2　空气支撑膜结构
　　实例：第12届世界兰花博览会展示馆
　　本设计采用网格与膜组合的结构方案。此建筑在膜结构方面，根据构件承受张力的等级，设计了用钢丝绳形成大网络，用合成纤维绳形成小网络和气密薄膜这三类要素，得到了最经济、合理、不需要立体裁剪的结构方案。
　　第一穹顶的平面是直径75米的圆形，屋顶的形状大致是球心角为60度的球最高高度是19.5米。本穹顶的结构是索加强空气膜结构，利用最大间距为5米的两个方向的钢丝绳，对网进行加强。上述网的内部，张拉的平面是勾形玉坠形状，平面的最大宽度为40米。各断面大体呈半圆形，最高高度约为地上19.5米。本结构是索加强空气膜结构，利用断面方向约间隔5米配置的钢丝绳，对一个方向进行加强。鱼网状的合成树脂纤维网孔形成结构外皮。在网孔内，配置0.1米厚的氯乙烯空气密封薄膜，确保气压差。
　　第二穹顶另外，沿顶部脊线也配置了钢丝绳。钢索之间，与第一穹顶相同，同样是利用渔网状的合成树脂纤维网孔和气密薄膜构成网孔和膜的组合结构。
　　
　　3.3　空气膜结构及稳定索
　　实例：东京充气棒球馆
　　此建筑结构分为上下两部分其中下部及周边结构为型钢混凝土结构，钢筋混凝土结构及钢结构的结合体。屋顶结构为空气膜结构及稳定索。在这里，我只介绍含有膜结构的屋顶结构部分。索是直径800毫米的结构用钢绞线束。膜材料厚0.8毫米是阻燃材料。膜材料的预期使用年限是25-30年。为使屋顶具有防眩，保温，融雪功能的系统，在膜结构内侧设置袋状悬垂玻璃纤维布，形成二重屋顶。屋顶透光率为百分之六。
　　
　　3.4　钢筋混凝土结构，钢结构及双层空气膜结构
　　实例：熊本县民综合公园室内运动广场
　　本建筑的结构由①中央的双层空气膜结构；②周边的环形衍架、组合柱、网格膜、外围框架；③基础结构三部分组成。
　　在这里，我们暂且只关注膜结构部分。钢索约束补强的双层空气膜结构，综合了以钢索单层空气膜结构和轮幅式双层钢索结构各自的优点，是重量轻且稳定性能好的结构系统。结构系统可由图来表示。一般结构依靠对钢索施加预张力来增强结构稳定性，本结构中上表钢索靠空气压力产生张力，下表钢索则靠气压和中央环等的自重来产生张力从而支持屋顶整体，构成稳定的结构体系。
　　膜结构是一种全新的建筑结构形式，它集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学、计算机技术等为一体，具有很高技术含量。其曲面可以随着建筑师的设计需要任意变化，结合整体环境，建造出标志性的形象工程。
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