张拉膜结构是由膜片、钢索、刚性支承、基础等结构构件通过节点的有效连接而成。作为膜结构设计中的一个重要环节, 节点构造设计对于建筑艺术效果影响很大。膜结构的主要构件——膜面即是围护构件, 也是受力构件。因此, 膜结构的节点设计除了应该满足强度、刚度、稳定性和耐久性等基本要求以外, 与传统结构相比, 其节点设计还需要突出膜材的力学性能, 充分展示结构内在的逻辑性与艺术表现力, 其具体表现在以下两方面:首先, 膜结构体系是一种区别于传统刚性结构的柔性结构, 节点构造应突出膜材的柔性特征, 应能清楚表达结构中力的传递路线;其次, 节点构造应允许其体系在一定程度上的旋转和位移, 以适应膜结构在大变形情况下所产生的附加应力。本文将就最具膜结构特点的三个节点设计即——膜片拼接、膜面边缘、膜面的高、低支点, 阐述其节点设计中典型构造形式, 以及与建筑功能之间的关系 (图1～2) 。

张拉膜结构均为曲面形态, 舒展、灵活的空间曲面是由平面的膜材经过设计剪裁后拼接、拟合而成。剪裁后的膜片拼接主要采用缝合、焊接和粘合三种方式。无论采用何种方式拼接, 在透光的膜面衬托下由膜片重叠形成的拼接缝都将呈现出一条十分明显的暗条。因此, 设计师在进行剪裁设计时, 除了考虑其结构受力的合理性外, 还应充分利用这种透光性上的差异, 使之成为膜结构室内装饰的一个重要元素, 从而提高人们对膜结构空间的感知度, 强化屋顶形式及尺度, 增加膜顶形态的可读性, 改善膜结构空间内的光环境。如日本的KAJIMA体育场屋顶 (图3) , 偌大的室内球场采用膜结构屋顶覆盖, 没有直射光线的室内弥漫着单调的漫射光。设计师采用了分组和分层次的剪裁设计, 强化了膜面拼缝的装饰效果。通过规律性排列膜面拼缝, 令使用者在室内较为容易的感知膜顶尺度, 同时也减轻了漫射光环境下易产生的视觉疲劳感;又如马来西亚的吉隆坡国家体育中心游泳馆的膜材屋顶 (图4) , 设计师结合膜面的施力高支点, 设计了几个巨大花朵图案的剪裁方案, 形成了犹如流动的水面上漂浮着几朵花瓣的视觉效果, 跳动的图案给室内带来欢快的气氛, 从而达到了膜面剪裁设计中结构合理与装饰效果的有机统一;再如伊拉克Medina清真寺院子中遮阳伞 (图5) , 在遮阳伞膜面剪裁设计中, 拼缝从周边向中心逐渐聚集, 相互交叉最终收于柱头。膜材的拼缝图案充分表现了遮阳伞漏斗状造型, 同时具有典型的穆斯林装饰风格。该剪裁设计反映设计者对于结构逻辑及材料性能深刻的理解力和对文化视觉元素的准确把握能力。

膜面边缘可分为刚性 (直线或折线形) 和柔性 (曲线形) 两大类。其中, 刚性边缘的膜面是通过连续或间隔均匀的构件与刚性支承相连接, 如英国剑桥研究室 (图6) 。刚性结构支承膜面围合空间, 易于形成封闭空间, 通常不需要占据较大的场地。这一类膜结构常用于城市环境中或更新改造项目中, 可以利用既有的传统刚性结构作为膜面支承。当然, 能够表现膜结构轻盈、流动、灵性等造型特点的还是柔性边缘的膜面。柔性边缘适用于外荷载作用下变形较大的情况, 膜面形态和尺寸变化较大, 建筑占地面积也较大。当采用柔性边缘膜面形成封闭空间时, 需要借助于传统刚性的围护结构。柔性膜曲面与刚性围护结构连接采用具有弹性的织物或充气带, 以适应两者之间可能产生的位移。如意大利M&G研究实验室 (图7～8) , 它由6个连续的马鞍形膜面构成, 马鞍形膜面被三角拱架所支承, 与拱架所在平面相垂直的两侧其膜面边缘被设计成曲线形, 取得了建筑与环绕周边的水面交相呼应、相得益彰的效果。但为了形成封闭空间, 设计师在膜面的两侧增设了与开口相对应的玻璃幕墙, 刚性的幕墙上缘通过织物与膜结构柔性边缘相连接, 避免膜面产生变形造成玻璃幕墙的破坏。

作为膜结构连续的支承体系, 膜面边缘的柔性曲线形态主要由张力平衡条件决定。因此, 其设计应符合膜面的传力路径。为了加强膜面边缘, 使其发挥足够的支承作用, 设计中通常采用织物或钢索对其进行加劲。采用不同的方式加劲, 取得的视觉效果存在较为明显的差异。膜面的柔性边缘采用织物加劲时, 加劲边与膜面融合在一起, 织物弹性得到自然表达;当膜面采用钢索加劲时, 通常需要增加一系列索套或间隔均匀的金属夹具将膜面与加劲钢索相连。膜片与钢索之间应留有一定的空隙以适应荷载作用下索、膜之间可能产生的相对滑动。设计应着力表现不同材料间的对比效果与连接细节, 金属夹具应尽可能小巧精致。边缘表现各种材料特性和力的传递关系 (图9) 。

膜面是依靠高、低支点的错落布置形成膜面曲线造型。同时, 膜面的高、低支点也是膜片、钢索以及支承构件 (如桅杆、钢架) 的汇聚点, 是各向力的平衡节点。高、低支点通常需要设置特制的金属连接件, 以连接膜片、钢索与支承结构。

依据膜面上高、低支点的布置方式不同形成的膜曲面大致分两类:锥形曲面和马鞍形曲面。其中锥形曲面的高、低支点分别排布于膜面中部和膜面边缘, 而马鞍形曲面的高、低支点则间隔布于膜面边缘。膜面上高、低支点的空间相对位置不仅决定建筑的空间形态, 同时还影响膜面各点的受力大小。

节点金属连接件因支点位置不同也分为两大类:片状连接件和环状连接件。片状连接件通常用于膜面边缘支点, 而环状连接件通常用于膜面中部支点。为了控制膜内应力大小, 连接件与膜面应有适当大小的接触面, 因此, 连接件大小取决于膜内应力水平。

处于膜面边缘上的片状连接件需要满足不同方向力的传递与平衡, 其几何形状也不尽相同。该类连接件应为简洁圆滑的流线型, 以避免对膜面造成不必要的损伤。此外, 连接件还应允许一定范围内的转动调节, 以适应膜结构在荷载作用下大变形的情况 (图10～11) 。边缘上的高支点通常以桅杆支承, 低支点通常锚固于地面。通过长短不一、倾角不同的桅杆更可以塑造出变幻万千的膜结构空间形态, 如慕尼黑国际博览会的德国馆 (图12) 。

处于膜面内的环状连接件, 其直径大小应与膜材强度和所需承担的荷载相适应。膜面内的支点既可以通过内部桅杆支承, 也可以采用外部悬吊方式使节点成为膜面的高点。位于膜面高点的圆环口还可用于通风和引入直射光, 圆环口处可以安装透明罩来满足防水要求 (图13) 。当膜面内支点位于膜面的低点时, 通常以锚固的方式固定于地面。处于低点的圆环口则可用于顶面的排水。结合采光、通风、排水等功能的膜面内支点设计是构造深化设计的方向。如美国佛罗里达海洋公园节日中心 (图14) , 其膜面低点设计构思巧妙, 其中心倒置的锥形顶在受力上起平衡作用, 同时汇集了膜面雨水, 圆环低支点通过一系列相互交叉的钢索锚固在室内蓄水池周边, 成为室内一处景观, 该节点将膜面低支点与采光, 排水和室内景观有机整合到了一起。

膜结构将结构逻辑与技术手段作为建筑艺术表现的基础, 它是一种建筑与结构高度统一的结构体系, 其设计需要工程师与建筑师之间的紧密配合。节点构造设计是膜结构设计的重要环节, 如何将构造的合理性与形式感结合, 开发具有结构与建筑等多重功能的节点设计应当成为建筑师与工程师需要不断探索的共同课题。