膜结构

一、膜结构概述

膜结构是用多种高强薄膜材料( PVC 或Teflon) 及加强构件(钢架、钢柱或钢索)通过一定的方式使其内部产生一定的预应力以形成某种空间结构形状,作为覆盖结构,并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。

膜结构有如下特点:造型活泼优美, 富有时代气息; 自重轻,适合大跨度的建筑; 可充分利用自然光,减少能源消耗;造价相对低廉,施工速度快;结构抗震性能好, 使用范围广。

膜结构可分为张拉膜结构和充气膜结构两大类。张拉膜结构又可分为边界直接张拉成型和通过支撑、悬挂等成型两种;充气膜结构可分室内充气式和充气构件式两种。

张拉膜结构具有造型优美柔和、使用维护方便等特点,它适用于中小跨度的结构中,支撑、悬挂式也能用于大跨度结构中, 充气式膜结构适用于大中型跨度的建筑,但使用期间维护较为麻烦。

二、充气式膜结构

早在1917 年,英国威廉·兰切斯特(Willian Lanchester)首次提出气承式( air - supported)帐篷,用于野战医院,并申请了专利,但由于当时的技术条件原因没有成为现实。直到1946 年,美国沃尔特·勃德(Walter Bird)才首次造成了一座直径15m 的充气穹顶。之后,德国的F. 奥托( F. Ot to) 把皂膜原理应用到膜结构设计中, 取得了不少经验。1967年第一届国际充气结构会议在德国斯图加特( Stuttgart )召开。这无疑给充气结构的发展注射了兴奋剂。

随后,各式各样的膜结构建筑出现在1970 年大阪世界博览会上,其中最具代表性的是D.盖格( David Geiger)设计的美国馆( T he U. S. Pavilion) , 其平面是140m×80m 椭圆形的室内充气结构,其次是川口卫( Mamoru Kaw aguchi) 设计的充气香肠构件式的富士馆( 图1)。

后来人们认为: 70 年大阪博览会是把膜屋顶系统地、商业性地向外界介绍的开始, 尤其是川口卫在这一领域内的研究成果,引起了国际的关注,是劲性结构向柔性结构转变的开始, 是建筑业的一个转折, 一次革命,尤如1851 年伦敦博览会上水晶宫( The Crystal Palace) 的建成,向人们展示了工业化建筑技术和幕墙施工技术; 1889 年巴黎博览会上埃菲尔铁塔( T he Eiffel Tow er )展示了摩天技术的能力和可能性一样, 1970 年大阪博览会展示了人们可以用膜结构建造永久性建筑。这时,盖格-勃格公司( Geiger- Berger Associates)在多方支援下开发出了具有适合美国永久建筑规范的特氟隆( Teflon) 膜材料,为膜结构广泛应用于永久、半永久性建筑奠定了物质基础。之后,用特氟隆覆盖玻璃纤维材料做成的充气膜结构建筑相继出现在大中型体育场馆中。

其中典型的有: 1973 年美国加利福尼亚州圣克拉勒大学活动中心( Activities Center at Santa Clara College in California)建成, 平面为91m×59m 椭圆型。1975 年密歇根州庞蒂亚克“银色穹顶”( Silverdome) , 平面为220m×159m 椭圆型。到1984 年,美国共建成8 个大中型充气式体育馆,其中有4 个平面尺寸在40 万平方英尺(约合37249m2)以上。1988年日本建成东京体育馆( Tokyo Dome) ,室内面积46756m2。

在十几年的应用中,充气膜结构虽然实现了大型体育场馆的室内化,但也存在着不少问题,特别是融雪热气系统和空压自动控制系统性能不稳定, 寿命也有限,而且随着时间的推移这个问题更为突出, 几乎所有的充气场馆在使用中都出现过问题, 有的还不止一次。尤其是1985 年冬,密歇根州遇到一次大风雪, 庞蒂亚克“银色穹顶”差点没有全部倒塌,使得人们对这种结构越来越没有兴趣,似乎这种体系在大型体育场馆中再加应用已没有可能,人们因而把目光转向索穹顶( cable dome)膜结构中来。尽管如此, 人们还为自己的城市拥有这样代表先进设计技术的建筑而骄傲。

三、张拉式膜结构

张拉式膜结构的前身是索网结构。第一个索网结构是1951 年美国F. 赛沃特( Fred Sev erud)设计的雷利活动中心( T he Raleigh Arena) ,索网为双曲抛物面。最大的是1972 年德

国F. 奥托设计的帐篷式慕尼黑奥林匹克体育馆( T he Munich Olympic Stadium) ,其找形是用丝网模型法。正是在这次的设计中, 人们认识到大型结构用物理模型法找形具有严重的不足,于是开始了力学方法的探索。

张拉膜结构的发展离不开计算机技术的进步。在70 年代中期,程序还仅能用作结构的分析计算而没有显示功能,就在1981 年设计吉达国际航空港时,还为准备节点数据而夜以继日。到80年代中期,程序才具有CAD图形显示功能,使得张拉膜结构的设计大为方便,人们可看到各种初始条件下和外荷载作用下的形状与变形,并能计算任一点的应力分布,为张拉膜结构的应用开辟了广阔的前景。主要应用有(大多是Horst Berger公司设计, Birdair公司承建) : 1981 年,沙特阿拉伯吉达国际航空港( The Haj Terminal of the Jeddah International Air-por t ) ,由10 组共210 个锥体组成,每个锥体平面尺寸为45m×45m,总面积42750m2。

1983 年,加拿大卡尔加里林德塞公园水族馆( Lindsay Park Aquatic Center in Calgary ) ,它是由一个128m 的桁架支撑两边的索膜而形成屋盖,使用中具有很好的隔热和透光性能。

1985 年, 沙特阿拉伯利雅德体育馆( Riyadh Stadium) , 直径288m,由24 个形状完全一样的悬挑单体组成。

1987 年, 美国威斯康星大学的麦克林训练场( McClain Practice Facility , University of Wisconsin) ,屋顶是相距18. 3m、跨度67m 的桁架拱支撑膜材料组成,平面尺寸92m×67m。

1988 年,英国温布尔登室内网球馆( Winbledon Indoor Tennis Facility ) ,由三组细长预制钢筋混凝土交叉拱支撑膜材料形成屋顶结构,白天自然柔和的光线完全能满足比赛的要求,夜晚灿烂的室内灯光为城市添一美景。

1990 年,美国圣迭戈会议中心( San Diego Convention Center ) , 有“悉尼歌剧院”之美称,它由5 个单体组成,每个单体平面尺寸为91. 5m×18. 3m, 每跨两边各有一个三角形混凝土架支撑,整个平面为91. 5m×91. 5m 方形。

1993 年, 美国新丹佛国际机场, 是目前唯一的一个完全封闭式的张拉膜结构体系, 它是由一系列类帐篷单体组成, 柱跨115m,长度305m,覆盖面积约35000m2。

四、索穹顶膜结构

索穹顶膜结构兼有充气和张拉膜结构的优点,是目前最新的一种适合大跨度的结构体系。美国D. 盖格( David Geiger )发展了50年代B.富勒( Buckminster Fuller )的张拉整体穹顶, 首次提出了类张拉整体的索穹顶,并于1986年和1988年在韩国汉城建成用于1988年奥运会的体操馆(Gymnastics Arena)和击剑馆( Fencing Arena) ,直径分别为120m和90m。1989年又建成了美国伊利诺斯州立大学的红鸟体育馆( Redbird Arena ),平面90m×77m 椭圆型。1990 年在佛罗里达州圣·彼得堡( St. Petersburg )建成“雷声穹顶”( Suncoast Dome) ,直径为210m。最近建成的索穹顶是用于1996 年奥运会亚特兰大主会场的乔治亚穹顶( Georgia Dome) ,椭圆型平面235m×186m ,该体系是美国M.莱维( M. Levy )发展的一种三角形划分网格穹顶,他认为三角形划分稳定性好,易形成自由排水,且膜的刚度大等特点。

五、膜结构在我国的应用

膜结构技术发展到今天已引起了全世界人们的注意。我国最早涉猎此领域的是天津大学吴健生教授, 建筑科学研究院蓝天教授以及同济大学和哈建大的学者们。经过十几年的探索取得了一定的科研成果, 为膜结构在我国的广泛应用奠定了理论基础。同时,天津大学刘锡良教授和同济大学的学者们对张拉整体体系也较早地给予了关注,并对此作了较为深入的研究,为索穹顶的开发应用提供了理论指导。近年来,北京、天津等地也相继成立了不少膜结构开发公司,为膜结构的应用提供了安装制作的物质技术条件。目前影响我国膜结构应用的因素主要有三点:一是膜材料, 其耐久、耐火、自洁、透光、隔热等方面性能与国外膜材料相差甚远;二是没有开发出商业性的膜结构分析计算机辅助设计系统,膜结构分析设计的理论还不够成熟和完善;三是人们的思想观念守旧, 认为建筑是百年大计,用轻飘柔软的膜代替钢筋混凝