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?膜結(jié)構(gòu)作為一種空間結(jié)構(gòu)形式，最早可以追溯到遠(yuǎn)古。人類用木頭搭建結(jié)構(gòu)骨架，覆蓋上獸皮或草席，用繩子或石塊固定在地上，建成簡(jiǎn)易的房子。

 

以獸皮建造的帳篷

近代膜結(jié)構(gòu)，受到馬戲團(tuán)大型帳篷的啟發(fā)，并隨著新型膜材料和高強(qiáng)鋼索的研發(fā)，以自由、輕巧、柔美，充滿力量感的造型，在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

此外，因?yàn)槟そY(jié)構(gòu)建造快、方便安裝和拆卸，特別適用于小型、臨時(shí)的或使用年限較短的建筑。 

 

 

 1  材料  

建筑中最常用的膜材料主要有PTFE膜、PVC膜和ETFE膜三種。膜材的選擇往往取決于建筑物的功能、防火要求、設(shè)計(jì)壽命和投資額。

 

PTFE    在極細(xì)的玻璃纖維(3微米)編織成的基材上，涂覆聚四氟乙烯等材料。

• 永久性建筑的首選膜材料，使用壽命在20~30年以上；

• 強(qiáng)度高、耐久性好、自潔性好，且不受紫外光的影響；

• 高透光性，且透過的光線為自然散漫光，不產(chǎn)生陰影和眩光；

• 反射率高，熱吸收量少；

• 燃燒性能A 級(jí)；

PTFE在1979年左右出現(xiàn)后，從各方面改善了膜材的特性，使得膜結(jié)構(gòu)從帳篷或臨時(shí)性建筑，發(fā)展到永久性建筑。

PVC    以尼龍織物為基材，涂覆PVC 或其他樹脂。

• 早期的膜材，使用年限一般為7到15年；

• 強(qiáng)度及防火性與PTFE相比具有一定差距；

• 自潔性較差，可在PVC涂層上再涂PVDF樹脂；

• 另一種涂有Tio2（二氧化鈦）的PVC膜，具有極高的自潔性；

• 燃燒等級(jí)B1 級(jí)，不及PTFE膜；

ETFE  乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜，非織物類。

• 耐久性好，15年以上惡劣氣候，力學(xué)和光學(xué)性能不改變；

• 耐磨、耐高溫、耐腐蝕，絕緣性；

• 密度小，抗拉強(qiáng)度高，破斷伸長(zhǎng)率達(dá)300%；

• 表面非常光滑，極佳的自潔性能，灰塵、污跡隨雨水沖刷而除去；

• 阻燃材料，熔后收縮但無(wú)滴落物。 

 

  2  高效的張拉結(jié)構(gòu)  

膜結(jié)構(gòu)是以高強(qiáng)度的柔性薄膜材料，經(jīng)張拉或充氣形成穩(wěn)定的曲面，承受外荷載的結(jié)構(gòu)形式，其造型自由、輕巧、柔美，充滿力量感。

結(jié)構(gòu)形式譜系簡(jiǎn)圖

在上面的結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)圖中，膜結(jié)構(gòu)屬于利用形抗的全軸力張拉結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)效率是非常高的。利用膜材料的高抗拉強(qiáng)度，單獨(dú)考慮膜材的跨度與其厚度的比值，可以達(dá)到1/10000，是最極致的輕型結(jié)構(gòu)。

 

 構(gòu)件尺寸與跨度的比值(估算)

 

 

3  結(jié)構(gòu)形式分類  

根據(jù)膜結(jié)構(gòu)的成形方式和受力特點(diǎn)，一般可以分為張拉膜、充氣膜和骨架膜三種。比較形象的比喻是，張拉膜像帳篷、充氣膜像熱氣球、骨架膜像蒙古包。

幾種張拉膜和充氣膜

 

2.1  張拉膜  

利用馬鞍面或者其它曲面正反曲率的特點(diǎn)，給膜材施加張力以提高膜結(jié)構(gòu)的剛度，抵抗外荷載。弗雷·奧托（Frei Otto，1925～2015）最早把這一創(chuàng)意應(yīng)用于建筑，創(chuàng)造出自由多變，輕盈飄逸的建筑造型。

卡塞爾聯(lián)邦花園展覽音樂廳, 1955

奧托1955年設(shè)計(jì)卡塞爾聯(lián)邦花園展覽音樂廳，像是一個(gè)四點(diǎn)支撐的帳篷，依靠邊索給膜施加預(yù)應(yīng)力使帳篷的外形呈現(xiàn)兩頭向上、兩頭向下的形狀(馬鞍形)。這個(gè)設(shè)計(jì)宣告了帳篷設(shè)計(jì)進(jìn)入了全新的時(shí)代。

 

科隆園藝展舞場(chǎng),1957

不久之后，他設(shè)計(jì)了科隆園藝展舞場(chǎng)，由6根梭形柱撐吊起張拉膜，再以6根穩(wěn)定索向下壓住膜材以平衡受力，覆蓋了直徑33米的室外舞場(chǎng)區(qū)域。從結(jié)構(gòu)體量和設(shè)計(jì)方面來(lái)說，該結(jié)構(gòu)第一次超出了“帳篷”的意向。

 

 

科隆聯(lián)邦庭院展覽入口拱門, 1957 

科隆聯(lián)邦庭院展覽入口拱門，是膜和鋼結(jié)構(gòu)拱的組合。拱門跨度34m，跨越整個(gè)售票大廳，鋼結(jié)構(gòu)拱為膜提供張拉支承條件，膜張緊后又為鋼拱提供側(cè)向支撐。鋼拱的截面非常小，直徑僅為171mm、壁厚為14mm。如今，現(xiàn)場(chǎng)所呈現(xiàn)的是當(dāng)年的復(fù)制品，與原作相比其跨度小而受壓拱的截面卻更大。

1964年，弗雷·奧托成立了“輕型建筑研究所”，被稱為“建筑天空的起飛跑道”。他的代表作蒙特利爾博覽會(huì)西德館，德國(guó)慕尼黑奧運(yùn)會(huì)雖然為索網(wǎng)張拉結(jié)構(gòu)，但幾乎完美地呈現(xiàn)了張拉膜的形態(tài)，因?yàn)?span style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">索網(wǎng)結(jié)構(gòu)與張拉膜結(jié)構(gòu)具有類似的受力原理。

1967年蒙特利爾世博會(huì)的德國(guó)館，8根鋼鐵的桅桿和5厘米直徑鋼纜結(jié)成的索網(wǎng)支撐起半透明的白色滌綸帳篷，這一輕型化大跨度的建筑成為1972年慕尼黑奧運(yùn)主場(chǎng)館的先聲。

蒙特利爾博覽會(huì)德國(guó)館,1967

膜材一般不能單點(diǎn)受力(局部拉應(yīng)力過大，可能會(huì)撕裂)。當(dāng)“膜”面內(nèi)僅僅由一根桅桿支撐時(shí)，為了將膜材的內(nèi)力傳遞到帳篷的高、低點(diǎn)上，通常需設(shè)置脊索、谷索、索圈（即“索眼”）來(lái)實(shí)現(xiàn)，類似于上圖蒙特利爾博覽會(huì)德國(guó)館的作法。

慕尼黑奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館, 1968–1972

 

丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓是為數(shù)不多的整體采用膜結(jié)構(gòu)的機(jī)場(chǎng)。76米x285米的大空間沿長(zhǎng)邊方向劃分為17個(gè)單元。

丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓：鳥瞰

每個(gè)單元由間距45.8米的兩根支柱撐起山峰形的脊索，柱間為起穩(wěn)定作用的谷索。以脊索和谷索為邊界結(jié)構(gòu)，其間的張拉膜材覆蓋建筑大空間。

丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓：室內(nèi) 

2010年上海世博會(huì)主入口的世博軸也采用了張拉索膜結(jié)構(gòu)，由德國(guó)SBA公司和華東建筑設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)。全長(zhǎng)1045米、寬約100米的世博軸，由6個(gè)喇叭形的“陽(yáng)光谷、13根大型桅桿、數(shù)十根斜拉索和巨大的膜結(jié)構(gòu)組成。

上海世博會(huì)世博軸，2010年

 

2.2  骨架膜  

骨架膜是以剛性構(gòu)件作為骨架，以膜材作為覆蓋材料，主要由剛性骨架承受外荷載。由于膜材的透光性和張力感，使得骨架膜結(jié)構(gòu)的大空間更加明亮、開放、富有力度感。

 

蓬皮杜梅斯藝術(shù)中心, 2010

蓬皮杜梅斯藝術(shù)中心由坂茂建筑事務(wù)所（Shigeru Ban Architects）設(shè)計(jì)。以15m跨度為模數(shù)，3個(gè)縱深長(zhǎng)達(dá)90m的長(zhǎng)方體彼此垂直層疊。木結(jié)構(gòu)屋面表面覆蓋PTEE薄膜，呈現(xiàn)出極佳的效果。

 

 

漢諾威世博會(huì)日本館，2000，坂茂、奧托

2000年，奧托和與坂茂合作了漢諾威世博會(huì)日本館，采用了與曼海姆大廳類似的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，只是屋面網(wǎng)格的木材換成了紙卷。

2.3  充氣膜  

利用氣壓使膜產(chǎn)生張力，以此來(lái)抵抗外力的結(jié)構(gòu)稱為充氣膜結(jié)構(gòu)，具體又分為氣承式和氣脹管式兩大類，是現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)擺脫馬戲團(tuán)帳篷形象的一次嘗試。

簡(jiǎn)單地理解，氣承式是利用膜內(nèi)外氣壓差使膜產(chǎn)生拉力來(lái)平衡外荷載，類似于熱氣球。

 

 

氣承式(熱氣球)  /  氣脹管式(充氣棒)

氣脹管式的原理是利用充氣使得管(梁或拱)形成抗彎和軸向剛度，以承擔(dān)外荷載，類似于常見的充氣棒。氣脹管式充氣膜所需要的氣壓比氣承式的更大，結(jié)構(gòu)效率比氣承式低。

 

  氣承式和氣脹管式受力原理簡(jiǎn)圖

充氣膜結(jié)構(gòu)建造方便、快速，最初用于軍用設(shè)施。Votta Byrdr從美軍雷達(dá)穹頂、兵營(yíng)和倉(cāng)庫(kù)充氣膜結(jié)構(gòu)的建造中積累了經(jīng)驗(yàn)，于1957年采用充氣膜建造了自家的游泳池簡(jiǎn)易棚，第一次把這種結(jié)構(gòu)形式帶入到大眾的建筑領(lǐng)域。

以1970年大阪世博會(huì)為展示契機(jī)，膜結(jié)構(gòu)因建造快速簡(jiǎn)便，被眾多國(guó)家場(chǎng)館所采用。其中最具代表性的美國(guó)館和富士館都是充氣膜。

美國(guó)館的方案是由蓋格爾(D.Geiger)提出的低拱度空氣膜結(jié)構(gòu)，屬于氣承式。在長(zhǎng)軸142米、短軸83.5米的橢圓形壓環(huán)內(nèi)側(cè)，用索張拉膜材(聚氯乙烯噴涂的玻璃纖維布)。

大阪世博會(huì)上的美國(guó)館,1970

美國(guó)館穹頂?shù)拇苟确浅５?僅1.6m)，垂度低的充氣穹頂受到的風(fēng)荷載分布比較均勻(吸力)，這對(duì)保持膜結(jié)構(gòu)形態(tài)和承載力的穩(wěn)定非常有利。

 

與美國(guó)館不同，富士館是一種拱形的充氣膜，只對(duì)拱形管充氣，建筑物內(nèi)部氣壓與室外氣壓相同，出入口不需要?dú)忾T鎖，完全自由。同時(shí)結(jié)合橫向索和纜風(fēng)索，形成整體穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

充氣拱的管狀截面直徑約4m，膜材為噴涂有彈性橡膠的聚乙烯醇纖維布，充氣氣壓比室外大氣壓高800mm水柱。每個(gè)單元有16根拱，拱長(zhǎng)均為72m，但每根拱的拱高和拱腳跨度不同，最終呈現(xiàn)出獨(dú)特的形狀。富士館以前所未有的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和形態(tài)震驚了世界。

大阪世博會(huì)富士館,1970

建筑設(shè)計(jì)：村田豐，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：川口衛(wèi)

PTFE這種不可燃、高耐久性膜材的出現(xiàn)，為充氣膜形式的永久建筑提供了技術(shù)上的可行性。20世紀(jì)七八十年代美國(guó)和加拿大建造了大量的蓋格爾充氣膜(單層低矢高氣承式膜結(jié)構(gòu))的體育館。

然而，由于充氣穹頂在風(fēng)雪影響下受損甚至倒塌的事故多次發(fā)生，且建筑維護(hù)費(fèi)用高(維持氣壓和修補(bǔ))，漸漸地充氣穹頂被其它形式的穹頂所取代。

事故原因包括多種因素，膜材料壽命(通常20-30年左右)、風(fēng)雪天氣的大幅降溫使得氣壓不穩(wěn)定、低矢高穹頂易積雪、撓度大和積雪進(jìn)一步增大的惡性循環(huán)，除雪困難等。

Hubert H. Humphrey Metrodome，蓋格爾設(shè)計(jì)

2010年因暴雪導(dǎo)致膜材撕裂，內(nèi)部氣壓驟降而垮塌

 

4  其它   

相比與其它結(jié)構(gòu)材料，膜還有一些獨(dú)特的性質(zhì)，比如光特性(透光、遮光、泛光)、可折疊、可卷起。利用這些特點(diǎn)，能設(shè)計(jì)出更加有趣的結(jié)構(gòu)。

 

華沙體育場(chǎng)

利用膜的可展特性，實(shí)現(xiàn)屋蓋中心的開啟和封閉

 

以膜作為張拉材料的張拉整體結(jié)構(gòu)

壓桿之間不直接連接 

以膜構(gòu)成的空間有無(wú)窮無(wú)盡的可能和魅力。綜合考慮功能與形態(tài)、造型與力、材料、系統(tǒng)、節(jié)點(diǎn)、織物裁剪、施工方法等等，膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是一種妙趣橫生的探索過程。