索膜结构

索膜结构的应用及其发展方向

钢构09-2

顾建伟

0940193207

索膜结构是用高强度柔性薄膜材料经受其它材料的拉压作用而形成的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形式。其造型自由、轻巧、柔美，充满力量感，阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点，因而使它在世界各地受到广泛应用。

索膜结构作为新的建筑形式于本世纪五十年代在国际上开始出现，至今已有四十多年的历史，特别是到了七十年代以后，膜结构的应用得到了迅速发展。膜结构的出现为建筑师们提供了超出传统建筑模式以外的新选择。

膜结构一改传统建筑材料而使用膜材，其重量只是传统建筑的三十分之一。而且膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度（无支撑）建筑上实现时所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡的可视空间。其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点，因而使它在世界各地受到广泛应用。另外值得一提的是，在阳光的照射下，由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光，无强反差的着光面与阴影的区分，室内的空间视觉环境开阔和谐。夜晚，建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空，建筑物的体型显现出梦幻般的效果。这种结构形式特别适用于大型体育场馆、入口廊道、小品、公众休闲娱乐广场、展览

会场、购物中心等领域。

其主体分为

张拉膜结构

PTFE建筑膜材

玻纤PVC建筑膜材

ETFE建筑膜材等形式。

只有正确表达结构逻辑的建筑才有强大的说服力与表现力”这句话揭示了张拉膜结构的精髓。对于张拉膜结构，任何附加的支撑和修饰都是多余的，其结构本身就是造型；换句话说，不符合结构的造型是不可能的，因为那样的薄膜不是飘动的就是缺乏稳定性的。张拉膜结构的美就在于其“力”与“形”的完美结合。张拉膜结构的基本组成单元通常有：膜材、索与支承结构（桅杆、拱或其他刚性构件）。

膜材一种新兴的建筑材料，已被公认为是继砖、石、混凝土、钢和木材之后的“第六种建筑材料”。膜材本身不能受压也不能抗弯，所以要使膜结构正常工作就必须引入适当的预张力。此外，要保证膜结构正常工作的另一个重要条件就是要形成互反曲面。传统结构为了减小结构的变形就必须增加结构的抗力；而膜结构是通过改变形状来分散荷载，从而获得最小内力增长的。当膜结构在平衡位置附近出现变形时，

可产生两种回复力：一个是由几何变形引起的；另一个是由材料应变引起的。通常几何刚度要比弹性刚度大得多，所以要使每一个膜片具有良好的刚度，就应尽量形成负高斯曲面，即沿对角方向分别形成“高点”和“低点”。“高点”通常是由桅杆来提供的，也许是由于这个原因，有些文献上也把张拉膜结构叫做悬挂膜结构（suspension membrane）。索作为膜材的弹性边界，将膜材划分为一系列膜片，从而减小了膜材的自由支承长度，使薄膜表面更易形成较大的曲率。有文献指出，膜材的自由支承长度不宜超过15米，且单片膜的覆盖面积不宜大于500平米。此外，索的另一个重要作用就是对桅杆等支承结构提供附加支撑，从而保证不会因膜材的破损而造成支承结构的倒塌。

膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式，它以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。自从1970年代以来，膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中。膜结构已成为结构设计选型中的一个主要方案。成为化纤纺织品应用的一个重要

领域。近年来在中国建筑结构中也有长足的进展。大阪万国博览会中的美国馆采用了气承式空气膜结构。这个拟椭圆形、轴线尺寸为140m×83.5m的展览馆是世界上第一个大跨度的膜结构，而且是首次采用了聚氯乙烯(PVC)涂层的玻璃纤维织物。作为一种真正的现代工程结构，大阪万国博览会的展览馆标志着膜结构时代的开始。自此以后，膜结构在世界范围内得到了迅猛的发展。从跨度来说,美国庞提亚克的"银色穹顶"气承式空气膜结构的平面有234.9m×183m,开始采用聚四氟乙烯(PTFE)涂层的玻璃纤维织物，类似的大型体育馆在北美就建了九座。从面积来说,沙特阿拉伯吉大机场候机大厅的悬挂膜结构占地42万m2。作为膜结构一种新形式，索穹顶于1988年首先用在汉城奥运会的体操馆与击剑馆，其

后又在一些体育建筑中得到推广。千年穹顶以其独特的膜结构，显示了当今建筑技术与材料科学的发展水平。目前国内有好多厂家都能生产有PVC涂层聚酯织物，但其性能尚未能完全达到建筑织物的要求，作为建筑用的永久性材料尚需进一步提高。据悉最近有些公司正在试制有PVDF面层的聚酯织物和PTFE玻璃纤维织物，外观与性能都大有改进。近一段时间来,国外媒体表现出了对中国建筑设计前所未有的关注。

2005年12月23日的美国《商业周刊》评选出了中国十大新建筑奇迹,包括北京奥体主会场、国家游泳中心、北京首都国际机场、上海世界金融中心、国家大剧院、中央电视台、上海崇明东滩生态城、当代MOMA、长城脚下的公社、东海大桥(上海)。其中地处北京的建筑就有七家之多。“中国正逐步成为当今最具有创意性建筑和工程设计的舞台。”中国建筑事业的发展,正在为今日最顶尖建筑及工艺技术创造一个舞台。报道首先分析了中国新建筑崛起的经济原因和外部环境。文章说,当全球瞩目北京2008年奥运会时,不单是世界上最快以及最具实力的运动员们正在为争取最高荣誉而加紧努力,新一代的创新建筑也正在北京的土

地上拔地而起。由于蒸蒸日上的经济的强大支持,世界上最大的航空港、有节能环保的建筑及世界上最高的室外观光台等将很快一一落户中国。文章列举评选结果说,2008年以前完工的国家游泳中心(水立方)、国家体育场(鸟巢)、国家大剧院等中国公众十分熟悉的知名场馆更理所当然地进入了“十大”之列。从对它们的评价与介绍中可以看到评选者对追求环保、自然的推崇。比如被称为“水立方”的国家游泳中心,是节能环保型的建筑。游泳池内的水将由太阳能加热,泳池的双重过滤装置可实现水的再利用,就连多余的雨水

也将被收集和储存在地下的水池中。复杂的工程系统和弯曲的钢结构使得外部结构像一个泡沫,这种独特的结构设计使得“水立方”几乎经得起任何地震的袭击。文章介绍“鸟巢”时写道,为让北京奥运会主会场这个有着91000个座位的、可能是至今最大的环保型体育场获得自然通风,建筑师从自然中获得了灵感,独创了一个未完全密封,但同样能为观众和运动员遮风挡雨的外壳。体育场的外观犹如一个由枝条编织而成的鸟巢;而其内部,从休息室到饭店,每一个分开的空间都是一个独立的单元,从而使自然空气的流通成为可能。文章指出,作为全国最具流行色彩的城市,北京吸引了很多知名建筑大师成就事业。入选的北京“长城脚下的公社”,是由12名亚洲杰出建筑师设计建造的当代建筑艺术作品。北京“当代MOMA”的设计表明了环保创新技术在住宅中应用和它所代表的建筑发展新趋势,堪称大型可持续发展住宅建筑的典范。它采用世界上最大的地源热泵系统,将用来帮助这个由第20层的咖啡馆、干洗店等系列服务设施连接起来的8幢建筑组成的小区，采用最为节能的方式保持恒湿恒温,这是这座建筑的一大亮点。住宅单元还有一大亮点,就是可再利用废水,将厨房和洗脸盆的废水过滤,卫生间循环利用。

20 世纪60 年代随着现代柔性建筑材料的发展，建筑师们从帐篷着一最古老的简单建筑结构出发，构造出了魔幻般的形式——膜结构。它可以构成单曲面，多曲面等不同建筑结构形式，满足了建筑师们对建筑与美学高度统一的要求。

柔性材料具有透光和防紫外线功能，在一些室外建筑和环境小品中得到广泛的应用。正是由于这一特征，夜间的灯光设计使膜结构具有鲜明的环境标志特征。

优美造型的膜材，不锈钢配件和紧固件加上设计轻巧合理，表面处理严格的钢结构支撑，塑造出形式美观，设计合理的膜结构，在当今世界范围内的建筑环境设计中占有举足轻重的地位。