膜结构代表建筑

国家体育场

国家体育场（National Stadium）位于北京奥林匹克公园中心区南部，为2008年第29届奥林匹克运动会的主体育场。工程总占地面积21公顷，建筑面积258,000m2。场内观众坐席约为91000个，其中临时坐席约11000个。举行奥运会、残奥会开闭幕式、田径比赛及足球比赛决赛。奥运会后将成为北京市民广泛参与体育活动及享受体育娱乐的大型专业场所，并成为具有地标性的体育建筑和奥运遗产。国家体育场工程为特级体育建筑，主体结构设计使用年限100年，耐火等级为一级，抗震设防烈度8度，地下工程防水等级1级。工程主体建筑呈空间马国家体育场工程作为国家标志性建筑，2008年奥运会

主体育场，其结构特点十分显著，国家体育场结构复杂。体育场呈鞍椭圆形，南北长333m、东西宽294m的，高69m。主体钢结构形成整体的巨型空间马鞍形钢桁架编织式“鸟巢”结构，钢结构总用钢量为4.2t，混凝土看台分为上、中、下三层，看台混凝土结构为地下1层，地上7层的钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。钢结构与混凝土看台上部完全脱开，互不相连，形式上呈相互围合，基础则坐在一个相连的基础底板上。国家体育场屋顶钢结构上覆盖了双层膜结构，即固定于钢结构上弦之间的透明的上层ETFE膜和固定于钢结构下弦之下及内环侧壁的半透明的下层PTFE声学吊顶。

竣工的北京奥运会场馆“鸟巢”和“水立方”膜结构采用ETFE膜材，是目前国内最大的ETFE膜材结构建筑，膜材采用进口产品。“鸟巢”采用双层膜结构，外层用ETFE防雨雪防紫外线，内层用PTFE达到保温、防结露、隔音和光效的目的。“水立方”采用双层ETFE充气膜结构，共1437块气枕，每一块都好像一个“水泡泡”，气枕可以通过控制充气量的多少，对遮光度和透光性进行调节，有效地利用自然光，节省能源，并且具有良好的保温隔热、消除回声，为运动员和观众提供温馨，安逸的环境。

青岛颐中体育场的罩篷采用索膜结构体系，是国内第一个主要依靠自己的技术力量设计、建造的大型体育场膜结构，也是国内第一个采用张拉整体式膜结构的体育场，于2000年7月建成。该体育场是由60个锥形膜单元组成的脊谷式张拉整体式膜结构。长轴266m，由86m 长的直线段和两端半径为90m的半圆弧组成，短轴180m。立柱标高42.5m，内环索标高

36.5m。篷盖悬挑沿周边均约40m，具有较好的排水坡度及建筑美感；膜覆盖面积（投影面

积）约30000m2，可容纳6万名观众。建筑分析整个篷盖是由钢结构支撑系统、钢索、膜组成的一个典型索膜张拉体系。每个单元由一个立柱支撑，通过谷索、脊索、内外边索的张拉作用成形。上、下吊索则作为活(雪)荷载和风荷载必需的稳定索。罩篷内圈由4根Φ109×7的钢索组成索束，形成受拉内环，外圈钢结构由上、下环梁、立柱、斜腹杆共同组成，形成受压外环。这种内环受拉、外环受压的空间体系，有着良好的白平衡性及整体稳定性，大大减小了对已有混凝上结构的影响。但是由于本工程受压环存在着直线段，环向受力很不均匀，且内环索（挑篷前端）位移较大，经过方案的反复调整，最后决定把直线段的上、下吊索改换成三角形钢桁架以增加体系的整体刚度，同时在直线段的后挑出端加下拉杆至混凝土看台柱以改善篷盖的受力状况。计算后发现，钢环梁的轴压力大大降低而且分布均匀，环索的最大位移也不大于200mm，效果令人满意。罩棚所用的膜材料为法国FERRARI PRECONTRIANT 1302 FLUOTOPT，最小抗拉强度为140kN/m，厚度约为1mm，每平方米重1.35kg。张拉机构的位移量为0.6m，以此达到向整个索膜结构体系施加预应力。

水立方，国家游泳中心

工程概况

国家游泳中心又被称为“水立方”（Water Cube），位于北京奥林匹克公园内，是北京为2008年夏季奥运会修建的主游泳馆，也是2008年北京奥运会标志性建筑物之一。它的设计方案，是经全球设计竞赛产生的“水的立方”（[H2O]3）方案。2003年12月24日开工，在2008年1月28日竣工。其与国家体育场(俗称鸟巢)分列于北京城市中轴线北端的两侧，共同形成相对完整的北京历史文化名城形象。国家游泳中心规划建设用地62950平方米，总建筑面积65000-80000平方米，其中地下部分的建筑面积不少于15000平方米，长宽高分别为177m × 177m × 30m。到目前，来自101个国家和地区的35万多港澳台同胞及海外侨胞共捐献了9.4亿人民币。其中郑裕彤、郑家纯父子及属下企业曾捐赠五千万元人民币。

奥运过后，水立方和鸟巢已成为北京市的新地标。

结构形式及特点

“水立方”是北京奥运会国家游泳中心，它的膜结构已成为世界之最。它是根据细胞排列形式和肥皂泡天然结构设计而成的，这种形态在建筑结构中从来没有出现过，创意真是奇特。

“水立方”的墙面和屋顶都分内外三层，设计人员利用三维坐标设计了3万多个钢质构件，这三万多个钢质构件在位置上没有一个是相同的。这些技术都是我国自主创新的科技成果，他们填补了世界建筑史的空白。

设计者将水的概念深化，不仅利用水的装饰作用，还利用其独特的微观结构。基于“泡沫”理论的设计灵感，他们为“方盒子”包裹上了一层建筑外皮，上面布满了酷似水分子结构的几何形状，表面覆盖的ETFE膜又赋予了建筑冰晶状的外貌，使其具有独特的视觉效果和感受，轮廓和外观变得柔和，水的神韵在建筑中得到了完美的体现。轻灵的“水立方”能够夺魁，还在于它体现了诸多科技和环保特点。合理组织自然通风、循环水系统的合理开发，高科技建筑材料的广泛应用，都共同为国家游泳中心增添了更多的时代气息。泳池也应用了许多创新设计，如把室外空气引入池水表面，带孔的终点池岸，视觉和声音出发信号等，这将使比赛池成为世界上最快的泳池。

“水立方”不仅是一幢优美

和复杂的建筑，她还能激发人

们的灵感和热情，丰富人们的

生活，为人们提供记忆的载体。

因此设计中不仅利用水的装饰

作用，同时还利用其独特的微

观结构。采用在整个建筑内外

层包裹的ETFE膜（乙烯-四氟

乙烯共聚物）是一种轻质新型

材料，具有有效的热学性能和透光性，可以调节室内环境，冬季保温、夏季散热，而且还会避免建筑结构受到游泳中心内部环境的侵蚀。更神奇的

是，如果ETFE膜有一个破洞，不必更换，只需打上一块补丁，它便会自行愈合，过一段时间就会恢复原貌！

国际上在建筑使用膜结构时，多用的是PTFE膜，这是一种纤维材料，特点是不透明，但是，使用技术比较成熟。而“水立方”使用的是ETFE膜，这是一种透明膜，能为场馆内带来更多的自然光。在国内对这种薄膜结构的理论研究几乎就是空白。

上海万人体育场

为迎接1997年9月第八届全国运动会，上海建造了八万人体育场。该体育场由上海建筑设计研究院与美国Weidinger Associates公司联合设计，看台罩篷采用了膜结构，膜材料为进口玻璃纤维织物涂敷聚四氟乙烯涂层（PTFE）材料，为组合式膜结构体系。这是膜结构首次在我国应用于大型永久性建筑，标志着膜结构建筑作为一种新的建筑结构被我国各界人士的认可，拉开了膜结构建筑在我国广泛应用的帷幕。体育场膜结构罩篷整体为马鞍形空间曲面，平面投影呈椭圆形，外圈东西长288.4m，南北宽274.4m，内圈东西长150m，南北长213m。罩篷西部最高62.3m，悬挑73.5m，东部高41.2m，悬挑46m，南北高31.8m，悬挑22.9m。

马鞍形空间造

型是由长短、高

度不一的32榀

径向悬挑钢桁

和环向钢桁架

组成，每两个径

向悬挑桁架之

间为一个独立

的膜单元，径向

悬挑桁架上面

设置排水槽。根

据径向桁架的

长度不同，膜单位由一个、两个或三个伞状单体组成，整个体育场罩篷共由59个大小不等的伞状膜单体组成，每个伞状膜单体由一飞柱系统（八根拉索和一根压杆）支撑，通过飞柱支撑系统向膜体内施加预应力，膜覆盖面积约为36000m2。膜材料为美国SHEERFILL产品。建成后的八万人体育场为美丽的上海增加了一道亮丽的风景。

英国伦敦

的千年穹顶英国伦敦的千年穹顶是世界各国为了迎接新千年的到来而兴建的一系列千禧建筑中最为著名的作品。它造型独特，气魄宏伟，辉煌一时，引起了人们的极大关注，许多人称它是20世纪90年代产生的鸿篇巨作。它是英国旅游协会评出的2000年度英国最受欢迎的收费观光景点，被誉为“伦敦的明珠”。千年穹顶（Millennium Dome）位于伦敦东部泰晤士河畔的格林威治半岛上，是英国政府为迎接21世纪而兴建的标志性建筑。这个工程原先只考虑建成临时性的，后经研究，这项工程不论是从周围市区的复兴，或是建筑交通基础设施的长期投资来说都具有很大价值，1997年英国工党政府上台后，决定建成一个占地73公顷、总造价达12.5亿美元的大型综合性展览建筑。其中包括一系列展示与演出的场地，以及购物商场、餐厅、酒吧等，在1999年12月31日揭幕。千年穹顶直径320m，周圈大于1000m，有12根穿出屋面高达100m的桅杆，屋盖采用圆球形的张力膜结构。膜面支承在72根辐射状的钢索上，其截面为2×Φ32，这些钢索则通过间距25m的斜拉吊索与系索为桅杆所支撑，吊索与拉索同时对桅杆起稳定作用。另外还设有四圈索桁架将钢索联成网状。膜结构屋面设计中的一个关键问题是要避免雨雪所形成的坑洼，千年穹顶的大部分屋面都比较平坦，因此膜面的支承结构必须面对清除这些难点，将周围的索抬高于膜面，使雨水能流到排水管。辐射向索在周圈与悬链索相连并固定在24个锚固点上，顶部则与12根φ48钢索组成的拉环连接，拉环直径为30m，中设天窗供穹顶通风用。桅杆为梭型钢管格构柱，桅杆沿直径200m的圆周设置，支承在由四根杆组成的四角锥形底座上。一些细钢索从高10m的底座引出，因而不妨碍展出。千年穹顶的膜材原先采用以聚酯为基材的织物，以后考虑使用年限长改用涂聚四氟乙烯的玻璃纤维织物，为了防止结露，又增加了能隔音、隔热的内层，但内部装修尚未完工，这层膜材已

出现了被玷污的痕迹，影响美观。因此在工程中更换了不同生产商的膜材料。千

年穹顶产生于全世界范围为迎接对世纪到来的庆典，在建造过程中受到了不少赞扬与批评，但最终的结构还是显示了美好的形象。

美国丹佛新国际机场(The New Denver International Airport)

美国丹佛新国际机场(The New Denver International Airport)，1994年建成，候机大厅膜结构由17个帐篷单体组成，宽76m、长275m，覆盖面积约30000m2；屋盖由两层相距0.6m的特氟隆膜材料组成，下层膜主要起隔热和吸音的作用。周边围护结构是玻璃幕墙，幕墙和屋顶膜结构之间用一个连续的直径1m左右的充气管填塞，形成一个完全封闭的结构体系。丹佛新机场坐落在落基山脉脚下，这里雪大气候条件恶劣，它的应用成功，为在多雪寒冷地区大跨度膜结构的应用创造了成功的经验。

美国圣地亚哥会议中心(San Diego Convention Center)，1990年建成，为当地著名的景点，有“悉尼歌剧院”之美称，它由5个单体组成，每个单体由二个“飞柱”顶起形成双伞状，单体两端各有一个三角形混凝土架支撑，每个单体平面尺寸为91.5m×18.3m，整个平面为91.5m×91.5m的方形。

秦皇岛体育场可容纳观众35000人，该体育场挑篷采用了膜结构，其水平投影为一椭圆(图2)，长轴(南北向)246m，短轴(东西向)230m(图中竖轴)。挑篷结构沿东一西轴对称，西看台主席台的挑篷前缘标高是36．4m，东看台的挑篷前缘标高是32m，南北看台的挑篷前缘标高都是20．6m，整个体育场膜面呈马鞍型，具有强烈的动感和曲线美。结构形式及特点：整个膜结构挑篷由24个基本张拉单元组成，每个张拉单元的支撑结构见图3。每个基本张拉单元后缘由边索张拉，前缘固定于内环梁的钢拱上，两侧边固定在相邻的桁架的上弦上，内部由支承于相邻桁架上弦的钢管拱撑起，形成拱支撑膜面。膜材采用聚氯乙烯涂层的聚脂纤维膜材，外加PVDF涂层，膜材厚度0．91mm，弹性模量630N／rum2，泊松比0．3。桁架通过前拉杆、前拉索、后拉杆以及下拉杆悬挑予钢筋混凝土柱上。整个挑篷有24榀桁架。由24根钢筋混凝土柱撑起，桁架的最大的悬挑跨度达40m。为加强屋面的整体性，在悬挑桁架的悬臂端用内环桁架、在支座处用外环桁架将所有桁架连在一起，这就形成了具有一定空间刚度的巨型挑篷。膜材的极限抗拉强度标准值是123N／ram2，短期荷载下膜的抗力分项系数取为4t3l，则膜材的极限抗拉强度设计值123／4=30．75 N／mmz。

慕尼黑安联竞技球场(Allianz Arena)，投资金额为2.8亿欧元。安联体育场被选作2006年德国世界杯开幕式赛场。体育场的表面由透明的菱形膜结构构成，在阳光下闪烁着微光，有种魔幻的视觉效果。而在夜间，它可以由灯光打出红蓝两色。

安联体育场由瑞士设计师雅克·赫尔佐格和皮埃尔·缪隆设计。外墙体由2874个气垫构成，其中1056个在比赛中可以发光。当体育场中比赛的球队发生变化时，墙的颜色就可以随之改变，其奇妙之处将远超想象。慕尼黑人非常喜欢这个体育场，并亲切地将其称为“安全带”或“橡皮艇”。

亚特兰大体育馆(佐治亚穹顶)

蒙特利尔体育场