近年来，随着科技的进步以及人们对建筑物功能使用需求的提升，越来越多的充气膜结构建筑步入人们的视野。充气膜结构建筑的出现不仅丰富了人们的生活生产需求，也拓展了绿色建筑的发展空间，成为近年来设计师和绿色建筑倡导者们炙手可热的选择之一。而气承式充气膜结构作为其中一种重要类型在国内得到迅猛发展，随着时代的发展，气承式充气膜结构也必将成为21世纪大跨度空间建筑中最具代表性的结构形式之一。

气承式充气膜的建设在国外起步较早，尤其是美国和日本两国在充气膜的理论研究与实践百富策略白菜网中都取得了丰硕的成果。早期的气承式充气膜结构多百富策略白菜网于大型体育馆和展览馆的建设中，同时用于配合支撑或装饰的刚性结构或构件进行整体设计，如美国密歇根州彭蒂亚克“银色穹顶”（图1）、日本东京充气棒球馆[1]等。但由于技术和理论的限制，该结构很快出现了种种安全性问题，使用率逐渐下降。

到了20世纪90年代，充气膜结构进入到中国，北京建成国内第一座气承式充气膜结构建筑——北京顺义某招待所游泳馆（图2），气承式充气膜结构建筑也在短时间内得到了快速发展。随着建筑业的快速发展，气承式充气膜结构以其空间跨度大、造型简洁新颖和节能环保等特征越来越多地百富策略白菜网于日常生活中，除了在体育场馆的建设中得到大量使用，在会议展览、商业、工业厂房、军事医疗以及仓库库房等建设中也受到越来越多的青睐。

相比于传统建筑结构形式，气承式充气膜结构在能满足相同建筑使用需求的前提下，还拥有如下几点优势：

(1）满足多种需求的超大跨度：气承式充气膜结构，从根本上克服了传统结构形式在实现无支撑的大跨度上所遇到的困难和挑战。因此，可创造出无柱大跨度空间，最大效率利用建筑的使用面积[2]。

(2）建造快速、投资成本低：气承式充气膜结构进行实地建造前通常是经过工厂的预制和模组化的构件生产，实现场地基础施工与充气膜同期进行。对于大部分气承式充气膜结构建筑来说，10天即可安装完成，快速响应市场需求。同时，由于充气膜是由新材料制成，因此在建造成本上省去了传统建筑刚性支撑的费用，性价比高，其造价只有普通建筑的1/3至1/2左右[3]。

(3）实现内部空间的空气净化：由于其独特的结构形式，需要供风系统不断地为膜内补充空气，保持室内的正压环境。空气净化单元则可以结合供风系统对排入室内的空气进行过滤和净化，隔绝污染。

(4）具有较强的百富策略白菜网适应性：随着科技发展，膜材质性能的提升，气承式充气膜结构的使用受自然气候条件的影响越来越小，满足世界多地区的使用。同时，结构的时效性也从原来临时性结构逐渐转向大跨度永久性结构。

空气的温度是寒地城市极为重要的气候特征之一。相比于其他地区，寒冷地区四季分明，冬季严寒漫长且采暖期（日平均温度小于5℃的天数）近5个月[4]。寒地冬季室外的气温远低于人体舒适温度，人们长时间在室外活动会产生不适应与不方便。例如，黑龙江省哈尔滨市的1月份平均气温为零下15℃～零下30℃，即便是进行冰雪相关的室外体育运动长时间也会让人感到身体不适。另外，持续性的低温也不利于建筑的施工，尤其是对充气膜结构的基础建造需要水泥和混凝土材料，低温使其无法达到相应的强度标准，导致施工效率差，施工安全性容易出现较大问题，因此寒地城市冬季可施工周期很有限。

日照可以为建筑提供热量来源，改善建筑室内热环境。日照会随着季节的推移而发生有规律的变化，在寒地中冬季时节的日照时间相对较短，加上冬季里雾霾造成的空气浑浊，建筑得到的有效日照时间大大减少。而对于充气膜结构建筑这种由较特殊材料制成的建筑，日照则会对规划布局和建筑的使用产生较大影响。同时，日照不仅会影响空间的体感温度，也会影响建筑内的光环境和建筑室内外空间的安全环境[5]。

由于充气膜是柔性材料，内部需不断鼓入空气以通过气压对膜材进行支撑，而寒地的寒风降雪则对建筑的安全性设计带来一定的隐患。严寒地区冬季降雪量较多，而冬季的低温使得降雪无法在短时间内消逝，积雪一旦降落在柔性的膜材料上面，若充气膜结构设计不合理或清理不及时则会产生“袋状效应”，随着时间的积累会使得充气膜结构的安全性和耐久性降低。积雪是在竖直方向上对充气膜结构产生荷载影响，而风则常常是通过侧向的荷载对充气膜产生影响。虽然流线型的外观以及索网的设计能够在一定程度上缓解风荷载带来的冲击，但是在不同的环境、地形和建筑使用中都应该进行相应的调整与变化。

对于气承式充气膜结构建筑而言，适寒设计强调膜结构与寒地自然、社会、人文环境的和谐共生，充分发挥自身特性从而达到整体效益的最大化。通过这种特殊的建筑类型来寻求建筑空间功能、环境、新材料新技术和形体等方面的设计突破，加以新的创作理念，以积极的方式应对寒地恶劣环境的影响。

对于气承式充气膜结构而言，其最大的特征便是可以提供一个较大的连续无柱完整的空间，其最大跨度可达200～300米，面积可达足球场之大，这是传统建筑无法实现的。在实际设计中，可根据功能类型和环境评估对气承式充气膜结构建筑进行差异化设计以满足在寒地地区的多种使用需求。由于寒地四季分明，冬季温度低而夏季温度也相对较高，在面对不同季节时，适当转换充气膜建筑的使用定位也可以更加高效地发挥其在寒地中独特作用。

在气承式充气膜结构建筑中，其内部空间通常可简单地分为主要空间和次要空间两部分。主要空间占据着整个充气膜结构的中心部分，充分利用膜内最佳的空间满足其需求；而次要空间通常布置在充气膜的四周，一方面可以为主要空间抵御部分室外的寒冷；另一方面可以充分利用气承式充气膜结构四周的锐角空间，提升功能空间的使用率。主要空间与次要空间可以是相同功能下附属关系，也可以是不同功能下的两种空间形式。例如，沈阳市李铁8号足球公园综合气膜馆（图3），通过将集装箱的布置将运动场地与服务空间分隔开，提高空间的灵活性与自适应性，更加契合寒地建筑的设计原则。

随着社会的发展、物质文化的极大丰富，人们对建筑的需求早已不仅仅是能够提供遮风避雨的场所，而是能够通过场所的建造来提升空间的质量，从而使得人们获得更加舒适的室内环境。在空气净化方面，北方冬季二氧化碳的大量排放导致空气被污染，大量的悬浮物和PM2.5正威胁着人们的健康，尤其是对那些经常处于室外暴露空间的人们[6]。而气承式充气膜结构可通过其智能的供风系统将室外空气净化后送入室内，极大改善了建筑内部的空气环境且不受外界天气影响。

此外，寒地城市受严寒气候影响，人们在室外行动不便，极寒的气温给人们带来了较差的环境体验，而气承式充气膜结构建筑则可以很好地改善这一状况。在冬季户外常见的滑冰、滑雪、冰雪大世界等活动中，从室外移至室内既能保证冰雪长时间存留，保障活动完整性，又能提升舒适度，为使用者带来更好的活动体验。位于哈尔滨市的室内冰雪大世界主题乐园（图4）便采用了气承式充气膜结构，场馆通体白色，美观时尚，内部配有空调制冷系统，可以不受天气的限制，给游人提供一个可以一年四季都能欣赏冰雕且较为舒适的室内环境（图5）。

气承式充气膜结构特殊的承重方式决定了它独一无二的建筑形体。最早由美国人Walter Bird建成的第一个气承式充气膜结构呈多普勒雷达穹顶的半球形形体（图6)[7]，演变到如今大部分呈四边形扁壳形态（图7）。而这种平面呈现矩形、表面为正高斯曲率结构形体，在一定程度上解决了寒地环境中建筑屋顶积雪带来的不良影响。气承式充气膜结构通过计算机软件的模拟设计矢跨比，使其既能承受冬季降雪带来的压力，又能很好地结合充气膜结构的除雪融雪系统进行快速除雪，防止积雪过多使柔性膜材产生“袋状效应”而导致膜结构损坏。

在建筑创作受限的寒地城市中，流线型的形体外观不仅能够为城市建筑增添一分亮丽的景色，更重要的是能够削弱寒风带来的冲击，提高整体稳定性。在寒地中，为了能够更好地应对冬季风雪带来的压力形变、保障膜结构的安全性，应保证膜面始终为正高斯曲率状态。而在膜面初始曲率较小时，膜内拉力则会变得更大，可以通过加入索网体系来增强膜结构整体的抗压和抗弯能力，抵抗内部更大的气压差带来的膜内张力过大的问题，从而保证气承式充气膜结构在寒地中能够耐久使用、延长寿命。除此以外，丰富多彩的膜材也使得充气膜建筑形体有更多变化的可能，搭配膜材自身的颜色可使得整体极具艺术感染力，建造出更适合寒地地域特征的气承式充气膜结构建筑。

区别于传统建筑结构形式，气承式充气膜结构建筑依赖于高性能的表皮膜材质和支撑整体运作的智能供风系统。而最为直观地影响充气膜在寒地环境中使用寿命、功能定位、外观形象和用户满意度的便是膜材本身的特性与状态。常用的膜材包括PTFE、PVC和ETFE，且都在20世纪中期至今得到了较为成熟的发展[8]。为了适应不同寒地环境、满足不同使用需求，膜材料在此基础上也进行了更具针对性的更新与发展，为设计者和使用者提供了更多的可能性。

下表为三种常用膜材部分属性对比（表1），可看出三种材料都具有良好的性能，都能够长期适用于寒冷环境中。考虑成本原因PVC和PTFE常被用作为气承式充气膜结构的表皮主要材料，为确保膜材本身不会与大气中的污染因素发生反应，也常常将PVDF氟涂层对膜材表面进行处理；而ETFE则因为具有良好的透光性，常用于膜结构顶界面用作室内采光的围护结构。

除了膜材质本身的优越属性，气承式充气膜结构还配备了一套智能化的加热、供风、照明、门禁以及相应的备用设备，自动化的供风系统始终会保证充气膜内部有200pa左右的正压[9]，使得整体结构稳定。在面临寒地地区大风大雪时，供风系统会根据膜外压力的增加而适当的增大室内的压力，并提供加热的空气对屋面进行及时的除雪处理。与此同时，气承式充气膜结构借助智能供风系统也解决了冬季室内空调送风问题，节省了日常设备的能耗，也体现了充气膜结构绿色环保的理念。

气候环境是寒地城市区别于其他地区最为突出的特征，冬季里的低温干燥、寒风和降雪是对气承式充气膜结构建筑影响最大的三种不利环境因素，如何利用充气膜结构自身的优势来应对严峻环境带来的挑战则是对其适寒设计最好的解读。这不仅对气承式充气膜结构建筑在寒地环境中的发展提出了更多的要求，也为其提升使用效率和舒适度提供了一定的参考，更加体现绿色建筑的特征，对保护环境和可持续发展起到积极作用。